Nuklir

Jika saya mengucapkan kata "Nuklir" pada orang awam, mungkin dibenaknya saya sedang membicarakan kata yang sepada maknanya yaitu “Kematian”. Tragedi Hiroshima dan Nagasaki 60 tahun silam telah cukup meninggalkan “cacat bawaan” terhadap nuklir sebagai teknologi yang harus ditolak dan menutup mata bahwa sekarang ini, teknologi nuklir telah banyak didayagunakan untuk meningkatkan kesejahteraan masyarakat.

Indonesia sendiri telah lama mengembangkan teknologi nuklir dan memiliki tiga reaktor nuklir yaitu Reaktor G. A Siwabessy di Serpong, Reaktor Triga 2000 di Bandung dan Reaktor Kartini di Yogyakarta. Ketiga reaktor ini termasuk dalam jenis reaktor riset yang tujuannya pun untuk berbagai penelitian dibidang nuklir dan menghasilkan berbagai macam teknologi yang penggunaanya non energi, misalnya untuk bidang pertanian, biologi, peternakan, industri, kedokteran, dan bidang-bidang non energi lainnya.

Nuklir, Inti Atom Tanpa Kulit
Untuk mengenal lebih jauh tentang nuklir, kita harus mengetahui lebih dahulu apa itu atom. Atom merupakan bagian terkecil dari suatu molekul, sedangkan molekul adalah bagian terkecil dari benda yang masih memiliki sifat-sifat fisik dan kimia. Atom dan molekul sendiri memiliki sifat yang berbeda. Dalam modelnya, atom digambarkan sebagai sebuah bola kecil yang terdiri dari inti atom bermuatan positif dan kulit atom bermuatan negatif. Elektron dikulit terluar atom tidak memiliki massa (massa=0) sedangkan proton dan neutron masing-masing memiliki massa 1 sma (1,7x 10-27 Kg). Sehingga dapat dikatakan bahwa massa atom terpusat didalam inti yang meliputi 99,975% total massa atom.

Didalam ilmu fisika, inti inilah yang disebut nuklir. Jadi nuklir merupakan bagian terkecil dari atom dimana massa atom terkumpul. Nuklir tidak mempunyai struktur yang khas dan hanya merupakan inti yang terkandung dalam atom sebagaimana nukleus yang terdapat dalam inti sel dalam ilmu biologi. Sehingga bila berbicara tentang nuklir, sebenarnya kita sedang berbicara tentang inti atom yang “telanjang” tanpa kulit yang mengelilinginya.

Reaksi Nuklir
Bahan bakar yang digunakan untuk melakukan reaksi nuklir adalah Uranium dan tidak dapat menggunakan sembarang unsur. Umumnya Uranium yang digunakan adalah Uranium-235 (92U235) yang merupakan isotop dari Uranium-238 (92U238). Ada dua macam reaksi pada nuklir yaitu reaksi fisi (pembelahan inti) dan reaksi fusi (penggabungan inti). Pada reaksi fisi, inti atom akan pecah menjadi inti-inti yang lebih kecil. Secara eksperimen hal ini dapat dijelaskan melalui penembakan unsur U235 dengan partikel neutron termik (partikel neutron yang bergerak sangat lambat). Saat partikel neutron ini menembus inti Uranium maka inti tersebut akan tereksistasi dan menjadi tidak stabil dan akan kehilangan bentuk asalnya. Inti akan membelah menjadi unsur-unsur yang lebih kecil dengan melepaskan energi dalam bentuk panas, sekaligus melepas 2-3 neutron. Saat inti mengalami perubahan bentuk, inti memancarkan radiasi-radiasi alfa, beta, dan gamma.

Reaksi lain yang terjadi pada nuklir adalah reaksi fusi. Pada reaksi jenis ini inti-inti atom bergabung membentuk inti atom yang lebih besar. Reaksi ini biasanya terjadi pada matahari atau bintang-bintang dan ledakan bom hidrogen. Reaksi fusi ini digolongkan dalam reaksi endotermik (bereaksi dengan memerlukan energi), sedangkan reaksi fisi termasuk reaksi eksotermik yaitu bereaksi dengan melepas energi. Energi yang dihasilkan dari reaksi fisi sangatlah luar biasa besar. Sebagai ilustrasi: dalam 1 gram U235 terdapat 25,6x1020 atom U235. Atom ini bereaksi dengan melepaskan energi sebesar 200 MeV, sehingga 1 gram U235 dapat melepas energi sebesar 51,2x 1022 MeV atau sebesar 81,92x109 Jolue. Energi ini biasanya dimanfaatkan sebagai pembangkit listrik (PLTN), pengerak kapal selam atau kapal induk sehingga bisa bertahan di lautan bertahun-tahun tanpa perlu suplai energi dari luar.

