MAKALAH BATEREI NUKLIR

Baterai Nukli (sumber gambar : http://unknown-mboh.blogspot.co.id)

Diawali dengan penemuan sinax X oleh Wilhelm Conrad Roentgen pada tahun 1895, kemudian dilanjutkan melalui sebuah experiment untuk mendapatkan sinar X dari suatu batuan yang mengandung garam uranium oleh Henri Becquerel yang dilakukan dengan membungkus batuan tersebut dengan kertas hitam dan diletakkan di atas plat film dan ia mendapati bahwa bagian film pada tempat garam uranium diletakkan menjadi gelap. Dari penomena itu dia menyimpulkan bahwa unsur uranium memancarakan sinar berdaya tembus kuat,  peristiwa ini meperkanalkan istlah baru yaitu “keradioaktifan”. sampai pada sebuah fakta bahwa terdapat sejumlah unsur alam yang dapat memancarkan radiasi yang kemudian diberi nama “zat radioaktif”, merupakan serangkaian peristiwa yang menjadi awal mula kajian fisika tentang inti atom dan raaksi-reaksi yang terjadi pada inti tersebut yang dikenal dengan“Fisika Inti”. 
Di Abad sekarang ini, perkembangan ilmu pengetahuan telah sampail pada ranah aplikatif. Perkembangan ilmu pengetahuan yang mengarahkan pada kemanjuan teknologi yang pesat,  berdampak pada ketersediaan sumber energi yang semakin terbatas, yang lambat laun akan mengantarkan dunia pada kondisi krisis energi. Penggunaan bahan bakar fosil tentu saja bukan solusi mengingat jumlahnya yang terbatas. Salah satu solusi yang ditemukan manusia adalah pemanfaatan nuklir sebagai penghasil energi. Seperti melalui PLTN (Pusat Listrik Tenaga Nuklir) di berbagai negara-negara maju, yang digunakan sebagai pemasok listrik perindustriannya dan untuk pemenuhan kebutuhan energi listrik bagi rumah tangga. Bentuk lainnya yaitu pemanfaatan nuklir sebagai penghasil energi berupa listrik searah yang dikenal dengan batterei nuklir. Sebuah alat atau komponen penghasil listrik arus searah (DC) dengan sumber berupa bahan radioaktif. 
Batterei nuklir merupakan salah satu bentuk dari pengaplikasian nukir dalam teknologi. Sesuai dengan namanya batterei nuklir, batterei jenis ini berbeda dengan batterei pada umunya yang biasanya menggunakan senyawa kimia atau sel elektrokimia untuk menyimpan listrik. Berbeda pada batterei nuklir yang menggunakan bahan radioaktif sebagai penghasil listrik.  Meskipun dinamakan batterei, batterei nuklir tidak bekerja seperti batterei pada umumnya yang menyimpan energi dalam bentuk sel elektrokimia namun prinsip kerjanya justrul menghasilkan energi bukan menyimpan energi. Dengan begini tentu saja dalam penggunaanya kita tidak perlu repot-repot mengisi ulang batterei untuk menggunakannya. Kelebihan dari baterei jenis ini yaitu umur yang panjang, memiliki kepadatan energi yang tinggi, dapat berfungsi walaupun pada lingkungan bertekanan tinggi seperti  di bawah air atau di ruang angkasa. Energi berupa listrik yang dihasilkan baterei nuklir bersumber dari peluruhan radioisotop sehinnga tidak perlu  mengisi bahan bakar. Kelemahan dari baterai ini adalah bahwa kerapatan daya mereka lebih rendah atau sebanding dengan baterai kimia. Mereka juga memiliki efisiensi konversi efisiensi rendah -10%. Kelebihan lainnya bahwa ini dapat dibuat dari limbah fisi nuklir. 

Prinsip Kerja batterei nuklir

 Meskipun sama-sama menghasilkan energi, prinsip kerja batterei nuklir berbeda dengan pembangkit listrik tenaga nuklir (PLTN). Pembangkit listrik tenaga nuklir memanfaatkan panas dari hasil reaksi fisi maupun fusi dari bahan radioaktif, hal ini berbeda pada betterei nuklir yang memanfaatkan proses terjadinya reaksi peluruhan (decay process) yaitu proses peluruhan inti atom dari tidak stabil menjadi stabil yang terjadi secara spontan disertai dengan pemancaran radiasi dalam bentuk sinar alpa, beta dan gamma.

Agar baterai nuklir dapat fungsi, sumber daya harus berupa bahan radioaktif isotop. Isotop adalah unsur yang memiliki Nomor Atom (Proton) sama tapi Nomor massanya (Neutron) berbeda. Misalnya, klor (Cl, Z = 17) memiliki 76% dari inti yang mengandung N = 18 neutron sementara yang lain 24% memiliki N = 20 neutron. struktur atom yang tidak stabil menyebabkan terjadinya puruhan yang disertia dengan emisi berbagai jenis partikel, radiasi elektromagnetik, serta panas, yang merupakan proses yang dikenal sebagai radioactivitas.

