Siklus bahan bakar nuklir
Siklus bahan bakar nuklir, juga disebut rantai bahan bakar nuklir, serangkaian proses perkembangan bahan
bakar nuklir yang melalui serangkaian tahap-tahap yang berbeda. Hal ini terdiri
dari beberapa tahapan "hulu" (front end), dimana uranium disiapkan
sebagai bahan bakar reaktor, dan beberapa tahapan "hilir" (back end),
dimana proses pengaturan, pengelolaan, atau pengolahan kembali bahan bakar
bekas dilakukan.
Uranium
merupakan sumber energi dengan kelimpahan sungguh sangat besar, yaitu 13000 TW
tahun. Sebagai perbandingan, kelimpahan energi dari batubara adalah 680 TW
tahun. Sedangkan kelimpahan energi dari minyak dan gas adalah 400 TW tahun.
Adapun komsumsi energi dunia pada tahun 2000 adalah 14 TW tahun, dan pada tahun
2100 diproyeksikan sekitar 55 TW tahun. (TW adalah singkatan dari terrawatt,
dan 1 TW = 1.000.000.000.000 W).
Uranium di
kerak bumi terdeposit bersama-sama dengan mineral lainnya. Agar dapat
menghasilkan energi yang efisien, uranium harus diolah melalui serangkaian
tahapan proses yang panjang dan komplek dibanding pemrosesan bahan bakar fosil
seperti batubara, minyak, dan gas. Meskipun demikian, porsi ongkos bahan bakar
nuklir terhadap ongkos total pembangkitan listrik dari PLTN adalah realtif
kecil, yaitu sekitar 20 %.
Siklus
Tahapan dimulai
dari penambangan dan penggilingan bijih uranium untuk mendapatkan konsentrat
uranium. Tahapan proses selanjutnya adalah pemurnian dan konversi, pengkayaan
atau peningkatan kadar U-235 dalam uranium, dan fabrikasi perangkat bakar
nuklir sesuai dengan jenis reaktornya.
Seluruh tahapan
mulai dari penambangan hingga fabrikasi perangkat bakar disebutsebagai ujung
depanatau “front end” siklus bahan bakar nuklir.
Bahan bakar
uranium yang telah habis masa gunanya dalam membangkitan energidisebut bahan
bakar bekas atau ”spent fuel” yang akan melalui beberapa tahapan pengelolaan
setelah dikeluarkan dari teras reaktor. Masa guna bahan bakar nuklir di reaktor
antara 3 – 6 tahun.
Pengelolaan
bahan bakar bekas meliputi: penyimpanan sementara, proses olah ulang dan daur
ulang, dan pada akhirnya ditangani sebagai limbah aktivitas tinggi. Tahapan ini
disebut sebagai ujung belakang atau “back end” siklus bahan bakar nuklir.
Proses olah ulang dan daur ulang bahan bakar nuklir bekas
merupakan sebuah opsi. Siklus bahan bakar nuklir yang tidak menerapkan proses
olah ulang dan daur ulang pada ujung belakang disebut siklus bahan bakar
terbuka atau ”open fuel cycle”. Sedangkan siklus bahan bakar nuklir yang
menerapkan proses olah ulang dan daur ulang bahan bakar bekas disebut siklus
bahan bakar tertutup atau ”closed fuel cycle”.
Siklus bahan bakar nuklir tertutup melalui daur ulang
bahan bakar bekas tanpa melalui proses pemisahan plutonium telah menjadi
pilihan utama pengembangan sistem energi nuklir di masa depan.