Proteksi Radiasi Nuklir
Karena reaksi nuklir merupakan reaksi yang sangat berbahaya, maka reaksi nuklir harus dilakukan didalam suatu reaktor nuklir. Hal ini dilakukan untuk memproteksi masyarakat, peneliti nuklir, dan lingkungan dari radiasi nuklir yang berbahaya. Untuk itu, reaktor nuklir dilengkapi dengan sistem keselamatan terpasang dan ditambah dengan lapisan-lapisan pelindung/proteksi lainnya.

Sistem keselamatan terpasang berupa air pendingin yang bekerja untuk mendinginkan reaktor. Bila suhu dalam teras reaktor naik melebihi suhu operasi normal, maka suhu air akan naik pula dan air akan menjadi uap sehingga air tersebut tidak dapat lagi memperlambat gerakan neutron cepat hasil fisi. Karena neutron dalam keadaan cepat maka neutron ini tidak dapat lagi digunakan untuk reaksi nuklir selanjutnya. Selain itu, reaktor juga dilengkapi dengan tujuh lapisan pengaman yaitu penghalang pertama adalah matrik bahan bakar yang berbentuk padat. Ini dimaksudkan agar semua limbah radioaktif tetap terikat pada bahan bakar. Penghalang kedua adalah kelongsong bahan bakar yang dirancang tahan terhadap korosi pada temperatur tinggi dan dibuat dari campuran khusus (zircaloy).

Penghalang ketiga adalah sistem pendingin yang akan melarutkan bahan radioaktif apabila terlepas dari kelongsong. Penghalang keempat adalah perisai beton yang berbentuk kolam sebagai wadah atau penampung air. Penghalang kelima dan keenam adalah sistem pengukung reaktor secara keseluruhan yang terbuat dari pelat baja dan beton setebal dua meter dan kedap udara dan penghalang terakhir adalah jarak, karena umumnya reaktor nuklir dibangun didaerah yang cukup jauh dari pemukiman penduduk.

Pengolahan Limbah Radioaktif
Sebagaimana proses industri, pengolahan nuklir untuk tujuan penelitian juga menghasilkan limbah yang dinamakan limbah radioaktif. Limbah ini hampir 99% berasal dari bahan bakar bekas yang radioaktifitasnya masih tinggi, sedangkan 1% berasal dari baju pelindung, kain pembersih, peralatan laboratorium, dan sarung tangan yang digunakan oleh para pekerja reaktor. Untuk proses pengolahan limbah nuklir di Indonesia, dilakukan di Instalasi Pengolahan Limbah Radioaktif (IPLR) di PPTN Serpong.

Tahapan pengolahan limbah radioaktif ini dimulai dari pengangkutan limbah dari instalasi penimbun limbah ke IPLR dengan mobil pengangkut khusus. Untuk limbah padat dimasukkan kedalam drum yang dilengkapi dengan label informasi limbah, sedangkan limbah cair dimasukkan dalam tangki penampung. Pengolahan limbah cair dilakukan dengan cara evaporasi untuk mereduksi volume limbah. Konsentrat hasil evaporasi selanjutnya dikungkung dalam shell beton 950 dengan campuran semen. Sedangkan untuk limbah radioaktif cair korosif yang mengandung flour, dilakukan secara kimia pada fasilitas chemical treatmen.

