Orasi Ilmiah Prof Abdul Waris...

35 Pages·2017·1.91 MB·Indonesian

ForumGuruBesar
InstitutTeknologiBandung
Forum Guru Besar
Institut Teknologi Bandung
Orasi Ilmiah Guru Besar
Institut Teknologi Bandung
Profesor Abdul Waris, Ph.D.
PENGELOLAAN BAHAN BAKAR DAN
LIMBAH NUKLIR: MENUJU ZERO RELEASE
NUCLEAR WASTE
24 Maret 2017
Balai Pertemuan Ilmiah ITB
ForumGuruBesar Prof.AbdulWaris,Ph.D. ForumGuruBesar Prof.AbdulWaris,Ph.D.
InstitutTeknologiBandung 24Maret2017 InstitutTeknologiBandung 24Maret2017
Orasi Ilmiah Guru Besar
Institut Teknologi Bandung
24Maret2017
ProfesorAbdulWaris,Ph.D.
PENGELOLAAN BAHAN BAKAR DAN
ZERO RELEASE
LIMBAH NUKLIR: MENUJU
NUCLEAR WASTE
ForumGuruBesar
InstitutTeknologiBandung
ForumGuruBesar Prof.AbdulWaris,Ph.D. ForumGuruBesar Prof.AbdulWaris,Ph.D.
InstitutTeknologiBandung 54 24Maret2017 InstitutTeknologiBandung Hakciptaadapadapenulis 24Maret2017
Judul: PENGELOLAANBAHANBAKARDANLIMBAHNUKLIR: KATAPENGANTAR
MENUJUZERORELEASENUCLEARWASTE
DisampaikanpadasidangterbukaForumGuruBesarITB,
tanggal24Maret2017.
SegalapujidanrasasyukurpenulispanjatkankehadiratAllahSWT
YangMahaPengasihlagiMahaPenyayang,karenaatasberkat Rahmat
dan RidhoNya, penulis dapat menyelesaikan naskah orasi ilmiah ini.
Penghargaan dan rasa hormat serta terima kasih yang sebesar-besarnya
kepada pimpinan dan anggota Forum Guru Besar Institut Teknologi
HakCiptadilindungiundang-undang. Bandungyangtelahmemberikankesempatanuntukmenyampaikanorasi
Dilarangmemperbanyaksebagianatauseluruhisibukuinidalambentukapapun,baiksecara
elektronikmaupunmekanik,termasukmemfotokopi,merekamataudenganmenggunakansistem ilmiah dengan judul Pengelolaan Bahan Bakar dan Limbah Nuklir:
penyimpananlainnya,tanpaizintertulisdariPenulis.
Menuju Zero Release Nuclear Waste, sebagai pertanggungjawaban
akademik Guru Besar pada Sidang Terbuka Forum Guru Besar Institut
UNDANG-UNDANGNOMOR19TAHUN2002TENTANGHAKCIPTA
TeknologiBandung.
1. Barangsiapadengansengajadantanpahakmengumumkanataumemperbanyaksuatu
ciptaanataumemberiizinuntukitu,dipidanadenganpidanapenjarapalinglama7(tujuh)
Naskah orasi ilmiah ini dibagi dalam 5 bagian utama. Pada bagian
tahundan/ataudendapalingbanyakRp5.000.000.000,00(limamiliarrupiah).
2. Barang siapa dengan sengaja menyiarkan, memamerkan, mengedarkan, atau menjual
pertama (Pendahuluan) dijelaskan secara umum tentang reaksi nuklir,
kepadaumumsuatuciptaanataubaranghasilpelanggaranHakCiptaatauHakTerkait
sebagaimanadimaksudpadaayat(1),dipidanadenganpidanapenjarapalinglama5
radiasi nuklir dan peran energi nuklir dalam pembangunan
(lima)tahundan/ataudendapalingbanyakRp500.000.000,00(limaratusjutarupiah).
berkelanjutan.Bagiankeduamenguraikantentangreaktornuklir,bahan
HakCiptaadapadapenulis bakarnuklir,sertapembangkitlistriktenaganuklir(PLTN).Pengelolaan
Datakatalogdalamterbitan
bahanbakardanlimbahnukliruntukmencapaizeroreleasenuclearwaste
diuraikan dalam bagian ketiga. Bagian ke-empat merangkum apa yang
AbdulWaris
PENGELOLAANBAHANBAKARDANLIMBAHNUKLIR: telahdiuraikansebelum,dankemudiandiakhiridenganrencanakegiatan
MENUJUZERORELEASENUCLEARWASTE
DisuntingolehAbdulWaris penelitiandanpengembangankedepanpadabagianke-lima.
