Membuat Matahari Buatan di Bumi dengan Reaktor Fusi Tokamak

Reaksi yang terjadi di matahari dan bintang-bintang di alam semesta adalah reaksi fusi. Reaksi fusi merupakan penggabungan inti atom ringan menjadi inti atom yang lebih berat dengan menghasilkan energi, sering juga disebut reaksi fusi nuklir. Energi yang dihasilkan matahari merupakan energi yang sangat besar sehingga menjadi sumber energi utama bagi kehidupan di bumi. Energi tersebut dihasilkan dari reaksi fusi secara berkelanjutan.

Belajar dari matahari, para ilmuwan berpikir bagaimana caranya membuat suatu reaksi seperti yang terjadi pada matahari dalam rangka memenuhi kebutuhan energi bagi kehidupan manusia. Konsep tentang energi fusi mungkin sudah pernah kita lihat pada film Spiderman 2, yaitu pemanfaatan energi fusi sebagai sumber energi utama dari bahan bakar baju super Dr. Octopus.

Jika berbicara tentang fusi nuklir, maka tak akan dapat terlepas dari yang namanya ‘plasma’. Pada kondisi di mana reaksi fusi dapat terjadi (temperatur yang sangat tinggi), kondisi gas sudah sepenuhnya berada dalam bentuk plasma. Mari kita uraikan lebih jauh apa itu plasma.

Pada sekumpulan partikel gas yang dipanaskan, terdapat agitasi termal yang menyebabkan partikel gas bergerak semakin cepat dan saling menumbuk satu sama lain. Akibatnya temperatur sekumpulan gas tersebut semakin membesar. Satu demi satu partikel gas terionisasi dan hingga saatnya tiba, sekumpulan partikel gas berubah menjadi sekumpulan partikel bermuatan dan partikel netral dengan derajat ionisasi α yang memiliki nilai dari 0<α≤1. Dalam fisika, plasma merupakan fase keempat dari suatu zat yang melingkupi 99,999% alam semesta terlihat (visible universe) dengan sekumpulan ion, elektron, dan molekul gas sebagai penyusunnya yang memenuhi syarat nλD3>>1.

Sering kita mendengar salah satu jenis televisi bernama TV plasma. TV plasma merupakan televisi yang bekerja dengan plasma di dalamnya. Gas xenon dan neon yang digunakan di dalam TV plasma akan terionisasi dan mencapai kondisi plasma setelah diberikan tegangan pada elektroda di antara sekumpulan gas tersebut. Plasma tersebut kemudian menghasilkan sinar ultraviolet. Agar sinar ultraviolet dapat diproyeksikan menjadi cahaya tampak, maka setiap sel di dalam TV plasma dilapisi oleh fosfor yang memiliki warna merah, biru, dan hijau sehingga dapat dihasilkan warna sebagaimana yang terlihat pada TV plasma.

Berdasarkan temperatur dan derajat ionisasinya, plasma dibedakan menjadi plasma dingin, plasma termal, dan plasma panas. Pada plasma panas (hot plasma), derajat ionisasinya bernilai 1 yang berarti seluruh partikel gas berada pada keadaan terionisasi sehingga kondisi plasma hanya tersusun dari sekumpulan ion dan elektron. Contoh plasma panas adalah plasma termonuklir yang terdapat pada matahari dan reaktor fusi.

Gambar  1. Ilustrasi fase ke empat materi setelah fase padat, cair, dan gas dalam H2O (Nur, 2011).

Kembali ke fusi nuklir, pada tahun 1930 para ilmuwan khususnya Hans Bethe meneliti bahwa fusi nuklir memungkinkan untuk dibuat. Percobaan mulai dilakukan pada awal era 1940-an dan terdapat kendala pada ketahanan material terhadap temperatur plasma yang sangat tinggi. Tak ada satupun material yang tahan dalam menerima temperatur pada skala plasma termonuklir. Karena plasma merupakan campuran partikel-partikel bermuatan, maka plasma dapat dikontrol oleh medan magnet. Medan magnet yang sesuai akan dapat digunakan untuk mengurung plasma dengan kerapatan yang cukup tinggi dan kestabilan energi dengan waktu yang cukup panjang. Maka dari itu, dibuatlah suatu konsep magnetic confinement sehingga plasma berada di antara dua dinding bejana vakum (tak menyentuhnya) seperti pada z-pinch dan θ-pinch lalu berujung pada model Tokamak.

