Reaktor Fusi: Sumber Energi Solutif terhadap Permasalahan Energi dan Lingkungan

Pada tahun 1859, John Tyndall menemukan bahwa beberapa gas dapat menahan radiasi inframerah. Hasil eksperimen Tyndall menunjukan bahwa molekul uap air (H₂O), ozon (O₃), dan karbondioksida (CO₂), merupakan penyerap radiasi panas terbaik. Selain itu, ketiga molekul tersebut tak dapat terlepas dari atmosfer menuju ruang angkasa sehingga terus terkurung di sekitar bumi.

Lalu pada tahun 1895, Svante Arrhenius mengestimasi peningkatan jumlah CO₂ di atmosfer terhadap peningkatan temperatur permukaan bumi menggunakan Efek Arrhenius. Kemudian melalui data eksperimen yang disajikan dalam suatu kurva yang disebut Keeling Curve, David Keeling menyimpulkan bahwa emisi karbon yang disebabkan manusia memiliki pengaruh yang besar terhadap global warming (pemanasan global).

Walaupun fluktuatif, temperatur anomali (perbedaan antara nilai temperatur permukaan bumi yang diukur pada tahun tertentu dengan nilai temperatur standard yang telah ditentukan) cenderung mengalami peningkatan pada rentang tahun 1880 – 2017 dengan nilai temperatur anomali terbesar sepanjang sejarah terjadi pada tahun 2016 yaitu sebesar 0.99 derajat celcius. Nilai temperatur standard yang digunakan sebagai acuan perubahan temperatur anomali tiap tahunnya yaitu temperatur rata-rata permukaan bumi pada rentang waktu dari tahun 1951-1980.

Gambar 1. Nilai temperatur anomali bumi tahun 1880-2020 cenderung meningkat. (Sumber: climate.nasa.gov)

Munculnya sumber energi baru berbahan bakar fosil, merupakan salah satu penyebab utama lahirnya revolusi industri pada abad ke-18 sampai abad ke-19. Bahan bakar fosil merupakan penyebab utama dalam peningkatan jumlah CO₂ di atmosfer hingga mencapai 33% semenjak revolusi industri. Peningkatan jumlah CO­₂ yang signifikan tersebut memegang peran utama dalam menyebabkan pemanasan global. Semakin banyak CO₂ di udara maka semakin banyak pula radiasi panas yang terserap sehingga temperatur bumi akan semakin tinggi. Pada saat itu, bahan bakar fosil merupakan bahan bakar utama yang digunakan dalam menghasilkan energi dan tetap terus berlanjut sampai sekarang (walaupun sudah banyak pemanfaatan sumber bahan bakar lainnya).

Gambar 2. Bahan bakar fosil yang meliputi natural gas, crude oil, dan coal mendominasi sumber bahan bakar energi selama ini. (sumber: ourworldindata.org)

Efek dari penggunaan bahan bakar fosil berlebih, menyebabkan beberapa masalah serius bagi kehidupan manusia beserta lingkungannya. Di antaranya yaitu temperatur permukaan bumi yang terus meningkat sehingga level air laut juga terus meningkat karena melelehnya lapisan es di Greenland dan antartika; menghasilkan emisi karbondioksida, metana, oksida nitrat, dan lain-lain yang menyebabkan polusi udara serta berbahaya bagi kesehatan manusia, tanaman, tanah, juga mencemarkan air; dan kekeringan yang panjang.

Pada akhir abad ini, permintaan energi akan meningkat tiga kali lipat beserta tekanan akan pertumbuhan penduduk, serta terdapat peningkatan urbanisasi dan perluasan akses listrik di negara-negara berkembang. Bahan bakar fosil yang membentuk peradaban abad 19 dan 20 hanya dapat diandalkan dengan mengorbankan efek gas rumah kaca dan polusi. Maka dari itu, bentuk energi baru yang berskala besar, berkelanjutan, dan bebas karbon sangat dibutuhkan.

Saat ini sudah terdapat banyak sumber energi terbarukan seperti air, angin dan matahari serta sumber energi nuklir yang memanfaatkan reaksi pembelahan inti atom (reaksi fisi) yang bebas dari emisi karbon. Walaupun ramah dari polusi karbon, sumber energi terbarukan tersebut memiliki batasnya masing-masing tergantung dari kondisi alam terkait; sedangkan pembangkit energi dengan memanfaatkan reaksi fisi nuklir (PLTN) memiliki masalah yang tak kunjung usai terhadap limbah radioaktif yang berumur sangat panjang (walaupun pengelolaannya sudah terbilang sangat baik).

Di samping semua itu, saat ini sedang dikembangkan suatu pembangkit energi yang clean, safe, unlimited fuel source dan no long-lived radioactive waste. Pembangkit energi tersebut terinspirasi dari reaksi yang terjadi di matahari yang tak pernah henti untuk memancarkan energinya bagi kelangsungan hidup di bumi; yaitu reaksi fusi nuklir (penggabungan inti atom ringan yang menghasilkan energi). Agar dapat memahami tentang apa itu reaksi fusi nuklir, dapat dibaca pada tautan berikut ini warstek.com/2018/02/08/tokamak.

