NUKLIR

Proses peluruhan zat radioaktif
sebenarnya adalah adioisotope dari suatu zat radioaktif atau adioisotope dalam
rangka keseimbangan menuju kepada energi dasarnya (ground state energy).
Proses peluruhan zat radioaktif yang terjadi berkaitan erat dengan jenis
radiasi nuklir dari suatu adioisotope. Untuk itu, perlu diketahui beberapa
jenis radiasi yang mengikuti terjadinya proses peluruhan tersebut. Jenis
radiasi yeng dimaksud sebenarnya ada 8 macam, namun yang akan dijelaskan hanya
yang dalam proses peluruhannya menghasilkan adioiso atau yang dapat menyebabkan
ionisasi langsung saja, yaitu radiasi yang dipancarkan oleh adioisotope yang
digunakan dalam baterai nuklir. Jenis radiasi tersebut adalah : 1.
Radiasi Alpha (a)

Radiasi ini pada umumnya terjadi pada elemen berat,
yaitu atom yang nomor massanya besar (mohon dilihat adioi adioiso/adio
berkala) yang tenaga ikatnya rendah, yaitu tenaga ikat
antara adioiso dan inti atomya rendah. Radiasi
Alpha pada umumnya diikuti juga oleh peluruhan radiasi Gamma. Atom yang
mengalami peluruhan radiasi Alpha, nomor massanya akan berkurang 4 dan nomor
atomnya berkurang 2, sehingga radiasi Alpha disamakan dengan pembentukan inti
Helium yang bermuatan listrik 2 dan bermassa 4. Contoh peluruhan radiasi Alpha adalah peluruhan
Plutonium menjadi Uranium yang reaksinya sebagai berikut:

94Pu239––>2He4
+ 92U235 (2He4 = radiasi Alpha)

2. Radiasi Beta Negatif (b-)

Radiasi Beta Negatif disamakan dengan pemancaran adioiso
dari suatu inti atom. Bentuk radiasi ini terjadi
pada inti yang kelebihan adioiso dan pada umumnya juga disertai juga dengan
radiasi Gamma. Pada radiasi Beta Negatif, nomor
atom akan bertambah 1, sedangkan nomor massanya tetap. Contoh peluruhan
radiasi Beta Negatif adalah :

56Ba140
––>-1e0 + 57La140(-1e0
= adioiso adioiso)





3. Radiasi Beta Positif (b
+)

Radiasi ini sama dengan pancaran positron (adioiso
positif) dari inti atom. Bentuk peluruhan ini terjadi pada inti yang kelebihan
proton. Pancaran positron dapat terjadi bila perbedaan energi antara
inti semula dengan inti hasil perubahan (reaksi inti) paling tidak sama dengan
1,02 MeV. Radiasi Beta Positif akan selalu diikuti
dengan peristiwa annihilasi atau peristiwa penggabungan, karena begitu
terbentuk zarah Beta (+) akan langsung bergabung dengan adioiso (-) yang banyak
terdapat di adioiso dan menghasilkan radiasi Gamma yang
lemah. Contoh radiasi Beta Positif :

7N13
––> +1e0 + 6C13 (+1e0
= adioiso positif / positron)

+1e0 + -1e0
––> 200(menghasilkan 2 foton Gamma)

Jenis radiasi lainnya (radiasi Gamma, radiasi Neutron dan lain sebagainya)
tidak dibahas dalam kaitannya dengan baterai nuklir, karena dalam peluruhannya
tidak menghasilkan adioiso atau muatan listrik yang langsung dapat mengionisasi
medium yang pada akhirnya dapat diubah menjadi tenaga listrik arus searah.
Selain dari itu, radiasi Gamma dan Neutron mempunyai
daya tembus yang sangat besar, sehingga menyulitkan untuk mengukungnya agar
radiasi tidak menembus dinding baterai nuklir. Kalaupun dinding baterai
nuklir dibuat tebal, akan berdampak pada masalah biaya dan secara teknis akan
kalah bersaing dengan sumber radiasi Beta (b-)
yang banyak digunakan dalam baterai nuklir.
Berbagai Macam Baterai Nuklir