Z-pinch dan θ-pinch mengacu kepada arah arus listrik penghasil medan magnet induksi; yaitu pada arah z dan θ dalam sistem koordinat silinder sehingga menghasilkan medan magnet induksi pada arah θ dan z. Kedua model  pinch tersebut memiliki kendala pada kestabilan atau kesetimbangan sehingga hanya dapat mempertahankan kondisi plasma dalam orde mikro-sekon.

Gambar  2. Skema medan magnetik pada z-pinch, θ-pinch, dan tokamak (Goedbloed & Poedts, 2004)

Dengan menggabungkan konsep dari kedua pinch tersebut pada geometri torus (berbentuk donat) maka diperoleh medan magnetik helikal pada bejana vakum di dalam suatu reaktor bernama tokamak.

Tokamak (suatu akronim bahasa rusia dari “toroidalnya kamera ve magnetnaya katushka”=”toroidal chamber with magnetic coil) merupakan pengembangan terdepan reaktor fusi berbasis magnetic confinement yang pertama kali diusulkan oleh dua peraih nobel asal Rusia, Andrei Sakharov dan Igor Tamm. Ciri khas dari tokamak terletak pada bagian geometri bejana vakumnya yang berbentuk donat, yaitu tersusun atas dua komponen utama; koil toroidal yang akan menghasilkan medan magnet toroidal (sejalan dengan arah φ) dan koil poloidal yang menghasilkan medan magnet poloidal (sejalan dengan arah θ); sehingga resultan dari medan magnet toroidal dan poloidal akan menghasilkan medan magnet helikal.

Gambar  3. Bejana vakum berbentuk donat pada tokamak (Sumber: digitaltrend)

Di dalam reaktor fusi plasma yang terkungkung magnetik (magnetic confinement), terdapat ion-ion dan elektron-elektron dalam keadaan Kesetimbangan Termodinamik Total (KTT). Plasma dalam kondisi ini disebut plasma panas yang suhunya berada dalam orde 108 K dan mengikuti seluruh fungsi-fungsi distribusi (hukum-hukum Maxwell, Boltzmann, Saha, dan Planck) lalu mempunyai persamaan-persamaan termodinamik yang berbeda dengan gas (karenanya disebut materi fase ke empat).

Bahan bakar gas yang digunakan pada reaktor fusi tokamak adalah deuterium (D) dan tritium (T) yang masing-masing merupakan isotop dari hidrogen. Reaksi dari kedua unsur tersebut memiliki probabilitas reaksi terbesar (dinyatakan dalam nilai tampang lintang total) dibandingkan dengan probabilitas dari reaksi kombinasi hidrogen dan isotop-isotop hidrogen lainnya.

Gambar  4. Reaksi deuterium dan tritium (Goedbloed & Poedts, 2004)

Reaksi dari deuterium dan tritium akan menghasilkan helium (He) dan neutron (n). Helium merupakan partikel alfa yang terpengaruh oleh interaksi medan magnetik di dalam plasma sehingga energinya berfungsi untuk menyokong reaksi fusi secara automatically continue ; sedangkan neutron merupakan partikel netral yang tak terpengaruh oleh interaksi medan magnetik plasma sehingga terlepas dari plasma dan berinteraksi dengan dinding bejana vakum tokamak yang terbuat dari litium (Li) yang menghasilkan reaksi berikut

Gambar  5. Reaksi litium dan neutron (Sumber: atomicarchive)

Pada reaksi di atas dapat dilihat bahwa akan dihasilkan hidrogen-3 (tritium) yang akan digunakan sebagai bahan bakar fusi nuklir, lalu tritium bereaksi kembali dengan deuterium dan akan terjadi skema proses yang sama dengan yang telah dipaparkan sebelumnya secara berkelanjutan. Konsep pembiakan bahan bakar tritium secara berkala disebut dengan tritium breeding.