1. Penambangan dan Penggilingan
Uranium dapat ditambang melalui teknik terbuka (open cut)
maupun teknik terowongan (underground) tergantung pada kedalaman batuan uranium
yang diketemukan. Sebagai contoh tambang uranium Ranger adalah tambang terbuka
sementara Olympic Dam merupakan tambang bawah tanah (tambang ini juga
memproduksi tembaga, emas dan perak). Kedua tambang uranium tersebut berada di
Australia yang merupakan negara dengan cadangan uranium kategori murah terbesar
di dunia. Bijih uranium hasil penambangan selanjutnya dikirim ke pabrik
pengolah bijih yang umumnya berada di dekat tambang. Di pabrik ini, bijih
uranium dihancurkan secara mekanik, dan kemudian uranium dipisahkan dari
mineral lainnya melalui proses kimia menggunakan larutan asam sulfat. Hasil
akhir dari proses ini berupa konsentrat uranium oksida (U3O8) yang sering
disebut kue kuning atau “Yellow Cake”, meskipun dalam banyak hal berwarna
kecoklatan.
Beberapa tambang uranium di Australia, Amerika Serikat,
dan Kazakhstan menggunakan In Situ Leaching (ISL) untuk mengkstrak uranium
secara langsung dari batuan di dalam tanah dan membawanya ke permukaan dalam
bentuk larutan kaya uranium, yang kemudian diendapkan dan dikeringkan menjadi
padatan uranium oksida. Teknik ini terutama digunakan untuk mengekstrak uranium
yang terdapat dalam batuan di dalam tanah yang tidak ekonomis apabila delakukan
dengan teknik konvensional.
U3O8merupakan produk komersial yang diperjual-belikan di
pasar dunia. Sepuluh negara utama pemroduksi uranium adalah Kanada, Australia,
Kazakhstan, Nigeria, Rusia, Namibia, Afrika Selatan, Ukraina, Amerika Serikat,
dan Uzbekistan. Kanada dan Australia memproduksi uranium hampir 50% dari total
produksi dunia.
Secara kasar, dibutuhkan sekitar 200 ton uranium agar
sebuah reaktor daya 1000 MWe mampu beroperasi selama 1 tahun. Saat ini
permintaan dunia akan uranium relatif stabil, yaitu sekitar 65000 ton/tahun.
2. Konversi Tahapan selanjutnya untuk pembuatan bahan
bakar nuklir adalah proses pemurnian dan konversi Yellow Cake menjadi serbuk
uranium dioksida (UO2) berderajat nuklir. UO2 ini kemudian dikonversi lagi ke
dalam bentuk gas uranium hexafluoride (UF6).
Untuk reaktor nuklir yang menggunakan bahan bakar uranium
alam, yaitu reaktor yang mampu menghasilkan reaksi fisi berantai dengan bahan
bakar uranium alam yang hanya mengandung 0,7% U-235, serbuk UO2 hasil konversi
Yellow Cake dapat langsung dikirim ke pabrik bahan bakar nuklir untuk diproses
menjadi perangkat bakar nuklir yang siap digunakan di dalam reaktor.
Sedangkan untuk reaktor nuklir yang hanya mampu
menghasilkan reaksi fisi berantai dengan bahan bakar uranium diperkaya, serbuk
UO2 hasil proses konversi Yellow Cake perlu diubah ke bentuk gas UF6 sebagai
umpan proses pengayaan (proses peningkatan kadar U-235 dalam bahan bakar
uranium).
Konversi UO2 menjadi UF6 dilakukan dalam dua langkah
proses. Pertama adalah mereaksikan UO2 dengan asam anhydrous HF hingga menjadi
uranium tetrafluorida (UF4). Kemudian UF4 direaksikan dengan gas F2 sehingga
terbentuk UF6.
Negara utama pengoperasi pabrik komersial konversi Yellow
Cake – UF6adalah Kanada, Perancis, Amerika Serikat, Inggris, dan Rusia.
Beberapa negara seperti Cina, India, Aragentina, dan Romania juga
mengoperasikan pabrik konversi tetapi hanya sebatas untuk memenuhi kebutuhan
dalam negrinya sendiri.
3. Pengkayaan
Mayoritas PLTN yang sekarang beroperasi maupun yang sedang
dalam konstruksi memerlukan uranium diperkaya sebagai bahan bakarnya.