Untuk limbah cair organik dan limbah padat terbakar, direduksi volumenya dengan cara insenerasi dengan kapasitas pembakaran 50 kg/jam beserta peralatan sementasi abu dalam drum 100L. Untuk limbah padat termampatkan proses reduksi volume dilakukan dengan cara kompaksi dengan kekuatan 600 kN. Sedangkan untuk limbah padat tak terbakar dan tak termampatkan, pengolahannya dilakukan secara langsung dengan cara sementasi dalam shell beton 350L/200L. Selanjutnya limbah dengan berbagai aktivitas (aktivitas tinggi, menengah, dan rendah) disimpan di fasilitas penyimpanan limbah sementara, yang kedap air berdasarkan kelompok aktivitasnya masing-masing. Waktu penyimpanan sementara berkisar antara 10-50 tahun dan selama itu, aktivitas zat radioaktif selalu dipantau, hingga waktu paruhnya benar-benar telah habis dan aman bagi lingkungan.

Pemanfaatan Nuklir
Seperti telah disinggung di awal, bahwa teknologi nuklir dewasa ini telah didayagunakan untuk meningkatkan kesejahteraan manusia. Terlepas dari pemanfaatannya sebagai senjata perang, tenaga nuklir khususnya zat radioaktif telah dipergunakan secara luas dalam berbagai bidang. Bidang-bidang itu antara lain bidang energi, kedokteran, pertanian, industri, peternakan, dan lain sebagainya.

Dibidang energi, tenaga nuklir telah dimanfaatkan secara besar-besaran untuk Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir (PLTN). Bidang kedokteran telah mengambil manfaat dari tehnik nuklir seperti pemeriksaan medik dengan menggunakan pesawat gamma kamera, renograf-prototipe yang berguna untuk diagnosis fungsi ginjal, pesawat sinar X-prototipe yang berguna sebagai diagnosis anatomi organ tubuh, Thyroid uptake-prototipe untuk uji tangkap gondok, dan brachterapi yang digunakan sebagai terapi kanker rahim, pemeriksaan jantung koroner, dan mendeteksi pendarahan pada saluran pencernaan. Dibidang pertanian, tehnik nuklir dimanfaatkan untuk mendapatkan varitas tanaman yang unggul seperti varitas padi dan kedelai melalui tehnik irradiasi.

Dibidang industri, Distributed Control System (DCS) dan Nucleonic Control System (NCS) telah dipergunakan untuk mendeteksi berbagai kesalahan atau kelainan pada sistem kerja alat industri. DSC dan NSC akan secara otomatis melakukan pengendalian jika terdapat ada kelainan dalam operasi terutama dalam sistem produksi. Dibidang peternakan, tehnik nuklir telah dimanfaatkan untuk memproduksi vaksin untuk anak ayam, penggemukan hewan ternak, peningkatan daya tahan ternak terhadap penyakit, dan lain sebagainya.

Mengambil Gambar Otak

Beberapa isotop yang miskin netron, seperti 11C and 18F, masa hidupnya sangatlah singkat (kira-kira 20 dan 103 menit masing-masingnya) dan luruh dengan berubahnya proton menjadi netron. Dalam prosesnya dihasilkan positron (elektron yang bermuatan positif). Positron adalah sebuah bentuk dari antimatter. Ketika sebuah positron bertemu sebuah elektron, keduanya akan lenyap dan menghasilkan foton sinar gamma yang terpancar dari titik pertemuan mereka ke arah yang berlawanan.


Jika percobaan ini dilakukan pada jaringan biologis, peristiwa lenyapnya kedua partikel ini terjadi sangat dekat dengan titik pancaran positron. Titik lenyap, dan oleh sebab itu lokasi dari sumber positron, dapat dengan tepat diketahui berkat adanya sinar gamma dalam percobaan tersebut. Percobaan semacam ini disebut tomografi pancaran positron (positron emmision tomography) atau disingkat PET. Karena masa hidup radioisotop sangat singkat dan digunakan pada tingkat yang sangat rendah, mereka tidak terlalu berpengaruh pada subjeknya.

Bayangkan sebuah obat, yang diketahui mempunyai efek pada fungsi otak, secara kimia "dipasangi" salah satu isotop pemancar positron dan disuntikkan ke pasien; letak yang tepat dari obat ini di dalam otak dapat diketahui dengan sebuah percobaan PET. Sejumlah obat-obatan sudah dipersiapkan dan digunakan di dalam percobaan-percobaan PET untuk mempelajari biokimia otak. Contohnya, letak dari 11C-kokain diketahui dari beberapa keadaan pemberian dosis.