Naskahorasiilmiahinitentumasihjauhdarisempurna.Olehsebab
Bandung:ForumGuruBesarITB,2017
itu kritik dan saran sangat diharapkan. Semoga tulisan ini dapat
vi+56h.,17,5x25cm
ISBN 978-602-6624-01-7 memberikan setitik sumbangsih dalam pengembangan industri nuklir
1.FisikaNuklirdanBiofisika1.AbdulWaris
ForumGuruBesar Prof.AbdulWaris,Ph.D. ForumGuruBesar Prof.AbdulWaris,Ph.D.
InstitutTeknologiBandung ii 24Maret2017 InstitutTeknologiBandung iii 24Maret2017
DAFTAR ISI
bagiNKRI,sertamenambahwawasandaninspirasiyangbermanfaatbagi
parapembacayangbudiman..
Hormatsaya, KATAPENGANTAR ................................................................................. iii
DAFTARISI ................................................................................................. v
AbdulWaris 1. PENDAHULUAN ................................................................................ 1
1.1. Reaksinuklirdanenerginuklir .................................................. 1
1.2. Efekhormesisdariradiasinuklir................................................ 4
1.3. Energinuklirdanpembangunanberkelanjutan....................... 5
2. PEMBANGKITLISTRIKTENAGANUKLIR................................... 6
2.1. Reaktornuklir ................................................................................ 6
2.2. Bahanbakarnuklir ........................................................................ 8
2.3. MasalahdenganPLTN ................................................................. 13
3. PENGELOLAANBAHANBAKARDANLIMBAHNUKLIR ...... 16
3.1. Metodepengelolaanlimbahnuklir............................................. 16
3.2. Reprocessing&Recycling ............................................................ 19
3.3. MenujuZeroReleaseNuclearWaste ............................................. 21
3.3.1. NuclearEquilibriumState ................................................. 21
3.3.2. Daurulanglimbahnuklirpadabeberapajenisreaktor
nuklir..................................................................................... 26
3.3.3. PerpustakaandataNukliruntukdaurulanglimbah
nuklir .................................................................................... 28
3.3.4. SkenarioSUPEL .................................................................. 31
3.3.5. ThoriumdanMSR .............................................................. 33
ForumGuruBesar Prof.AbdulWaris,Ph.D. ForumGuruBesar Prof.AbdulWaris,Ph.D.
InstitutTeknologiBandung iv 24Maret2017 InstitutTeknologiBandung v 24Maret2017
4. PENUTUP .............................................................................................. 35 PENGELOLAANBAHANBAKARDANLIMBAHNUKLIR:
5. RENCANAKEDEPAN........................................................................ 36 MENUJUZERORELEASENUCLEARWASTE
UCAPANTERIMAKASIH ....................................................................... 36
DAFTARPUSTAKA................................................................................... 39
1. PENDAHULUAN
CURRICULUMVITAE .............................................................................. 45
Ketikamendengarkata“nuklir”,mungkinyanglangsungterbayang
dalam benak sebagian orang adalah bom atom yang dijatuhkan di
HiroshimadanNagasaki,JepanguntukmengakhiriPerangDuniaII.Atau
kecelakaannuklirdiChernobyl,Ukraina,UniSovyetpada26April1986
dan kecelakaan nuklir di Fukushima, Jepang yang dipicu oleh tsunami
setinggi10meterdisepanjangpantaitimurlautJepangdenganpuncak
tertinggimencapai40,5mdiMiyako,Iwatepada11Maret2011[1,2].
1.1.ReaksiNuklirdanEnergiNuklir
Penelitian tentang reaksi nuklir berawal dari penemuan radiasi alfa
((cid:2))danpartikelbeta((cid:3))olehHenriBecquerelpadatahun1896.Penemuan
tersebutdiberinama“radioaktivitas”olehPierreCuriedanMarieCurie
padatahunyangsama.Dikemudianhariistilahradiasidiubahmenjadi
partikel,karenadiamatimemangpartikeladanpartikel(cid:3)[3].