Pengkayaan uranium adalah proses meningkatkan kadar U-235 dalam bahan bakar
uranium dari 0,7% (kadar U-235 dalam uranium alam) menjadi sekitar 3 – 5% atau
lebih.
Proses pengkayaan membuang sekitar 85% U-238 melalui
proses pemisahan gas UF6 ke dalam dua aliran, yaitu satu aliran merupakan
uranium yang telah diperkaya dan akan dipergunakan umpan proses fabrikasi bahan
bakar. Sedangkan aliran lainnya adalah aliran buangan atau”tailing” berupa
aliran uranium miskin U-235 yang disebut sebagai uranium deplesi (kadar U-235
kurang dari 0,25%).
Ada dua metode yang secara komersial digunakan untuk
proses pengkayaan uranium, yaitu metode difusi gas dan metode sentrifugasi gas.
Kedua metode ini pada dasarnya menggunakan prinsip yang sama, yaitu beda berat
antara atom U-238 dan atom U-235.
Pada pengayaan metode difusi, gas UF6dialirkan ke membran
berpori. Oleh karena lebih ringan maka atom U-235 akan berdifusi atau bergerak
lebih cepat dibanding atom U-238, sehingga gas UF6 yang lolos membran akan
mengandung U-235 lebih banyak. Untuk mencapai tingkat pengayaan U-235 antara
3–5%, diperlukan sekitar 1400 kali pengulangan proses. Sehingga metode ini
sangat boros energi, kira-kira akan mengonsumsi 3–4 % dari energi listrik
yang dibangkitkannya.
Pada pengayaan metode sentrifugasi, gas UF6diputar dengan
kecepatan sudut tinggi dalam sebuah tabung panjang dan ramping (1–2 m panjang,
15-20 cm diameter). Gaya sentrifugal akan melemparkan isotop U-238 yang lebih
berat menjauh dari pusat rotasi, sedangkan isotop U-235 yang lebih ringan akan
terkonsentrasi di pusat rotasi.
Metode gas sentrifugasi lebih hemat energi dan dapat
dibangun dengan unit yang lebih kecil dibanding metode difusi gas, sehingga
metode ini lebih ekonomis dan secara komersial cepat berkembang.
Pabrik pengkayaan uranium di dunia pertama kali dibangun
di Amerika Serikat dengan metode difusi gas. Beberapa pabrik pengkayaan modern
yang berada di Eropa (Perancis, Inggris, Jerman, Belanda) dan Rusia menggunakan
metode gas sentrifugasi. Negara lain yang mengoperasikan pabrik pengkayaan
uranium komersial adalah Jepang, Cina, Argentina, dan Brazil.
Beberapa tipe PLTN, terutama PLTN Candu di Kanada dan
PLTN generasi awal dengan reaktor berpendingin gas di Inggris tidak memerlukan
bahan bakar uranium diperkaya.
4. Fabrikasi Bahan Bakar
Fabrikasi bahan bakar atau perangkat bakar nuklir diawali
dengan proses konversi UF6yang telah diperkaya (keluaran pabrik pengayaan)
menjadi serbuk uranium dioksida (UO2) yang kemudian dibentuk menjadi pil-pil
(pelet) silinder melalui pengepresan dan diteruskan dengan pemanggangan dalam
suasana gas hidrogen pada temperatur tinggi (1700 oC) hingga membetuk pelet
UO2berderajat keramik yang rapat dan kuat.
Pelet-pelet UO2yang memenuhi persyaratan kualitas
kemudian dimasukkan ke dalam sebuah selongsong dari bahan paduan zirconium
(zircalloy).
Setelah kedua ujung selongsong ditutup dan dilas, batang
bahan bakar (fuel rod) disusun membentuk suatu perangkat bakar (fuel assembly).
Teras PWR 1000 MWe berisi sekitar 160 perangkat bakar.