Desain baterei menggunakan komponen yang memungkinkan terjadinya konversi langsung dari emisi radioaktif menjadi arus listrik. Peluruhan yang terjadi pada sumber arus listrik mendorong sebuah alat yang mengubah partikel bermuatan listrik. Prinsip kerja batterei bergantung dari desain baterei yang disesuaikan dengan sumber penghasil listrik.

Flow Chart Tranfer energi baterei Nuklir

Gambar 1 memperlihatkan opsi alur transfer energi menjadi listrik dengan sumber utama adalah dari proses peluruhan radioaktif yang digunakan pada baterei. Proses peluruhan disertai dengan radiasi partikel (alfa, beta, gamma) dan pelepasan energi atau kalor. Partikel-partikel emisi ketika berinteraksi atau menembus bahan tertentu maka dapat menyebabkan terjadinya ionisasi. Panas dan ionisasi ini dapat dimanfaatkan untuk menghasilkan arus listrik (cabang 1, 2 dan 4).

Dalam kasus yang paling sederhana, pada desain dasar baterrei nulkir sumber radioaktif diletakkan dalam foil konduktif yang menghadap sebuah foil logam di mana muatan elektrostatik akan diakumulasikan. Sumber dan logam foil dipisahkan oleh bahan dielektrik. Skema sel biaya langsung dengan beban untuk menggambarkan proses pengisian ditunjukkan pada Gambar dibawah

Skema Cell Batterei nuklir

di mana A adalah aktivitas bahan radioaktif dan ε_avg adalah energi rata-rata dari partikel radioaktif yang dipancarkan dalam Joule.

Tak terlepas dari itu, dalam desain batterei nuklir juga mempertimbangkan sumber radioaktif yang digunaan yaitu melihat karakteristik dari jenis partikel yang  yang ipancarkan.

1. Radiasi Alpha (a) 

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:

2. Radiasi Beta Negatif (b-)

Radiasi Beta Negatif disamakan dengan pemancaran elektron dari suatu inti atom. Bentuk radiasi ini terjadi pada inti yang kelebihan elektron 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 : 

3. Radiasi Beta Positif (b +)

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 (b-) yang banyak digunakan dalam baterai nuklir. 

Jenis-jenis batterei nuklir

1.      Baterei betavoltage

Seperti namanya baterei betavolrage meggunakan partikel beta dalam menghasilkan arus listrik. Konver energi  dilakukan dengan menggunakan persimpangan semikonduktor. Partikel beta Energetic (biasanya beberapa keV) yang dihasilkan akan menumbuk bahan semikonduktor untuk menghasilkan ratusan ribu pasangan elektron-lubang. Jika perangkat yang dirancang dengan baik, sebagian besar elektron bebas dapat menyapu medan listrik yang dibangun di p-n diode untuk menghasilkan arus yang dapat diumpankan ke beban. Gambar 2 menggambarkan proses ini. 

1.      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).

2.      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.

3.      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. 

BAB III PENUTUP

Batterei nuklir merupakan salah satu bentuk pemanfaatan nuklir dalam teknologi. Berbeda dengan batterei pada umumnya, baterei nuklir tidak menyimpan energi tetapi menghasilkan energi. Proses menghasilkan energi listriknya pun berbeda dengan proses pada reaktor nuklir yang memanfaatkan panas hasil reaksi fusi dan fisi, pada baterei nuklir sumber penghasil energinya berasal dari proses peluruhan yang terjadi, sehingga karakteristik dari baterei nuklir berbeda tergantung bahan radioaktif yang digunakan. Sehubungan dengan hal tersebut maka terdapat beberapa model baterei nuklir diantaranya betavolteic yang menggunakan bahan radioaktif dengan emisi partkel berupa beta, Baterai nuklir “contact potential difference battery” yang menggunakan particle alfa, Baterai nuklir PN junction dan baterai nuklir termokopel yang memanfaatkan panas yang ditimbulkan oleh adioisotope. Kelebihan dari baterei nuklir adalah lama masa aktifnya tergantung dari lama waktu peluruhan bahan radioaktifnya, selain itu baterei jenis ini tahan terhadap berbagai kondisi lingkungan baik, tahan terhadap suhu dan tekanan, dan dapat berfungsi di dalam air. Dalam pemanfaatanya baterei nuklir digunakan sebagai sumber energi pacemaker (organ buatan yang ditanam di dalam tubuh manusia), baterai pesawat luar angkasa, atau kapal selam.

DAFTAR PUSTAKA

Prelas, Charles J, Weaver. Review of Nuclear Batteries. Nuclear Science and

Engineering Institute, University of Missouri. Columbia.

Suhas Kumar. 2015. Atomic Batteries: Energy from Radioactivity.

Department of  Electrical Engineering, Stanford University, Stanford.

Lao, randy.2011. A Modular Design for Nuclear Battery Technology. Faculty of the

Physics Department California Polytechnic State University, San Luis Obispo

dykuza. Baterai Nuklir .Diakses tanggal 08 juni 2016.    https://dykuza.wordpress.com/2013/11/21/baterai-nuklir/

Nikolayevna ,Galina  Yakubova. 2010. Nuclear Batteries With Tritium And

Promethium-147 Radioactive Sources. Department of Nuclear, Plasma and Radiological Engineering University of Illinois at Urbana-Champaign