Uranium : Pengelolaan bahan bakar dari Tambang sampai Limbah Lestari

Dalam operasinya PLTN tipe LWR mengkonsumsi bahan bakar uraniun dengan sedikit pengkayaan atau berkisar 3 % sampai 4 %, artinya bahwa komposisi isotop uraniumnya mengandung isotop dengan berat atom 235 (U-235) sebesar sekitrar 3 - 4 %. Peningkatan kandungan isotop U-235 dari komposisi alamiah sekitar 0,7 %  menjadi 4 % disebut suatu proses pengkayaan (enrichment).  Bentuk uranium yang menjadi bahan bakar dalam PLTN adalah berupa pelet-pelet keramik UO₂ yang disusun menjadi suatu batang dan total konsumsi UO2 ini sebanyak sekitar 24 ton per tahunnya atau persatuan periode operasi yang saat ini telah mencapai 1,5 sampai 2 tahun.

Sebagai gambaran kegiatan pengelolaan uranium sebagai bahan bakar PLTN mulai penambangan sampai menjadi bahan bakar nuklir pada PLTN jenis PWR dan selanjutnya sampai menjadi limbah radioaktif yang lestari (permanen) dapat diperlihat pada ilustrasi berikut,

 

 Gambar siklus bahan bakar uranium untuk PLTN jenis PWR

Seluruh Siklus bahan bakar nuklir ini  sering disebut  sebagai rantai bahan bakar nuklir, yakni serangkaian proses pengolahan bahan bakar nuklir yang melalui serangkaian tahap-tahap berbeda. Dalam terminologi  nuklir, siklus ini dikategorikan sebagai tahapan "hulu" (front end), dimana uranium disiapkan sebagai bahan bakar reaktor, dan tahapan "hilir" (back end), dimana proses pengaturan, pengelolaan, atau pengolahan kembali bahan bakar bekas dilakukan.

Apa yang harus disadari dalam pengembangan energi nuklir ini adalah bagaimana kita dapat memahami seluruh proses ini , terutama yang manjadi isu lingkungan adalah pada tahap hilir yang berada pada proses penyimpanan lembah lestari atau dengan bahasa hariannya adalah tempat pembuangan akhir (TPA).

PLTN Tipe Reaktor Air Ringan (Light Water Reactor, LWR)

Berdasarkan statistik status PLTN di dunia menunjukan bahwa PLTN yang masih beroperasi di dunia didonimasi oleh PLTN tipe reaktor air ringan (LWR), yakni sebesar  80 % dari PLTN Dunia. PLTN tipe LWR secara garis besar dapat dibedakan menjadi 2 tipe reaktornya, yaitu Reaktor Air Didih (Boiling Water Reactor, BWR) dan Reaktor Air Tekan (Pressurized Water Reactor, PWR).  Susunan kontruksi PWR memiliki Pressurizer, Steam Generator dan batang (boron) pengendalinya bergerak dari atas ke bawah, sedangkan BWR tidak terdapat Pressurizer, Steam Generator dan batang pengendali bergerak dari bawah ke atas. Seperti gambar berikut,

 Gambar mekanisme proses pengambilan panas menjadi listrik dari PLTN tipe BWR

Gambar mekanisme proses pengambilan panas menjadi listrik dari PLTN tipe PWR

Secara teoritis dan teknologi PLTN tipe LWR ini adalah PLTN dengan teknologi yang paling sederhana dan menggunakan sistem siklus Rankine yang sangat mirip dengan pembangkit listrik tenaga uap batubara atau minyak.

PLTN Dunia : Tipe-tipe dan distribusi lokasi tapaknya

Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir atau lebih dikenal sebagai PLTN, merupakan satu pembangkit litrik yang dibangkitkan dari proses reaksi fisi yang terkendali di dalam suatu tempat khusus, yakni teras reaktor (reactor core) dengan perangkat pendukungnya berupa batang kendali, moderator dan pendingin. Energi yang dihasilkan oleh reaksi fisi ini merupakan energi berbentuk panas yang selanjutnya diambil oleh pendingin untuk menghasilkan uap air secara langsung maupun tak langsung. Uap air yang terbentuk dimanfaatkan untuk memutar turbin yang terkompel dengan generator penghasil listrik. Secara umum tipe PLTN dapat dibedakan berdasarkan atas jenis bahan bakar, pendingin, moderator dan siklus termodinamika yang berlangsung di dalam sistem PLTN. Jenis reaktor nuklir yang banyak digunakan sebagai pembangkit listrik nuklir (PLTN) adalah PWR (Pressurized Water Reactor), beberapa jenis PLTN lainnya dapat dilihat pada tabel berikut,