Total batang bahan bakar yang digunakan mencapai 42000 buah. Setiap batang
bahan bakar kira-kira berisi 300 – 370 pelet UO2 yang masing-masing pelet
beratnya 6 – 7 gram.
Pabrik perangkat bakar PWR terbesar di dunia antara lain
adalah Westinghouse – USA dengan kapasitas produksi 1600 ton/tahun, Global
Nuclear Fuel – Americas dengan kapasitas produksi 1200 ton/tahun, Ulba –
Kazakhstan dengan kapasitas produksi 2000 ton/tahun, TVEL Elektrosal – Rusia
dengan kapasitas produksi 1020 ton/tahun, TVEL Novosibirsk – Rusia dengan
kapasitas produksi 1000 ton/tahun, dan FBFC – Perancis dengan kapasitas
produksi 820 ton/tahun.
Negara lain pengoperasi PLTN yang juga memproduksi
perangka bakar adalah Jepang, Korea Selatan, China, India, Argentina, Brazil,
Inggis (UK), dll. . Reaktor Nuklir
Setelah proses fabrikasi, perangkat bakar nuklir di
masukkan ke dalam teras reaktor. Susunan perangkat bakar (fuel assembly) inilah
yang membentuk struktur inti atau teras reaktor (reactor core). PLTN tipe PWR
dengan daya 1000 MW listrik (MWe) berisi sekitar 75 ton uranium sedikit
diperkaya. Dalam teras reaktor, U-235 mengalami reaksi fisi dan menghasilkan
panas dalam sebuah proses berkesinambungan yang disebut reaksi fisi berantai.
Kelangsungan proses ini sangat bergantung pada moderator seperti air atau
grafit, dan sepenuhnya dikendalikan dengan menggunakan batang kendali.
Di dalam teras reaktor, sejumlah U-238 akan menyerap
neutron hasil reaksi fisi dan berubah menjadi plutonium (Pu-239).
Setengah dari plutonium yang dihasilkan juga mengalami
reaksi fisi dan menghasilkan sepertiga dari energi total reaktor. Untuk
mempertahankan kinerja reaktor, sekitar sepertiga dari bahan bakar yang
digunakan di dalam teras harus diganti dengan bahan bakar baru setiap satu
tahun atau setiap 18 bulan.
6. Penyimpanan Sementara Bahan Bakar Bekas Bahan bakar
bekas sangat radioaktif serta mengeluarkan banyak panas. Untuk penanganan yang
aman dan selamat, bahan bakar bekas yang baru dikelurakan dari reaktor disimpan
dalam kolam khusus yang berada di dekat reaktor untuk menurunkan panas maupun
radioaktivitas. Air di dalam kolam berfungsi sebagai penghalang terhadap
radiasi dan pemindah panas dari baban bakar bekas.
Bahan bakar bekas dapat disimpan di kolam penyimpanan
untuk waktu yang lama (sampai lima puluh tahun atau lebih), sebelum akhirnya
diolah ulang atau dikirim ke pembuangan akhir sebagai limbah (penyimpanan
lestari).
Alternatif lain, setelah tingkat radioaktivitas dan
pemancaran panas bahan bakar bekas menurun drastis, bahan bakar bekas dapat
dikeluarkan dari kolam penyimpanan dan selanjutnya disimpan dengan cara kering.
Perisai radiasi yang cukup murah dan pendinginan alamiah yang bebas perawatan,
menjadikan cara ini menjadi pilihan yang menarik.
7. Reprocessing (Olah Ulang)
Bahan bakar bekas masih mengandung sekitar 96% (480 kg)
uranium dengan kandungan bahan fisil U-235 kurang dari 1%. Kemudian 3% (15 kg)
dari bahan bakar bekas berupa produk fisi yang dapat dikategorikan sebagai
limbah aktivitas tinggi, dan 1% (5 kg) sisanya berupa plutonium (Pu) yang
diproduksi selama bahan bakar berada di dalam reaktor dan tidak mengalami
pembakaran.