Reaksi nuklir ada peristiwa perubahan inti atom secara spontan
(peristiwapeluruhanintiatom)ataukarenagangguan(induksi)dariluar
(sepertireaksifisinukliryangdiinduksiolehnetrondariluarinti).Sebagai
catatan reaksi fisi dapat juga terjadi secara spontan (spontaneous fission).
Jadi reaksi nuklir adalah reaksi yang terjadi dalam inti atom. Sebagai
perbandingan, reaksi kimia hanya melibatkan electron dalam atom.
ForumGuruBesar Prof.AbdulWaris,Ph.D. ForumGuruBesar Prof.AbdulWaris,Ph.D.
InstitutTeknologiBandung vi 24Maret2017 InstitutTeknologiBandung 1 24Maret2017
Reaksi nuklir menghasilkan perubahan unsur/elemen, sementara reaksi
kimiatidakmengubahunsur[4].Unsuryangdapatmengalamipeluruhan
disebutunsur/bahanradioaktif.
Untukmenyamakanpersepsi,berikutdijelaskanbeberapatambahan
istilah.
Istilah Makna Keterangan
Unsur/elemen Materialyangterdiridariatom -atom Contoh:Hidrogen(H),
Isotop Variandarielemenyangmemiliki Setiapisotopdari
jumlahnetronyangberbeda. suatuelemen
mempunyaijumlah
protonyangsama
dalamsetiapatomnya.
Nuklida Intiatom(intiisotop) Reaksinukliradalah
Logamberat(HM, Isotop-isotop dari unsur yang Dapat mengalamireaksi
Gambar1:Reaksipeluruhanintiatom
Produk akhir Isotop-isotopyangmerupakananggota Tidakdapat mengalami
Contohreaksifisinukliryangdiinduksiolehnetronditunjukkanpada
ProdukFisi(FP, Isotop-isotop yangbukanmerupakan Tidakdapat mengalami
persamaan reaksi dan Gambar 2 berikut [6]. Dua isotop baru yang
141Ba 92Kr
56 36
BeberapacontohreaksipeluruhanintiatomdiberikandalamGambar 1n 235U 236U* 141Ba 92Kr 31n Energi
0 92 92 56 36 0
1berikut[5].
ForumGuruBesar Prof.AbdulWaris,Ph.D. ForumGuruBesar Prof.AbdulWaris,Ph.D.
InstitutTeknologiBandung 2 24Maret2017 InstitutTeknologiBandung 3 24Maret2017
SebagaicontohbatuanradioaktifdiwilayahKerala,Indiamemancarkan
radiasi10kalilebihtinggidarirata-rataradiasialamdiAmerika.Tetapi
dilaporkan bahwa penduduk di wilayah tersebut memiliki tingkat
kesehatanyangterbaikdibandingkanseluruhwilayahIndiayanglain[6].
1.3.EnergiNuklirdanPembangunanBerkelanjutan
Gambar2:Contohreaksifisinuklir Konseppembangunanberkelanjutandatangdenganisu“trilemma”,
yaitu pertumbuhan ekonomi berkelanjutan, suplai energy dan sumber
Besarnyaenergiyangdihasilkandarireaksifisinuklir(pembelahan daya, serta pelestarian lingkungan. Kita harus mencari sumber energi
inti atom) adalah 200 MeV (2x108 eV). Sebagai pembanding besarnya yang dapat menyuplai energi secara masif tanpa mengganggu
energiyangdihasilkandarireaksiantara1atomkarbondengan2atom lingkungan.
oksigen(pembakaranminyakbumidanbatubara)adalah3-4eV.
Sebagai sumber energi yang bebas emisi gas rumah kaca (smoke free
energy source), energi nuklir dapat menyuplai energi untuk manusia
1.2.EfekHormesisdariRadiasiNuklir
hinggajutaantahundenganmemanfaatkanuraniumdariairlaut[8]dan
Radiasi nuklir di Bumi sudah ada sejak Bumi diciptakan sekitar 4,6
thorium.Cadanganuraniumdalamairlautadalah3kaliuraniumdikerak
milyartahunyanglalu.Sesungguhnyakitahidupditengah-tengahradiasi
Bumi, sedangkan cadangan thorium adalah 3 kali cadangan uranium
alamiah pada level tertentu yang berasal dari radiasi kosmik dari luar
dalam kerak Bumi. Sebagai ilustrasi, Tabel 1 berikut memberikan
Bumi(luarangkasa)danmaterialradioaktifdaribumi.
gambaranbetapamasifnyaenerginuklir[9].