Tabel Status PLTN Dunia dan Tipe-tipenya 

Secara geografis lokasi PLTN dan cadangan uranium di dunia  tersebar seperti berikut ini,

Gambar Distribusi lokasi PLTN dan cadangan uranium di dunia

Kepadatan distribusi lokasi PLTN dunia telah tersebar di lima benua,yakni benua Amerika berada di negara Amerika Serikat, Kanada, Brazil, Argentina dan Meksiko; benua Eropa berada di negara Inggris, Perancis, Spanyol, Jerman, Belanda,  Rusia, Belgia, Bulgaria, Armenia, Czechnya, Finlandia, Hongaria, Lithunia, Romania, Slovenia, Slovakia, Swiss dan Ukrania; benua Asia berada di negara Jepang Korea Selatan, Korea Utara, Taiwan, India dan Pakistan; sedangkan benua Afrika hanya ada di negara Afrika Selatan.

Untuk proyeksi dalam waktu dekat ke depan ini  Sebagian besar pembangunan PLTN saat ini berada di wilayah Asia, yakni Korea Selatan, Jepang dan Cina.

Peristiwa Reaksi Nuklir Dan Energi Yang Dibangkitkannya

Di alam, uranium memiliki 3 jenis isotopnya, yaitu U²³⁵ dengan kadar 0,715 %, U²³⁸ dengan kadar 99,825 % dan U²³⁴ dengan kadar yang sangat kecil. Dari ketiga isotop uranium tersebut, hanya U²³⁵ yang dapat digunakan sebagai bahan bakar fisi secara langsung bila ditembakan dengan neutron lambat, seperti pada gambar berikut : 

Konsep proses reaksi fisi (pembelahan inti) adalah terjadinya pembelahan inti menjadi dua bagian yang lebih kecil dan juga menghasilkan sebanyak 2-3 netron (atau rerata hitungan statistik berkisar 2,5 netron). Peristiwa proses reaksi fisi ini begitu sangat cepat, yakni berkisar orde seperseribu detik (millisecond). Secara alamiah peristiwa fisi terjadi secara berantai. Apabila peristiwa ini disimulasikan terjadi dalam seperseratus detik saja, maka satu reaksi netron dan uranium 235 akan menghasilkan sebesar 9.537 netron. Bayangkan bila setengah detik aja, maka satu netron akan menjadi sebanyak 9,33 x 10¹⁹⁸ netron. Sungguh pelipatan jumlah netron yang sangat dahsyat dalam waktu yang sangat singkat.

            Perhitungan besarnya energi yang dibebaskan dapat diperhitungkan secara teoritis adalah 200 MeV setiap reaksi satu netron dengan satu atom uranium 235, yakni

    235U + 1 neutron ----> 2 neutrons + 92Kr + 142Ba + ENERGY

            Energi yang dibebaskan selama setengah detik tersebut akan terbebas energi sebesar 3 x 10¹⁸³ joule atau 8,3 x 10¹⁶⁷ TWh. Fenomenaa pembebasan energi dalam waktu yang singkat ini akan menimbulkan suatu peledakan energi yang dahsyat, atau dikenal dengan bom atom. Pada reaksi fisi nuklir terkendali yang terjadi di dalam teras reaktor, fenomena ini tidak akan terjadi. Di dalam teras reaktor sudah terdapat material kendali yang bersifat sebagai penyerap netron. Material kendali ini yang selanjutnya digunakan sebagai pengendali perubahan daya reaktor nuklir dan dikenal dengan nama batang kendali. Inilah selanjutnya yang dimanfaatkan dalam teras reaktor nuklir sebagai sebuah PLTN.

Ya... Allah, betapa besar kekuasaan Allah SWT atas fenomena besarnya energi yang dilepaskan dari reaksi fisi nuklir yang maha dahsyat tetapi dapat dikendalikan untuk kepentingan kesejahteraan manusia.