Pemisahan uranium dan plutonium dari produk fisi
dilakukan dengan memotong elemen bakar kemudian melarutkannya ke dalam asam.
Uranium yang didapat dari proses pemisahan ini bisa dikonversi kembali menjadi
uranium hexaflourida untuk kemudian dilakukan pengkayaan. Adapun plutonium yang
diperoleh dapat dicampur dengan uranium diperkaya untuk menghasilkan bahan
bakar MOX (Mixed Oxide).
Pabrik bahan bakar MOX komersial yang ada di dunia adalah
Belgia, Perancis, Jerman, Inggris, Rusia, Jepang, Cina, dan India. Amerika
Serikat tidak melakukan olah-ulang terhadap bahan bakar bekas PLTN komersial
yang ada di negaranya. Hingga saat ini Amerika Serikat menganut sistem daur
terbuka atau ”open cycle”.
Beberapa PLTN PWR di dunia khususnya di Eropa telah
menggunakan bahan bakar MOX ini walaupun sifatnya masih parsial, yaitu 20 - 30%
dari bahan bakar yang ada di teras. Jepang dalam waktu dekat ini berencana
untuk memuati sepertiga dari 54 PLTN-nya dengan bahan bakar MOX.
Adapun 3% limbah radioaktif tinggi yang dihasilkan dari
proses olah ulang adalah produk fisi yang jumlahnya sekitar 750 kg pertahun
dari reaktor daya 1000 MWe. Limbah ini mula-mula disimpan dalam bentuk cairan
untuk kemudian dipadatkan.
Proses olah ulang bahan bakar bekas dilakukan di
fasilitas di Eropa dan Rusia dengan kapasitas 5000 ton per tahun, dan total
produksi selama hampir 40 tahun telah mencapai sekitar 90000 ton.
8. Vitrifikasi
Limbah radioaktivitas tinggi dari proses olah ulang dapat
dikalsinasi (dipanaskan pada suhu yang sangat tinggi) sehingga menjadi serbuk
kering yang kemudian di masukkan kedalam borosilikat (pyrex) untuk immobilisasi
limbah. Bahan gelas tersebut kemudian dituangkan ke dalam tabung stainless
steel, masing-masing sebanyak 400 kg limbah gelas. Pengoperasiaan reaktor 1000
MWe selama satu tahun akan menghasilkan limbah gelas tersebut sebanyak 5 ton
atau sekitar 12 tabung stainless setinggi 1,3 meter dan berdiameter 0,4 meter.
Setelah diberi pelindung radiasi yang sesuai, limbah yang sudah diproses ini
kemudian diangkut ke tempat penyimpanan limbah.
Hingga saat ini, siklus bahan bakar nuklir bagian ujung
belakang atau ”back end” hanya sampai pada tahap ini.
Pembuangan akhir dari limbah radioaktifitas tinggi atau
pembuangan akhir bahan bakar bekas yang tidak diolah ulang (siklus terbuka),
masih belum dilakukan.
9. Pembuangan Akhir Limbah
Pembuangan akhir limbah pada prinsipnya adalah
penyimpanan lestari limbah radioaktivitas tinggi yang telah digelasifikasi dan
disegel dalam tabung stainless steel, dan juga penyimpanan lestari bahan bakar
bekas yang telah melalui proses pendinginan yang cukup dan telah disegel dalam
wadah atau “canister” terbuat dari logam tahan korosi seperti tembaga atau
stainless steel.
Secara umum telah dapat diterima bahwa limbah-limbah
tersebut rencananya akan dikubur di batuan stabil di dalam tanah dengan
kedalaman tak kurang dari 500 m di batuan dasar (bed rock). Kebanyakan negara merencanakan
untuk melaksanakan penyimpanan lestari bahan bakar bekas setelah tahun 2010.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar