Soal Dan Pembahasan Inti Atom Dan Imtek Nuklir IPA Kelas XII

1. Massa inti atom 20Ca40 adalah 40,078 sma. Jika massa proton = 1,0078 sma dan neutron = 1,0087 sma, defek massa pembentukan 20Ca40adalah..... A. 0,165 sma B. 0,252 sma C. 0,262 sma D. 0,320 sma E. 0,330 sma Pembahasan: Diketahui: Z = 20 A = 40  N = A –  A –  Z  Z = 40 –  40 –  20  20 = 20 mi = 40,078 sma mP = 1,0078 sma m N = 1,0087 Ditanya: Δm = ... Jawab:Δm = [(Z . mP + N . m N) –  m  mi] Δm = [(20 . 1,0078 + 20 . 1,0087) –  40,078]   40,078] Δm = (20,156 + 20,174) –  40,078  40,078 Δm = 40,33 –  40,078  40,078 = 0,252 sma  Jawaban: B

2. Massa inti 4Be9 = 9,0121 sma, massa proton = 1,0078, massa neutron = 1,0086 sma. Jika 1 sma setara dengan energi sebesar 931 Mev, maka energi ikat atom 4Be9 adalah... A. 51,39 MeV B. 57,82 MeV C. 62,10 MeV D. 90,12 MeV E. 90,74 MeV Pembahasan Energi ikat: E = ((mp + mn) - mi) . 931 MeV E = ((4 . 1,0078 + 5 . 1,0086) - 9,0121) 931 MeV E = (4,0312 + 5,043) - 9,0121) 931 MeV E = 57,82 MeV  Jawaban: B

3. Perhatikan reaksi fusi berikut: 1H2 + 1H2 → 1H3+ 1H1 + energi Jika massa inti 1H2 = 2,0141 sma, 1H3 = 3,0160 sma dan 1H1 = 1,0078 sma, maka energi yang dihasilkan pada reaksi fusi tersebut adalah... A. 5,0964 MeV B. 5,0443 MeV C. 4,0964 MeV D. 4,0878 MeV E. 4,0778 MeV Pembahasan E = (m 1H2 + m 1H2 ) - (m 1H3 + m 1H1 ) 931 MeV E = (2,0141 + 2,0141) - (3,0160 + 1,0078) 931 MeV E = (4,0282 - 4,0238) 931 MeV E = 4,0964 MeV  Jawaban: C 

4. Apabila massa inti 6C12 = 12, massa proton = 1,00783 sma, dan massa neutron = 1,008665 sma (1 sma = 931 MeV), maka energi ikat inti tersebut adalah... A. 41,107 MeV B. 47,110 MeV C. 72,141 MeV D. 92,141 MeV E. 107,92 MeV Pembahasan: Diketahui: mP = 1,00783 sma m N = 1,008665 sma m 6C12 = 12 sma Ditanya: E = ... Terlebih dahulu hitung Δm. Δm = [(Z . mP + N . mN) –  mi]  mi] Δm = [(6 . 1,00783 + 6 . 1,008665) –  12]  12] Δm = (6,04698 + 6,05199) –  12  12  12 = 0,09897 sma Δm = 12,09897–  12 Menghitung E. E = Δm . 931 MeV = 0,09897 . 931 MeV E = 92,141 MeV  Jawaban:D

5. Pernyataan-pernyataan berikut ini: 1) Terapi radiasi 2) Mengukur kandungan air tanah 3) Sebagai perunut 4) Menentukan umur fosil Yang merupakan pemanfaatan radioisotop dibidang kesehatan adalah... A. 1, 2, 3, dan 4 B. 1, 2, dan 3 C. 1 dan 3 D. 2 dan 4 E. 4 saja  Jawaban: C 