Walaupun teknologi fusi belum dapat direalisasikan, tetapi tidak lama lagi kita semua akan merasakan kehebatan dan manfaat dari reaksi tersebut. Reaktor fusi, saat ini sedang berada pada tahap eksperimen di beberapa negara di dunia. Pertemuan antara Amerika, Jepang, Rusia, dan negara-negara Eropa menghasilkan suatu kesepakatan untuk membangun reaktor fusi internasional bernama ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) bertempat di Cadarache, Perancis. Dan saat ini terdapat 35 negara yang berkontribusi dalam eksperimen ITER yaitu Uni Eropa, China, Amerika, Rusia, Jepang, China, Korea, dan India.

Gambar 3. Projek ITER. (https://www.usiter.org/images/frontpageMarch2017.jpg)

Secara bersama-sama, anggota ITER mewakili tiga benua, lebih dari 40 bahasa, setengah dari populasi dunia dan 85 persen dari produk domestik bruto global. Di kantor organisasi ITER (Tim Pusat) dan dari tujuh Agen Domestik, di laboratorium dan industri; ribuan orang bekerja untuk kesuksesan ITER.

Fusi memiliki beberapa keuntungan dan kelebihan sebagai berikut:

1. Energi berlimpah
Dengan menggunakan massa bahan bakar yang sama, reaksi fusi akan menghasilkan energi empat juta kali lebih besar dari reaksi kimia seperti pembakaran bahan bakar fosil dan empat kali lebih besar dari reaksi fisi.

2. Keberlanjutan
Bahan bakar fusi yang digunakan adalah deuterium dan tritium. Deuterium dapat diperoleh dengan mudah di laut dengan ketersediaan sampai beberapa juta tahun ke depan sedangkan tritium dapat diproduksi ketika reaksi fusi berlangsung dari reaksi antara neutron dengan dinding lithium (tritium breeding). Lithium dapat diperoleh dengan mengekstrak air laut dengan ketersediaan sampai beberapa juta tahun ke depan.

3. Bersih dari emisi CO₂
Sebuah Pembangkit listrik fusi sebesar 1.000 megawatt akan mengonsumsi sekitar 100 kg deuterium dan 3 ton lithium dari alam dalam setahun dengan menghasilkan 7 miliar kilowatt-hour. Untuk menghasilkan jumlah listrik yang sama, pembangkit listrik tenaga batu bara membutuhkan sekitar 1,5 juta ton batu bara. Penggunaan bahan bakar fosil tersebut menghasilkan polutan, termasuk oksida nitrat dan karbon dioksida. Secara khusus, peningkatan kadar karbondioksida di atmosfer karena pembakaran bahan bakar fosil adalah penyumbang signifikan terhadap pemanasan global. Sedangkan fusi tidak mengemisikan karbondioksida dan gas-gas efek rumah kaca lainnya. Yang banyak diproduksi adalah unsur helium: tidak reaktif dan tidak beracun.

4. Tidak terdapat limbah radioaktif berumur panjang dan resiko perkembangbiakan (proliferation)
Walaupun termasuk bahan radioaktif, waktu paruh tritium-3 hanya 12.32 tahun dan menghasilkan produk helium-3 (bukan unsur radioaktif) beserta radiasi beta (low energy electron) dan elektron anti-neutrino; sedangkan uranium-235 memiliki waktu paruh 703,8 juta tahun dan menghasilkan produk thorium-231 (unsur radioaktif) beserta radiasi sinar alfa. Selain itu, fusion tidak menggunakan bahan fisil atau fisionabel seperti uranium dan plutonium. (Radioaktif tritium bukanlah bahan fisil atau fissionabel.) Lalu tidak ada bahan yang diperkaya dalam reaktor fusi seperti ITER yang dapat dieksploitasi untuk membuat senjata nuklir.

5. Tidak terdapat resiko meltdown
Ketika terdapat ketidakwajaran pada kondisi plasma (plasma tak stabil), maka plasma mendingin, kembali menuju fase gas, dan reaksi fusi berhenti. Tidak akan terjadi meltdown pada reaktor fusi.

6. Biaya
Jika ditinjau dari bahan bakar, hanya terdapat sedikit biaya untuk mengiradiasikan lithium dengan neutron untuk memperoleh tritium sebagai bahan bakar awal dari reaksi fusi. Sisanya diperoleh dari air laut. Dan jika ditinjau dari biaya energi listrik tiap kilowatt yang dibutuhkan untuk memanaskan kondisi gas; diprediksi akan sama dengan reaktor fisi.

Gambar 4. ITER timeline. (https://www.iter.org/proj/inafewlines#5)

Pada gambar di atas dapat dilihat rencana perjalanan ITER secara garis besar sampai reaksi fusi dapat dilakukan pada tahun 2035. Untuk timeline secara detailnya dalam waktu dekat dapat dilihat pada tautan hwww.iter.org/proj/itermilestones#137.

Walaupun sudah terencana sedemikian hingga dan dikepalai oleh negara-negara maju secara IPTEK maupun ekonomi di dunia internasional bahkan IAEA (International Atomic Energy Agency) , tetap terdapat keraguan bagi sebagian pihak akan proyek dengan sains terhebat dan teknologi termutakhir yang pernah ada. Keraguan tersebut timbul karena sulitnya untuk mengontrol plasma dan reaksi fusi yang bahkan dituangkan dalam kalimat berikut “Fusion is the energy source of the future and always will be”. Kesulitan tersebut bukanlah halangan untuk mencapai reaksi fusi yang diharapkan. Hal tersebut dapat dilihat pada perbandingan statistik kemajuan performance dalam mengontrol fusi nuklir yang lebih baik ketimbang kemajuan accelerator bahkan kemajuan komputer terkait dengan resistor yang mengacu kepada hukum Moore yang disajikan pada grafik berikut.

Gambar 5. Perbandingan kemajuan performance fusi, akselerator, dan hukum Moore. (https://static.iter.org/all/newsline_1_120/img/53/moores.jpg._1024.jpg)

Energi masa depan yang ideal untuk planet ini akan didasarkan pada berbagai metode pembangkitan yang bersih dari unsur penyebab efek rumah kaca, bukan hanya ketergantungan besar pada salah satu sumber. Namun, sebagai sumber energi listrik baru bebas karbon, yang tidak menghasilkan limbah radioaktif berumur panjang; fusi dapat memberikan kontribusi positif terhadap tantangan ketersediaan sumber daya, mengurangi emisi karbon, serta isu pembuangan limbah fisi dan keamanan.

Sains dan teknologi tanpa mimpi dan optimisme, hanya akan menjadi sekumpulan coretan tak bermanfaat terlebih pada era sains serta segala kemajuan teknologi bahkan komputasi yang sudah ada saat ini. Marilah kita mendukung segala usaha dan terobosan dalam perealisasian segala konsep ilmiah dalam bidang sains dan teknologi yang dilakukan para ilmuwan, engineer, dan seluruh pihak yang terlibat untuk kebaikan dunia dan umat manusia.

REFERENSI

1. Craig Freudenrich. How Nuclear Fusion Work. Diperoleh 20 Mei 2018, dari https://science.howstuffworks.com/fusion-reactor.htm
2. Fusion for Energy. (2017, 17 Juli). ITER—the energy of the future. Diakses 21 Maret 2021, dari https://www.youtube.com/watch?v=GgQ249dXfwQ
3. Hanna Ritchie dan Max roser. . Energy Production & Changing Energy Sources. Diakses 21 Maret 2021, dari https://ourworldindata.org/energy-production-and-changing-energy-sources
4. Help Save Nature. . Fossil Fuels and Global Warming: How are They Related?. Diakses 21 Maret 2021, dari https://helpsavenature.com/fossil-fuels-global-warming
5. History. . Industrial Revolution. Diakses 21 Maret 2021, dari https://www.history.com/topics/industrial-revolution
6. ITER. Advantages of Fusion. Diakses 21 Maret 2021, dari https://www.iter.org/sci/Fusion
7. ITER. On the Road to ITER: Milestones. Diakses 21 Maret 2021, dari https://www.iter.org/proj/itermilestones#137
8. ITER.  What is ITER ?. Diakses 21 Maret 2021, dari https://www.iter.org/proj/inafewlines#5
9. Nasa Global Climate Change. (2018, 16 Mei). Global Temperature. Diakses 21 Maret 2021, dari https://climate.nasa.gov/vital-signs/global-temperature/
10. National Geographic. (2017, 28 Agustus). Causes and Effects of Climate Change. Diakses 21 Maret 2021, dari https://www.youtube.com/watch?v=G4H1N_yXBiA
11. Steve Graham. (1999, 8 Oktober). John Tyndall (1820-1893). Diakses 21 Maret 2021, dari https://earthobservatory.nasa.gov/Features/Tyndall/
12. Vice on HBO. (2017, 21 Juli). The Future of Energy (VICE on HBO: Season 4, Episode 9). Diakses 21 Maret 2021, dari https://www.youtube.com/watch?v=Zd8O5YE8Uak
13. Wikipedia. (2018, Maret). Charles David Keeling. Diakses 21 Maret 2021, dari https://en.m.wikipedia.org/wiki/Charles_David_Keeling
14. Wikipedia (2018, 30 April). Svante Arrhenius. Diakses 21 Maret 2021, dari https://en.m.wikipedia.org/wiki/Svante_Arrhenius?wprov=sfla1
15. Wikipedia. (2018, 18 Mei). Tritium. Diakses 21 Maret 2021, dari https://en.wikipedia.org/wiki/Tritium
16. Wikipedia. (2018, 26 April). Uranium-235. Diakses 21 Maret 2021, dari https://en.wikipedia.org/wiki/Uranium-235