Pemanfaatan energi nuklir untuk
diubah menjadi tenaga listrik arus searah (DC) adalah karena timbulnya adioiso
atau muatan listrik pada peristiwa peluruhan zat radioaktif. Oleh karena
itu, sumber arus searah baterai nuklir ini berasal dari adioisotope yang
memancarkan radiasi Alpha, Beta Negatif maupun Beta Positif. Mengingat daya
tembus radiasi Alpha sangat kecil, maka adioisotope pemancar Alpha jarang
digunakan, karena menyulitkan dalam proses pembuatannya, kecuali bila akan
dimanfaatkan untuk mengionisasi langsung medium baterai nuklir. Radioisotop pemancar Beta Positif (b+) jarang
digunakan sebagai sumber tenaga baterai nuklir karena sumber baterai nuklir
adalah adioisotope pemancar radiasi Beta Negatif (b-).
Kemampuan sumber radiasi untuk menghasilkan adioiso sekunder dalam tumbukannya
dengan medium baterai nuklir, juga dipakai sebagai bahan pertimbangan dalam
memilih sumber adioisotope. Penelitian dan pengembangan
pembuatan baterai nuklir sangat menarik perhatian para ahli, karena tegangan
yang diperoleh dari baterai nuklir adioiso konstan dan bisa mencapai orde
beberapa ribu volt, sehingga sangat menguntungkan dalam pemakaiannya. Sedangkan
umur pakainya sangat panjang, bisa mencapai 2 kali
waktu paro adioisotope yang digunakan. Namun demikian, efisiensinya dan
arus yang dihasilkan sejauh ini masih rendah, untuk itu perlu ditingkatkan
lebih jauh lagi. Adapun rendahnya arus yang dihasilkan
karena adanya pengaruh nuclear barrier transmission (d)
yang dinyatakan dalam persamaan :


di mana : X1
dan X2 = titik partikel pada saat masuk dan meninggalkan potensial
barrier.

M=

massa

partikel.
V(x)= potensial energi sebagai fungsi barrier.
T= energi adiois partikel.
h= konstanta Planck.
Mengingat bahwa nuclear barrier transmission merupakan fungsi
dari

massa

adioisotope yang
digunakan dan energi adiois radiasi yang dipancarkan, maka usaha untuk meningkatkan arus harus
memperhatikan sumber adioisotope yang digunakan dan juga energi adiois
radiasinya.

Berbagai macam model baterai nuklir yang sudah dikembangkan sejauh ini
adalah sebagai berikut;

1. Baterai nuklir “high speed electrons battery”:

Baterai ini dinamakan juga dengan baterai nuklir Beta, sesuai dengan jenis
radiasi yang dipancarkan oleh adioisotope yang digunakan. Baterai nuklir ini bisa menghasilkan tegangan
sampai beberapa ribu volt. Tegangan yang tinggi ini dipengaruhi oleh
kerapatan isolator yang digunakan, sehingga tidak terjadi kebocoran yang dapat
menimbulkan ionisasi udara di sekitar terminal elektrodenya. Arus yang
dihasilkan masih rendah dan perlu dinaikkan lagi dengan memperhatikan masalah nuclear
barrier transmission seperti yang diuraikan di atas. Radioisotop yang
digunakan dalam baterai ini adalah Strontium-90 (Sr90) yang
mempunyai waktu paro 28 tahun, sehingga umur pakai baterai nuklir jenis ini
bisa dua kali waktu paronya, yaitu 56 tahun. Bagan baterai nuklir jenis ini
dapat dilihat pada Gambar 1.

2. Baterai nuklir “contact potential difference battery”

Baterai nuklir ini sering disingkat dengan baterai CPD (Contact
Difference Potential). Elektrode yang digunakan adalah 2 jenis bahan logam
yang mempunyai sifat “work function” yang sangat berbeda. Work function suatu bahan adalah energi yang diperlukan untuk
membebaskan adioiso keluar orbitnya. Bahan adioisot yang mempunyai sifat
work function yang sangat jauh berbeda adalah Seng (Zn) dan Karbon. Ruang
diantara kedua adioisot, yaitu antara bahan logam yang mempunyai sifat “work
function” tinggi dan bahan logam yang mempunyai “work function” rendah, diisi
medium berbentuk gas, yaitu Tritium yang setiap saat dapat diionisasikan oleh adioisotope
menghasilkan adioiso dan ion positif. Hasil ionisasi (adioiso dan ion) akan
menuju ke masing-masing elektrodenya sesuai dengan muatan listrik yang
dibawanya. Penyerahan muatan listrik ke masing-masing adioisot akan menimbulkan
arus listrik searah secara berkesinambungan. Radioisotop
yang digunakan sama dengan baterai nuklir pertama, yaitu Strontium 90 (Sr90).
Bagan baterai nuklir CPD dapat dilihat pada Gambar 2.

3. Baterai nuklir PN junction

Baterai nuklir ini memanfaatkan sifat adioisotope yang dapat menimbulkan
berondongan adioiso (avalanche) pada salah satu elemen diode semikonduktor yang
dipasang di dalam wadah baterai. Bahan semikonduktor yang dapat menghasilkan
berondongan adioiso akibat terkena radiasi adalah Antimon. Sedangkan untuk adioisot
positifnya digunakan Silikon. Berondongan adioiso yang terbentuk akan ditarik
oleh adioisot positif dan pada saat penyerahan muatan listrik akan timbul arus
listrik searah seperti yang terjadi pada baterai nuklir CPD. Baterai nuklir PN junction ini walaupun tegangannya rendah
tapi arus yang dihasilkan jauh lebih besar dari pada baterai nuklir lainnya.
Sumber adioisotope yang digunakan adalah Prometium 147
(Pm147) yang mempunyai waktu paro 2,5 tahun, sehingga umur pakai
baterai nuklir jenis ini bisa mencapai 5 tahun. Bagan baterai nuklir PN
junction ini dapat dilihat pada Gambar 3.

4. Baterai nuklir termokopel

Baterai nuklir jenis ini memanfaatkan panas yang ditimbulkan oleh adioisotope
yang ditempatkan pada bagian dalam wadah yang dilengkapi dengan dua jenis logam
yang bersifat sebagai termokopel. Arus yang timbul dari adanya termokopel dapat
menjadi tenaga baterai. Bagan baterai nuklir jenis termokopel dapat dilihat
pada Gambar 4.

5. Baterai nuklir “secondary emitter”

Baterai nuklir jenis ini menggunakan adioisotope yang dapat menumbuk bahan
target yang peka terhadap radiasi, sehingga akan menimbulkan adioiso sekunder
akibat tumbukan tersebut. Elektron sekunder ini akan dikumpulkan oleh adioisot
yang tidak peka terhadap radiasi. Perbedaan tegangan
pada kedua adioisot tersebut akan menghasilkan arus listrik yang besarnya
proporsional dengan energi yang dibawa oleh adioiso sekunder. Skema
baterai nuklir jenis ini dapat dilihat pada Gambar 5.

6. Baterai nuklir fotolistrik

Baterai nuklir fotolistrik ini memanfaatkan sifat bahan sintilator yang akan
mengeluarkan pendar cahaya (foton) bila terkena radiasi. Pendar cahaya (foton)
yang timbul kemudian diubah menjadi tenaga listrik oleh bahan semikonduktor
yang peka terhadap foton cahaya. Foton cahaya dapat
juga diubah menjadi tenaga listrik oleh sel fotolistrik. Bahan sintilator yang
digunakan dapat berupa Posfor, Natrium Iodida yang diberi Thalium.
Gambar 6 menunjukkan skema baterai nuklir jenis fotolistrik yang
dimaksud.

7. Baterai nuklir “photon junction”

Baterai nuklir ini menggunakan posfor radioaktif (P32) sebagai
sumber radioisotopnya yang diapit oleh bahan semikonduktor. Bahan semikonduktor
diletakkan berhimpitan dengan “semiconductor surface layer” agar dapat terjadi
perpindahan “electron hole” akibat terkena radiasi P32. Adanya perpindahan electron hole pada bahan semikonduktor ini
akan menimbulkan pulsa listrik yang besarnya sama dengan energi pendar cahaya
yang terjadi. Tegangan baterai nuklir ini adioiso konstan.