PLTN Generasi Ke IV

Sumber: Generation IV International Forum (GIF)

PLTN Generasi ke IV merupakan sekumpulan desain PLTN  masa depan yang saat ini masih dalam tahap penelitan.  Sebagian besar desain PLTN Generasi Ke IV  akan dibangun setelah tahun 2030, kecuali untuk PLTN jenis Reaktor Temperatur Tinggi, RTT (Very High Temperature Reactor, VHTR). PLTN jenis RTT diperkirakan akan selesai  desain lengkapnya pada tahun 2021. Penelitan PLTN Generasi ke IV ini diawali dengan pembentukan Forum Internasioan Generasi ke IV pada tahun 2001, yang selanjutnya disebut sebagai Generation IV International Forum (GIF).

Skenario waktu perkembangan PLTN sepanjang masa sampai PLTN Generasi ke IV dapat diperlihatkan pada Gambar berikut ini,

Keuntungan PLTN Generasi ke IV memiliki tujuan untuk dapat mengkonsumsi bahan bakar yang berasal dari limbah bahan bakar PLTN yang ada saat ini dan memiliki kemampuan untuk memanfaatkan bahan bakar menjadi energi sebesar 100 – 300 kali dari pemakaian bahan bakar PLTN saat ini.

Jenis PLTN Generasi ke IV terdiri dari Very-High-Temperature Reactor (VHTR); Supercritical-Water-Cooled Reactor (SCWR); Gas-Cooled Fast Reactor (GFR); Sodium-Cooled Fast Reactor (SFR); Lead-Cooled Fast Reactor (LFR); dan Molten Salt Reactor (MSR).

Deskripsi PLTN Generasi ke I

Konsep Reaktor Temperatur Tinggi, RTT (The very high temperature reactor, VHTR) memanfaatkan grafit sebagai moderator dengan siklus bahan bakar uranium satu arah. Reaktor ini menghasilkan temperature keluaran mencapai 1000 ^OC. Teras reaktor dapat berbentuk desain blok prismatik atau bola-bola ‘pebble bed’. Temperatur yang cukup tinggi mampu untuk dipakai dalam instalasi produksi hydrogen dengan proses termokimia ‘iodine-sulfur’.Konstruksi RTT pertama yang direncanakan dalam waktu dekat ini adalah RTT jenis PBMR (pebble bed modular reactor) Afrika Selatan. 

PLTN tipe Reaktor Air Superkrtitik (The supercritical water reactor, SCWR) adalah konsep reaktor yang memanfaatkan air superkritik sebagai fluida kerja. PLTN tipe Reaktor Air Superkritik pada dasarnya adalah jenis PLTN Air Ringan yang beroperasi pada temperatur dan tekanan tinggi (374 ^OC dan 22,1 MPa) dengan siklus pendingin langsung. Sehingga memiliki ‘Balance Of Plant’ yang sederhana. Sebagian besar PLTN jenis ini memiliki operasi siklus mirip dengan PLTN jenis Reaktor Air Didih (Boiling Water Reactor, BWR), tetapi memanfaatkan air superkritik sebagai fluida kerjanya. PLTN jenis Air Superkritik menjajikan sebagai sistem nuklir masa depan dengan tingkat efisiensi pembangkit mencapai 45 %. PLTN jenis Air Superkritik memiliki misi sebagai pembangkit listrik biaya rendah.PLTN ini juga dibangun berdasarkan teknologi yang sudah proven

PLTN jenis Reaktor Garam Cair (A molten salt reactor, MSR) merupakan PLTN dengan pendinginnya berupa garam cair. Konsep awalnya merupakan PLTN dengan bahan bakar nuklir campuran dimana garam flourida cair bercampur sebagai uranium tetraflourida (UF4). Temperatur keluarannya berkisar 700-800 ^OC dan daya optimalnya sebesar 1000 MWe. Tekanan operasinya rendah berkisar kurang dari 0,5 MPa.

