Reaksi nuklir

Dalam fisika nuklir, sebuah reaksi nuklir adalah sebuah proses di mana dua nuklei atau partikel nuklir bertubrukan, untuk memproduksi hasil yang berbeda dari produk awal. Pada prinsipnya sebuah reaksi dapat melibatkan lebih dari dua partikel yang bertubrukan, tetapi kejadian tersebut sangat jarang. Bila partikel-partikel tersebut bertabrakan dan berpisah tanpa berubah (kecuali mungkin dalam level energi), proses ini disebut tabrakan dan bukan sebuah reaksi.

Dikenal dua reaksi nuklir, yaitu reaksi fusi nuklir dan reaksi fisi nuklir. Reaksi fusi nuklir adalah reaksi peleburan dua atau lebih inti atom menjadi atom baru dan menghasilkan energi, juga dikenal sebagai reaksi yang bersih. Reaksi fisi nuklir adalah reaksi pembelahan inti atom akibat tubrukan inti atom lainnya, dan menghasilkan energi dan atom baru yang bermassa lebih kecil, serta radiasi elektromagnetik. Reaksi fusi juga menghasilkan radiasi sinar alfa, beta dan gamma yang sagat berbahaya bagi manusia.

Contoh reaksi fusi nuklir adalah reaksi yang terjadi di hampir semua inti bintang di alam semesta. Senjata bom hidrogen juga memanfaatkan prinsip reaksi fusi tak terkendali. Contoh reaksi fisi adalah ledakan senjata nuklir dan pembangkit listrik tenaga nuklir.

Unsur yang sering digunakan dalam reaksi fisi nuklir adalah Plutonium dan Uranium (terutama Plutonium-239, Uranium-235), sedangkan dalam reaksi fusi nuklir adalah Lithium dan Hidrogen (terutama Lithium-6, Deuterium, Tritium).

Representasi

Persamaan reaksi nuklir ditulis serupa seperti persamaan dalam reaksi kimia. Setiap isotop ditulis dalam bentuk: simbol kimianya dan nomor massa. Partikel neutron dan elektron, masing-masing ditulis dalam simbol n dan e. Partikel proton atau protium (sebagai inti atom hidrogen) ditulis dalam simbol p. Partikel deuterium dan tritium, masing-masing ditulis dalam simbol D dan T.

Contohnya:

   Lithium-6 + Deuterium -> Helium-4 + Helium-4
   
       ⁶Li   +   D       ->    ⁴He   +   ⁴He
   
       ⁶Li   +   D       ->  2 ⁴He

isotop helium-4, disebut juga partikel alfa, bisa ditulis dalam simbol α

Jadi, bisa juga ditulis:

       ⁶Li   +   D       ->     α    +    α

atau:

       ⁶Li(D,α)α     (bentuk yang dipadatkan)

Energi

Untuk menghitung energi yang dihasilkan, perubahan massa isotop sebelum dan sesudah reaksi nuklir diperhitungkan. Jumlah massa yang hilang, dikalikan dengan kuadrat kecepatan cahaya; hasilnya sama dengan energi yang dilepaskan dalam reaksi itu.

   (lihat Tabel isotop)
   
   
   massa isotop Lithium-6 : 6,015122795
   massa isotop Deuterium : 2,0141017778
   massa isotop Helium-4  : 4,00260325415
   
    Lithium-6  +   Deuterium  ->   Helium-4     +    Helium-4
   6,015122795 + 2,0141017778 -> 4,00260325415  +  4,00260325415
                   
          8,0292245728        ->          8,0052065083
           
 Massa yang hilang: 8,0292245728 - 8,0052065083 = 0,0240180645 u   (0,3%)
         
                                                                   (dibulatkan)
                
               
         E = mc²
             
               
         E = mc²  =       1u             x      c²
                  = 1,660538782×10⁻²⁷ kg x (299.792.458 m/s)²
                  = 149241782981582746,248171448×10⁻²⁷ Kg m²/s²
                  = 149241782981582746,248171448×10⁻²⁷ J
                  = 931494003,23310656815183435498209 ev
                  = 931,49 Mev       (dibulatkan)
   Jadi, massa 1u = 931,49 Mev
         
         
         
         E = mc²  =       1 Kg           x      c²
                  =       1 kg           x (299.792.458 m/s)²
                  = 89875517873681764 Kg m²/s²
                  = 89875517873681764 J
                  = 89,875 PJ       (dibulatkan)
 Jadi, massa 1 Kg = 89,875 PJ
         
         
         
 Jadi energi yang dapat dihasilkan = 89,875 PJ/kg  =  21,48 Mt TNT/kg
                                   =149,3   pJ/u   = 931,49 MeV/u
                    
                      
         E = 0,0240180645 u    x   931,49 MeV
               
         E = 22,372586901105 MeV  (dengan keakuratan 1%)
         E = 22,4 Mev            (dibulatkan)
   
    
 Jadi, persamaan reaksinya: 
            
     ⁶Li + D ->   ⁴He (11.2 MeV)   +   ⁴He (11.2 MeV)
     
     ⁶Li + D -> 2 ⁴He  +  22,4 MeV
     
     
 massanya hilang sebanyak 0,3 % (dibulatkan dari 0,2991330517938 %)
   
                           0,3 %  x  21,48 Mt TNT/kg  =  64 Kt/kg  (dibulatkan)
 
 
 jadi, Jumlah energi yang bisa dihasilkan (dengan 100 % efisien )
 melalui reaksi fusi nuklir berbahan materi:
      
     Lithium-6 + Deuterium  =  64 Kt/kg  (dibulatkan)

Rata-rata kandungan energi nuklir

Berikut adalah jumlah energi nuklir yang bisa dihasilkan per kg materi:

Fisi nuklir:

   Uranium-233: 17,8 Kt/kg  =  17800 Ton TNT/kg
   Uranium-235: 17,6 Kt/kg  =  17600 Ton TNT/kg
 Plutonium-239: 17,3 Kt/kg  =  17300 Ton TNT/kg

Fusi nuklir:

 Deuterium + Deuterium: 82,2 Kt/kg  =  82200 Ton TNT/kg
 Tritium   + Deuterium: 80,4 Kt/kg  =  80400 Ton TNT/kg
 Lithium-6 + Deuterium: 64,0 Kt/kg  =  64000 Ton TNT/kg

Lihat pula

Referensi

Isotope masses - Ame2003 Atomic Mass Evaluation by G. Audi, A.H. Wapstra, C. Thibault, J. Blachot and O. Bersillon in Nuclear Physics A729 (2003).