Baterai Nuklir

Untuk mendapatkan tenaga listrik dari energi nuklir, sejauh ini sudah banyak dilakukan melalui PLTN (Pusat Listrik Tenaga Nuklir) dan manfaatnya sudah sangat terasa bagi negara-negara maju, terutama dalam menggerakkan perindustriannya disamping untuk pemenuhan kebutuhan energi listrik bagi rumah tangga.

Tenaga listrik yang dihasilkan oleh PLTN adalah berasal dari reaksi fisi (pembelahan) yang menghasilkan panas sangat besar. Panas yang sangat besar ini digunakan untuk menghasilkan uap bertekanan tinggi yang kemudian uap tersebut digunakan untuk menggerakkan turbin yang dihubungkan ke generator, sehingga akan diperoleh tenaga listrik. Sedangkan pemanfaatan energi nuklir melalui reaksi fusi (penggabungan) yang panasnya jauh lebih besar dari pada reaksi fisi, sampai saat ini masih dalam taraf penelitian mengingat belum ditemukan bahan yang tahan terhadap tekanan tingi dan juga suhu tinggi dengan orde ratusan ribu derajat Celcius.

Pemanfaatan energi nuklir untuk menghasilkan tenaga listrik sejauh ini memang sudah terbukti dapat bersaing dengan tenaga listrik yang diperoleh secara konvensional melalui pemakaian energi primer (batubara dan minyak) maupun melalui pemakaian energi terbarukan (air, panas bumi dan matahari). Selain dari itu, para ahli pada saat ini juga akan melengkapi kemampuan energi nuklir dengan cara lain untuk menghasilkan tenaga listrik arus searah (tenaga baterai/DC), tidak hanya tenaga listrik arus bolak-balik (AC) seperti yang sudah dikenal selama ini melalui PLTN. Cara lain yang dimaksud adalah tidak dengan memanfaatkan panas dari hasil reaksi fisi maupun fusi, akan tetapi memanfaatkan proses terjadinya reaksi peluruhan (decay process) pada setiap bahan radioaktif.

Pada reaksi peluruhan ini yang dimanfaatkan adalah radiasi nuklir itu sendiri yang disertai dengan pelepasan elektron atau muatan listrik dan juga kemampuan menumbuk bahan untuk menghasilkan elektron sekunder yang dapat diubah menjadi tenaga listrik. Bila hal ini bisa direalisasikan maka tenaga listrik yang diperoleh dari hasil proses peluruhan zat radioaktif akan dapat menambah sumber tenaga listrik arus searah, disamping sumber arus searah (tanaga baterai) yang telah dikenal secara konvensional berupa baterai kimia sel basah maupun sel kering.

Proses Peluruhan Zat Radioaktif

Proses peluruhan zat radioaktif sebenarnya adalah proses alami dari suatu zat radioaktif atau radioisotop dalam rangka keseimbangan menuju kepada energi dasarnya (ground state energy). Proses peluruhan zat radioaktif yang terjadi berkaitan erat dengan jenis radiasi nuklir dari suatu radioisotop. 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 elektron atau yang dapat menyebabkan ionisasi langsung saja, yaitu radiasi yang dipancarkan oleh radioisotop yang digunakan dalam baterai nuklir. Jenis radiasi tersebut adalah :

1. Radiasi Alpha ()
Radiasi ini pada umumnya terjadi pada elemen berat, yaitu atom yang nomor massanya besar (mohon dilihat sistem periodik/tabel berkala) yang tenaga ikatnya rendah, yaitu tenaga ikat antara elektron 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:



3. Radiasi Beta Positif
Radiasi ini sama dengan pancaran positron (elektron 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 elektron (-) yang banyak terdapat di alam ini dan menghasilkan radiasi Gamma yang lemah. Contoh radiasi Beta Positif :



Jenis radiasi lainnya (radiasi Gamma, radiasi Neutron dan lain sebagainya) tidak dibahas dalam kaitannya dengan baterai nuklir, karena dalam peluruhannya tidak menghasilkan elektron 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 buklir dibuat tebal, akan berdampak pada masalah biaya dan secara teknis akan kalah bersaing dengan sumber radiasi Beta yang banyak digunakan dalam baterai nuklir.



Berbagai Macam Baterai Nuklir
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 radioisotop 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 yang mempunyai waktu paro 28 tahun, sehingga umur pakai baterai nuklir jenis ini bisa dua kali waktu paronya, yaitu 56 tahun.

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 elektron keluar orbitnya. Bahan elektrode yang mempunyai sifat work function yang sangat jauh berbeda adalah Seng (Zn) dan Karbon. Ruang diantara kedua elektrode, 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 radioisotop menghasilkan elektron dan ion positif. Hasil ionisasi (elektron dan ion) akan menuju ke masing-masing elektrodenya sesuai dengan muatan listrik yang dibawanya. Penyerahan muatan listrik ke masing-masing elektrode akan menimbulkan arus listrik searah secara berkesinambungan. Radioisotop yang digunakan sama dengan baterai nuklir pertama, yaitu Strontium -90

3. Baterai nuklir PN junction
Baterai nuklir ini memanfaatkan sifat radioisotop yang dapat menimbulkan berondongan elektron (avalanche) pada salah satu elemen diode semikonduktor yang dipasang di dalam wadah baterai. Bahan semikonduktor yang dapat menghasilkan berondongan elektron akibat terkena radiasi adalah Antimon. Sedangkan untuk elektrode positifnya digunakan Silikon. Berondongan elektron yang terbentuk akan ditarik oleh elektrode 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 radioisotop yang digunakan adalah Prometium 147 yang mempunyai waktu paro 2,5 tahun, sehingga umur pakai baterai nuklir jenis ini bisa mencapai 5 tahun.

4. Baterai nuklir termokopel
Baterai nuklir jenis ini memanfaatkan panas yang ditimbulkan oleh radioisotop 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.

5. Baterai nuklir “secondary emitter”
Baterai nuklir jenis ini menggunakan radioisotop yang dapat menumbuk bahan target yang peka terhadap radiasi, sehingga akan menimbulkan elektron sekunder akibat tumbukan tersebut. Elektron sekunder ini akan dikumpulkan oleh elektrode yang tidak peka terhadap radiasi. Perbedaan tegangan pada kedua elektrode tersebut akan menghasilkan arus listrik yang besarnya proporsional dengan energi yang dibawa oleh elektron sekunder.

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.

7. Baterai nuklir “photon junction”
Baterai nuklir ini menggunakan posfor radioaktif 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 . 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 relatif konstan.

Posted in: Nuklir