Tubuh kita mempunyai mekanisme untuk memperbaiki kerusakan
yang timbul karena paparan radiasi nuklir dalam batas nilai tertentu.
Batasan dosis radiasi yang dapat diterima bergantung pada sumber
radiasi.
Menurut penelitian (ada > 1000 studi), pada tingkat radiasi nuklir
tertentu,sedikitdiatasradiasialamial,radiasinuklirjustrumemberikan
manfaat bagi tubuh manusia. Hal ini dikenal sebagai hormesis effect [6].
ForumGuruBesar Prof.AbdulWaris,Ph.D. ForumGuruBesar Prof.AbdulWaris,Ph.D.
InstitutTeknologiBandung 4 24Maret2017 InstitutTeknologiBandung 5 24Maret2017
2. PEMBANGKITLISTRIKTENAGANUKLIR Reaktorrisetdikenaljugasebagaireactortidakberdaya(zeropowerreactor),
karena memiliki daya keluarnya yang kecil, sekitar ratusan kWth - 30
2.1.ReaktorNuklir
MWth.Reaktorpembiakdigunakanmenghasilkanmaterialbahanbakar
Agarenergynuklirdapatdimanfaatkandenganbaik,makareaksifisi
baru atau material untuk bom nuklir. Reaktor daya merupakan sumber
nuklirharusberlangsungsecarakontinyu(reaksifisiberantai). Reaktor
energi bagi pembangkit listrik tenaga nuklir (PLTN). Daya keluaran
nuklir adalah suatu peralatan dimana reaksi fisi berantai terkendali.
sebuah PLTN bervariasi mulai dari beberapa puluh MWe hingga 1650
Lawan dari reaktor nuklir adalah bom atom (bom nuklir) yaitu suatu
MWe(4500MWth).
devais dimana reaksi fisi berantai tidak terkendali. Pada Gambar 3
Ada beberapa tipe reaktor daya nuklir yang sedang beroperasi di
diberikancontohreaksifisiberantai[10].
seluruh dunia saat ini, yaitu: reaktor air bertekanan (pressurized water
reactor(PWR)), reaktorairmendidih(boilingwaterreactor(BWR)),reaktor
airberatbertekanan(pressurizedheavy,waterreactor(PHWR)),VVER(Vodo-
VodyanoiEnergeticheskyReaktor;WWER=Water-WaterPowerReactor),PWR
yangdibuatolehRusia,reactorgassuhutinggi(hightemperaturegascooled
reactor(HTGR)),MagnoxGCR(gascooledreactor),AGR(advancedgascooled
reactor),LMFBR(liquidmetalfastbreederreactor),dll.
Tampak3-DdarisebuahPLTNdenganreaktorPWRdiberikanpada
Gambar 4 [11]. Sedangkan diagram skematik dari prinsip kerja PLTN
Gambar3:Contohreaksifisiberantai
denganreaktorPWRdapatdilihatpadaGambar5berikut[12].DariGambar
5terlihatdenganjelasbahwaPLTNsamapersisdenganpembangkitlistrik
Dengan demikian dalam sebuah reaktor nuklir dapat diproduksi
tenaga diesel atau batubara, kecuali sumber panas berasal dari reaktor
banyaksekaliunsurdengansejumlahisotopyangdimilikimasing-masing
nuklir.
unsur tersebut sehingga ada lebih dari 1300 isotop (nuklida) yang
mungkindihasilkandalamreaktornuklir.
Reaktor nuklir dapat dikelompokkan menjadi reaktor riset (research
reactor),reaktorpembiak(breederreactor),danreaktordaya(powerreactor).
ForumGuruBesar Prof.AbdulWaris,Ph.D. ForumGuruBesar Prof.AbdulWaris,Ph.D.
InstitutTeknologiBandung 6 24Maret2017 InstitutTeknologiBandung 7 24Maret2017
Dari ketiga isotop uranium ini, hanya 235U yang dapat mengalami
reaksi fisi yang diinduksi oleh netron termal. Isotop seperti 235U disebut
materialfisi(fissilematerial).
Proses yang dialami bahan bakar nuklir (uranium) mulai dari
Gambar4:Ilustrasi3DdariPLTNdenganreaktorPWR penambangan sampai dikeluarkan kembali dari reaktor untuk proses
lebihlanjutmerupakanrangkaianprosesyangsangatpanjang.Rangkaian
proses ini dikenal sebagai siklus bahan bakar nuklir (nuclear fuel cycle).