Teknik PET digunakan sebagai sebuah upaya untuk memahami tentang kecanduan merokok (enzim monoamine oxidase-B, MAO-B). MAO-B terlibat di dalam pemecahan dopamine, yang selanjutnya berpengaruh pada sifat keteguhan dan motivasi seseorang. Mereka menemukan bahwa otak dari para perokok memperlihatkan penurunan jumlah enzim dopamine sebanyak 40%.

Perpaduan dan pemurnian senyawa-senyawa menggunakan radioisotop yang waktu paruhnya singkat merupakan sebuah seni tersendiri, yang menuntut pengaturan yang berhati-hati dan latihan dengan senyawa-senyawa tak bernama. Jika perpaduan tidak dilaksanakan dengan cukup cepat, radioisotop-nya, dan dengan demikian kemampuan penggambaran oleh PET, hilang. Radioisotop dan senyawa bernama yang akan digunakan sebaiknya dipersiapkan segera sebelum percobaan PET dan digunakan pada saat itu juga.

Sebuah pendahuluan tentang PET dan sebuah tinjauan dari beberapa hasil terakhir dimuat di dalam Chemical and Engineering News. Artikel tersebut memperlihatkan beberapa gambar otak yang diambil dengan PET.

Penentuan Umur dengan C-14

Kimia analitis memegang peranan penting dalam banyak disiplin ilmu. Hal ini antara lain karena kimia analitis mampu memberikan informasi yang krusial kepada para geolog, fisikawan atmosfer, ataupun arkeolog. Agar dapat benar-benar berguna, tentu saja informasi analitis ini harus akurat, dan dalam pengukuran apapun, baik pengukuran pH suatu larutan maupun pengukuran umur arang hasil pembakaran kayu bakar dari zaman manusia purba, kunci untuk memperoleh akurasi adalah kalibrasi. Dalam buku-buku teks kimia, penentuan umur dengan menggunakan radiokarbon bergantung pada pembentukan karbon-14 di bagian atas atmosfer menurut reaksi berikut ini:

Menurut persamaan reaksi ini, terjadi konversi nitrogen biasa menjadi karbon-14 yang bersifat radioaktif oleh neutron berenergi tinggi (yang dihasilkan oleh radiasi kosmis). Karbon-14 memiliki waktu-paruh 5.730 tahun, atau, dengan kata lain, 1,0 gram karbon-14 akan berdekomposisi menjadi tepat 0,5 gram dalam 5.730 tahun. Karbon-14 meluruh dengan membebaskan partikel beta menurut persamaan berikut.

Atom-atom karbon tunggal yang dihasilkan di atmosfer bagian atas ini bersifat sangat reaktif dan segera bergabung dengan oksigen untuk membentuk karbon dioksida yang digunakan oleh tumbuh-tumbuhan. Tumbuhan selanjutnya dimakan oleh hewan, sehingga masuklah karbon-14 ke dalam rantai makanan. Penentuan umur dilakukan dengan mengasumsikan bahwa persentase karbon-14 di atmosfer adalah konstan dan bahwa radiokarbon dalam semua organisme hidup berada dalam kesetimbangan dengan atmosfer. Jika asumsi-asumsi ini tepat, persentase karbon-14 dalam organisme hidup akan sama dengan persentase karbon-14 di atmosfer. Ketika tumbuhan dan hewan mati, kesetimbangan dengan atmosfer juga berhenti, dan karbon-14 dalam tubuh organisme mulai meluruh. Jumlah karbon-14 yang tersisa dapat digunakan untuk memperkirakan umur dari tumbuhan dan hewan yang telah mati tersebut. Yang diperlukan untuk perkiraan umur tersebut hanyalah pengukuran rasio dan ini dapat dilakukan dengan mudah menggunakan spektrometri massa. Diagram skematik dari sebuah spektrometer massa sederhana dapatldilihat pada gambar berikut ini :