PLTN jenis Reaktor Cepat Pendingin Gas (The gas-cooled fast reactor, GFR) merupakan sistem reaktor yang memiliki spektrum netron cepat dan siklus bahan bakar tertutup dengan konversi uranium fertile dan pengelolaan aktinida. PLTN ini berpendingin helium dengan temperature keluaran sebesa 850 ^OC dan menggunakan siklus langsung gas turbin “Brayton” dengan tingkat efisiensi thermal yang tinggi. Besar daya optimalnya sebesar 1100 MWe. Beberapa bentuk bahan bakar telah menjadi pertimbangan untuk dapat beroperasi dengan temperature sangat tinggi dan dapat menjamin retensi produk fisi. Bentuk bahan bakar yang digunakan berupa keramik.

PLTN jenis Reaktor Cepat Pendingin Natrium (Sodium Cooled Fast Reactor, SFR) merupakan PLTN jenis yang mirip dengan yang sudah ada yakni PLTN jenis  the liquid metal fast breeder reactor dan the Integral Fast Reactor.  Tujuannya adalah meningkatkan efisiensi pemakaian uranium dengan jalan pembiakan plutonium dan menghilangkan kebutuhan isotop transuranik. Desain reaktor ini tidak menggunakan moderator. Konsep PLTN jenis Reaktor Cepat memiliki pendingin natrium dan bahan bakar berupa logam alloy uranium dan plutonium. Bahan bakar dibungkus dengan kelongsong baja yang diisi dengan natrium cair  di dalam ruang kelongsong. Ukuran sebagai PLTN Besar berdaya sekitar 600-1500 MWe, PLTN Medium berdaya sekitar 300-600 MWe dan sebagai PLTN Modular berdaya sekitar 50 MWe.

PLTN jenis Reaktor Cepat Pendingin Timbal (The lead-cooled fast reactor, LFR) memiliki sperktrum netron cepat dan siklus bahan bakar tertutup. Pendingin berupa Pb atau Pb/Bi. PLTN jenis ini merupakan PLTN modular dengan interval isi ulang yang sangat panjang (15 – 30 tahun). Bahan bakarnya berupa logam yang mengandung uranium fertile dan transuranik.PLTN ini memiliki pendinginan konveksi alamiah dengan temperature pendingin keluar sebesar 550 ^OC, dan memungkinkan meningkat sampai temperature 800 ^OC, yang memungkinkan dapat digandengkan dengan instalasi produksi hydrogen dengan proses termokimia. Ukuran sebagai PLTN tetap sekitar 150- 1200 MWe, sedangkan untuk PLTN yang dapat bergerak sekitar 50-150 MWe.

PLTN: Pengembangan sejak 60 tahun yang lalu

Energi nukir pertama dimulai dengan berhasilnya dioperasikan reaktor nuklir yang pertama kali membangkitkan listrik dari PLTN percobaan EBR-I pada 20 Desember 1951 di Arco, Idaho, Amerika Serikat.  Selanjutnya pada 27 Juni 1954, PLTN pertama dunia yang menghasilkan listrik untuk jaringan listrik (power grid) mulai beroperasi di Obninsk, Uni Soviet.  Setahun kemudian di  Calder Hall Inggris pada 17 Oktober 1956   berhasil juga mengoperasikan PLTN skala komersil pertama.

Akhirnya PLTN berkembang terus, tercatat bahwa di tahun 1960 kapasitas PLTN terpasang masih kurang dari 1 gigawatt (GW) menjadi 100 GW di akhir 1970-an, dan 300 GW di akhir 1980-an dan mencapai 366 GW tahun 2005. Sejarah pengembangan PLTN sampai tahun 2005 dapat diilustrasikan pada gambar di bawah ini,

PLTN: Sumber Energi Listrik yang tetap dibutuhkan

Saat ini tipe PLTN yang paling banyak dibangun di dunia adalah jenis Reaktor Air Ringan ( Ligth Water Reactor, LWR). PLTN tipe LWR secara prinsip dibagi atas dua jenis, yakni PLTN tipe BWR (Boiling Water Reactor) dan PLTN tipe PWR (Pressurized Water Reactor). Kejadian Fukusima yang terjadi pada PLTN di Jepang adalah PLTN tipe BWR. Apa yang terjadi pada bencana alam di Fukusima secara global belum mempengaruhi pengembangan energi nuklir dunia. Perencanaan akan terjadi ke depan sampai tahun 2100 menunjukkan PLTN tetap dibutuhkan sebagai salah satu sumber energi nuklir dunia. Hasil scenario yang diperkirakan oleh INPRO (Internarional Project on Nuclear Reactors and Fuel Cycles) menunjukkan bahwa PLTN yang dibutuhkan pada tahun 2050 sebesar 1000 GWe (scenario rendah) dan 1500 GWe (scenario tinggi) dan pada tahun 2100 akan menjadi 2500 GWe (scenario rendah) dan 5000 GWe (scenario tinggi). 