Lain halnya dengan tritium, deuterium sangat mudah untuk didapatkan dalam sumber daya yang sangat melimpah. Deuterium dapat diperoleh dari air laut yang tiap 1 liter air laut mengandung 1010 J energi fusi deuterium. Pada tokamak, untuk memperoleh plasma pertama dari gas D dan T  dilakukan dengan metode Ohmic Heating. Sedangkan untuk auxiliary heating (pemanasan tambahan), biasa menggunakan metode Neutral-Beam Heating, dan Radio-Frequency Heating.

Gambar 6. Ilustrasi Plasma Heating pada reaktor fusi tokamak (Hillairet, 2018). Pemanasan untuk membentuk plasma pertama menggunakan metode ohmic heating , lalu dilanjutkan dengan auxiliary heating (pemanasan tambahan) sampai tercapai reaksi fusi sehingga dihasilkan self heating oleh partikel alpha (Helium).

Kendala utama dalam menjaga pembentukan plasma pada tokamak, terletak pada kestabilannya. Konsep utama yang mengkaji mengenai kestabilan plasma adalah Magnetohydrodynamics (MHD). Ketika plasma tidak stabil maka plasma akan mengembang dan hilang sehingga reaksi fusi akan terhenti. Plasma duration time (waktu pembentukan plasma) terlama berhasil dilakukan pada Tore Supra Tokamak di Perancis selama 6 menit 30 detik yang sekaligus menunjukan lama waktu kestabilan plasma.

Terdapat syarat utama dari pembentukan reaksi fusi yang dikenal dengan triple product dari kriteria Lawson yaitu niTiτE 3.1021 keV.s/m3, sedangkan nilai triple product tertinggi yang telah berhasil dicapai yaitu sebesar niTiτE 1,53.1021 keV.s/m3 pada tokamak JT-60 di Jepang. Data tersebut menunjukan bahwa reaksi fusi sampai saat ini belum dapat terealisasi.

Berikut pemaparan variabel pada triple product. ni dan Ti berturut-turut merupakan densitas dan temperatur ion dengan nilai yang diharapkan dapat dicapai adalah 1020 m-3 dan 10 keV. Lalu τE merupakan confinement time, yaitu merupakan waktu yang menunjukan perbandingan antara densitas energi dengan densitas laju energi yang hilang. Confinement time yang dibutuhkan untuk memperoleh nilai triple product yang diharapkan hanya ≥ 4 s, tetapi sangat sulit untuk diperoleh. Confinement time merupakan kendala utama dalam mencapai nilai triple product yang sesuai dengan kriteria Lawson.

Selain magnetic confinement, terdapat metode pengungkungan plasma inertial confinement dengan cara menembakan laser bernergi tinggi ke dalam sekumpulan gas sehingga gas tersebut akan terionisasi menjadi plasma lalu seketika mengalami reaksi fusi sebelum sempat menyebar.

Pengembangan reaktor fusi sejauh ini masih dalam tahap pengembangan sampai benar-benar terealisasi pada saatnya. Sebagai solusi mutakhir dari permasalahan energi dan lingkungan, terdapat suatu megaproyek internasional terhadap penelitian dan pembangunan tokamak yang melibatkan 35 negara bernama ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) yang terletak di Perancis Selatan. Proyek ITER merupakan suatu bentuk keseriusan dunia terhadap penanggulangan masalah energi dan lingkungan yang sampai saat ini tak kunjung usai.

Baca juga Proyek ITER untuk Riset Reaktor Fusi Nuklir telah Mencapai Setengah Jalan

Page: 1 2

Achmad Fajar Putranto :Mahasiswa S1 Fisika Universitas Diponegoro. Menekuni bidang Fisika Plasma dan Fusi Nuklir.