Permasalahan dari metode ini adalah proporsi karbon-14 dalam keseluruhan karbon dioksida di atmosfer tidaklah konstan tetapi bervariasi sedikit dari waktu ke waktu karena tidak konstannya produksi radiokarbon di atmosfer dari tahun ke tahun. Laju produksi radiokarbon ini dipengaruhi oleh perubahan ventilasi lautan (misalnya, permukaan laut yang lebih hangat melepaskan lebih banyak karbon dioksida yang terlarut di dalamnya), atau oleh variasi geomagnetik (neutron memiliki momen magnetik dan akan dipengaruhi oleh perubahan siklis medan magnetik bumi). Faktor lain, seperti adanya supernova (ledakan bintang di akhir usianya), dapat menyebabkan perubahan fluks sinar kosmis (radiasi gamma). Sinar kosmis, ketika berinteraksi dengan atom-atom di bagian atas atmosfer, menghasilkan neutron dan proton, dan neutron yang dihasilkan kemudian dapat bereaksi dengan nitrogen untuk membentuk karbon-14. Adanya variasi level karbon-14 di atmosfer berarti bahwa kalibrasi diperlukan dalam hal penentuan umur. Kalibrasi ini dilakukan dengan memanfaatkan objek lain yang telah diketahui umurnya, sehingga dapat dilakukan koreksi terhadap rasio hasil pengukuran pada objek yang akan ditentukan umurnya. Dengan demikian, pengaruh berubah-ubahnya laju produksi karbon-14 dapat dihilangkan. Cara elegan untuk melakukan kalibrasi ini adalah dengan membandingkan umur yang ditentukan oleh hasil pengukuran karbon-14 dengan usia pepohonan. Usia pepohonan ditentukan dengan menghitung cincin pertumbuhan tahunan pada pohon-pohon yang berusia sangat tua, seperti sequoia dan jenis pinus tertentu (beberapa jenis pinus jerman berusia 10.000 tahun). Penentuan umur dengan radiokarbon memberikan hasil yang akurat selama objek yang akan ditentukan umurnya masih berada dalam kisaran 10.000 tahun yang telah dikalibrasi. Pada dasarnya, dimungkinkan untuk menentukan umur objek sampai dengan 50.000 tahun, tetapi dalam prakteknya, untuk umur yang lebih tua daripada 10.000 tahun, tidak ada metode kalibrasi yang dapat digunakan, sampai baru-baru ini setelah ditemukannya suatu metode baru. Sebelum itu, kesalahan (error) dalam menentukan umur diperkirakan bisa mencapai ± 3000 tahun.

Metode kalibrasi terbaru tersebut dilakukan oleh Kitagawa dari International Center for Japanese Studies dan van der Plicht di University of Goningen, Netherlands. Mereka menganalisis lebih dari 250 contoh fosil yang diambil dari deposit sedimen yang terbentuk lapisan demi lapisannya setiap tahun di Danau Suigetsu di Jepang. Menghitung jumlah lapisan sedimen analog dengan menghitung cincin pertumbuhan tahunan pada pepohonan. Data yang diperoleh dari sedimen-sedimen berusia muda sangat cocok dengan data yang diperoleh dari cincin pepohonan. Dengan menggunakan pengukuran dari banyak percobaan berbeda, kedua peneliti ini mampu memplot kurva kalibrasi yang membandingkan antara umur yang disimpulkan dari pengukuran proporsi karbon-14 dengan umur yang disimpulkan dari sumber-sumber lain. Secara umum, umur sebenarnya (actual age) dari sebuah objek sedikit lebih kecil daripada umur yang diperoleh dengan metode karbon-14. Perbedaan ini biasanya dapat diabaikan untuk periode yang tercatat dari sejarah manusia, tetapi bisa berarti diperlukannya koreksi yang signifikan untuk periode-periode sebelumnya. Kalibrasi ini hasilnya sama dengan hasil dari usaha kalibrasi lain yang menggunakan data lebih sedikit, selain itu juga memberi hasil yang sama dengan metode radioisotop lainnya (yang menggunakan uranium dan thorium) dalam suatu penelitian untuk mengestimasi umur karang laut.

Diperluasnya kalibrasi karbon-14 ini memiliki arti penting dalam upaya memastikan akurasi penentuan umur bahan organik, dan juga, lebih dari itu, memungkinkan kita untuk memperoleh pengertian yang lebih mendalam tentang variasi lautan dan iklim planet bumi dihubungkan dengan zaman es terakhir, tentang medan magnetik bumi, dan tentang fluktuasi dalam produksi radioisotop di atmosfer.