Dengan membuat suatu projek GAINS (Global Architecture of Innovative Nuclear System), tipe PLTN yang ditargetkan adalah Advanced LWR (ALWR)  dan Fast Breeder Reactor (FR) akan dibangun seperti perkiraan dalam gambar berikut,

Pembahasan ini selanjutkan akan dibawa dalam suatu General Conference INPRO -IAEA pada tanggal 21 September 2011.

PLTN dengan tipe Maju dan Introduksi konsumsi bahan bakar nuklir secara berulang akan menjadi prioritas di masa depan.

Itulah sekedar informasi yang perlu diikuti sebagai suatu perkembangan dunia nuklir masa depan.

SEKILAS PLTN DUNIA DAN BAHAN BAKAR URANIUM DUNIA

Untuk menggambarkan secara gamblang tentang PLTN dunia berikut ini diperlihatkan beberapa informasi dalam gambar,

1. Perkembangan jumlah dan kapasitas total PLTN yang terpasang di dunia rentang tahun 1980 - 2010

 

2. Peran PLTN dalam sumbangan kelistrikan di beberapa negara pada tahun 2010

 

3. Sumbangan PLTN sebagai pembangkit listrik di beberapa negara yang beroperasi pada tahun 2009

 

4. Untuk mengoperasikan PLTN dunia ini membutuhkan bahan bakar dasar berupa 'yellow cake' berupa U3O8 yang diproduksi dalam suatu pabrik dan menjadi barang komoditi yang dijual di pasar bahan bakar uranium lebih lanjut. Beberapa negara telah memproduksi 'yellow cake' ini dalam jumlah tertentu sebagai berikut,

 

5. Harga spot market yang diperjualkan di dunia memiliki fluktuasi harga internasional sebagai berikut,

Sebagai langkah awal, beberapa gambar tersebut mudah-mudahan sudah sedikit berbicara tentang keadaan status PLTN dan bahan bakar uranium yang dipasarkan berupa 'yellow cake'

SEPATAH KATA

Bismillahirahamanirahim

Alhamdulillah, kami baru menyadari bahwa fasilitas blogspot kiranya bisa digunakan sebagai media untuk memberi kebaikan dan amal bagi kita dalam segala bidang yang diminati. Blogspot ini merupakan salah satu dari jutaan blogspot yang ada di dunia maya. Blogpsot ini ditujukan untuk memberikan informasi dan pendapat dalam bidang energi nuklir secara global.

Energi nuklir atau sering juga disebutkan sebagai Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir (PLTN) merupakan energi yang digali dengan menggunakan teknologi tinggi dengan tingkat ketelitian peralatan yang sangat tinggi. Untuk memasuki teknologi energi nuklir memerlukan tingkat ilmu dan teknologi yang tinggi dan budaya keselamatan kerja yang sangat disiplin. Tentunya, 'team work' yang sangat solid. Idealisme ilmu dan teknologi  perlu dijaga dalam melakukan penelitian dan pengembangan teknologi energi nuklir. Kami hanya ingin mengutip dan mengamati apa yang diperhatikan oleh Almarhum Prof. Dr. Parangtopo yang menjadi Guru Besar Fisika Universitas Indonesia di era tahun 90an bahwa dalam setiap menghadiri undangan seminar tentang PLTN tahun 90an, beliau tidak pernah menanyakan masalah asal dan desain teknologinya dari mana, tetapi beliau hanya menekankan jangan ada korupsi di dalamnya karena bila terjadi korupsi maka ketelitian peralatan mesin nuklir akan berkurang yang akhirnya akan membawa keburukan dan tidak akan beroperasi yang sesuai.

Pada akhirnya, pada kesempatan ini selanjutnya kami hanya sekedar memberikan sumbangan informasi yang bersifat netral kepada pembaca yang berminat. Kami tentunya menerima segala kritik yang membangun dan bila mungkin kita bisa berkomunikasi lewat blogspot ini.

Wassalam,