SiklusbahanbakarnuklirsecaraskematikdiberikandalamGambar6[14].
Natural
Uranium
&Thorium
Gambar5:DiagramskematikPLTNtipePWR
Gambar6:Gambar6Siklusbahanbakarnuklir
2.2.BahanBakarNuklir
Siklus bahan bakar nuklir (BBN) mencakup proses penambangan,
Bahanbakarreaktornuklirsaatiniadalahuranium.Uraniumsecara penggilingan,konversi,pengayaan,fabrikasibahanbakar,pengisiandan
alamiahmemiliki3isotopsepertiyangdiberikanpadaTabel2berikut[13]. penggunaan bahan bakar dalam reaktor, pengambilan bahan bakar sisa
ForumGuruBesar Prof.AbdulWaris,Ph.D. ForumGuruBesar Prof.AbdulWaris,Ph.D.
InstitutTeknologiBandung 8 24Maret2017 InstitutTeknologiBandung 9 24Maret2017
(spent fuel) dari reaktor, penyimpanan sementara (spent fuel storage), (cid:2) Penambangan untuk menghasilkan uranium alam berbentuk padat
pemrosesan ulang (reprocessing), daur ulang dan pembuangan limbah yangdisebut“yellowcake”,dansiapdijualsebagaiU3O8
nuklir.Rangkaianprosesdaripenambanganuraniumsampaipengisian (cid:2) KonversipertamadariU3O8keUF6(gas)sehinggadapatdiperkaya
BBN ke dalam reaktor disebut front-end fuel cycle. Sains dan teknologi
(cid:2) Pengayaan:meningkatkankonsentrasiisotopeyangdapatberfisi235U
terkait siklus ini dipandang sudah sangat mapan. Back-end fuel cycle
(0.71%dalamuraniumalammenjadi3-5%)sehinggadapatdigunakan
mencakup seluruh proses setelah bahan bakar sisa dikeluarkan dari
secaraefisiendalamsebagianbesarPLTN
reaktor.Siklusyangterakhirinimerupakantantangantersendiribagipara
nuclearscientists&engineers. (cid:2) KonversikeduadariUF6menjadiUO2.Agardapatdigunakansebagai
Dalam siklus bahan bakar nuklir terdapat proses/tahap yang bahan bakar nuklir, UF6 yang sudah diperkaya dalam fase gas
memungkinkanuntukpengalihanfungsiuraniumsebagaiBBNmenjadi dikonversi bubuk uranium dioksida (UO2), kemudian dicetak dan
dipadatkan menjadi bahan keramik berbentuk silinder dengan
bahan senjata nuklir, yaitu pada tahap pengayaan uranium dan
diameter1-cmdantinggi1-cm,yangdikenalsebagaifuelpellet
pemrosesanulanglimbahnuklir.Olehkarenaituselain5negaraanggota
tetapDewanKeamananPBB,hanyaJepangyangdizinkanuntukmemiliki (cid:2) Fabrikasi elemen/batang bahan bakar (fuel rod) dan asembli bahan
instalasipengayaanuraniumdaninstalasipemrosesanulangsisabahan bakar(fuelassembly).
bakarnuklir.
Uraniumpertamakalidigunakansebagaibahanbakarreaktornuklir
dalam bentuk logam. Logam uranium sangat reaktif (mudah bereaksi
Yellowcake
dengan elemen non-metalik dan membentuk senyawa intermetalik),
memiliki titik lebur yang rendah (< 1200°C), serta mudah mengalami
perubahandimensiakibatiradiasisehinggaselanjutnyatidakdigunakan
lagi sebagai bahan bakar reaktor. Bahan bakar uranium dalam bentuk
Fuelpellet
keramikdengansenyawaUO merupakanyangpalingbaiksaatini.Sifat
2
fisikadariUO diberikanpadaTabel3[13].
2
Tahapan penyiapan uranium sehingga siap menjadi bahan bakar
nukliradalahsebagaiberikut[13-15].
ForumGuruBesar Prof.AbdulWaris,Ph.D. ForumGuruBesar Prof.AbdulWaris,Ph.D.
InstitutTeknologiBandung 10 24Maret2017 InstitutTeknologiBandung 11 24Maret2017