6. Pokok teori atom thomson dititikberatkan pada . . . . A. Atom terdiri dari elektron - elektron B. Elektron sebagai penyusun utama atom C. Atom sebagai bola masif yang hanya berisi elektron D. Atom sebagai bola masif bermuatan positif yang di dalamnya tersebar elektron sehingga keseluruhannya bersifat netral E. proton dan elektron adalah bagian penyusun atom yang keduanya saling meniadakan. Pembahasan : Teori atom Thomson Atom terdiri dar inti bermuatan positif dan elektron yang menyebar rata di permuakaan atom. Model atom thomson dikenal juga dengan model atom roti kismis. Jawaban : D

7. Teori yang menjadi dasar munculnya teori atom modern adalah . . . . A. spektrum atom hidrogen B. tabung sinar katode C. penghamburan sinar alfa D. adanya sinar saluran E. mekanika gelombang Pembahasan : Dasar munculnya teori atom modern adalah adanya teori mekanika gelombang yang dikemukakan oleh Heisenberg, Shcrodinger dan de Broglie. Jawaban : E 8. Kelemahan teori atom rutherford adalah tidak adanya penjelasan . . . . . A. Partikel penyusun inti atom B. Massa atom yang berpusat pada inti C. Elektron yang bergerak mengitari inti pada jarak tertentu D. Inti atom bermuatan positif E. elektron yang memiliki energi yang tetap Pembahasan : Elektron yang tidak melepas dan menyerap energi dijelaskan oleh teori atom Bohr Jawaban : E 9. Penemu neutron adalah . . . . A. William Crookes B. Goldstein C. James Chadwick D. Sir Humphry Davy E. J.J Thomson Pembahasan Penemu partikel dasar penyusun atom  Neutron = J. Chadwick Elektron = J.J Thomson Proton = Goldstein Jawaban : C 10. Partikel bermuatan positif yang terdapat dalam inti atom adalah . . . . . A. proton B. inti atom C. neutron D. elektron E. atom Pembahasan : Partikel dasar dalam inti atom: Proton = muatannya positif  Neutron = tidak bermuatan/ netral Sehingga muatan inti nantinya ditentukan oleh proton yang bermuatan positif

A. Soal dan Pembahasan IMTEK NUKLIR 1. Apa yang dimaksud dengan reaksi Nuklir ? 

Reaksi Nuklir adalah reaksi yang melibatkan atom-atom bahan nuklir di dalam sebuah reaktor nuklir. Reaksi nuklir ini dibedakan menjadi 2, yaitu reaksi fisi dan reaksi fusi. Sedangkan reaktor nuklir juga dibagi 2, yaitu reaktor penelitian untuk pembuatan radioisotop dan analisa sampel, serta reaktor daya yang digunakan untuk membangkitkan listrik.

2. Secara umum reaksi Nuklir dapat dibedakan menjadi reaksi fusi dan fisi. Jelaskan apa yang dimaksud dengan reaksi fusi dan fisi ! 



Reaksi fisi adalah reaksi nuklir di mana inti atom, yang terikat oleh gaya terkuat di alam semesta atau "Gaya Nuklir Kuat" terbelah menjadi fragmen-fragmen. Bahan utama yang digunakan dalam percobaan fisi adalah "uranium" karena atom uranium adalah salah satu atom terberat. Dengan kata lain, terdapat banyak proton dan netron di dalam inti atomnya. Dalam percobaan fisi, dilakukan penembakkan sebuah netron pada inti uranium dengan kecepatan tinggi. Setelah netron diserap inti uranium, inti uranium menjadi sangat tidak stabil. Inti atom yang tidak stabil ini berarti ada perbedaan jumlah  proton dan netron di dalam inti yang menyebabkan ketidakseimbangan di dalam strukturnya. Karena itu, inti memulai pembelahan menjadi fragmen dan memancarkan sejumlah energi untuk menghilangkan ketidakseimbangan ini. Inti atom di bawah  pengaruh energi yang dilepaskan, mulai mengeluarkan komponen-komponen komponen-ko mponen yang dimilikinya dengan kecepatan tinggi. Reaksi fusi adalah kebalikan dari reaksi fisi, di mana reaksi fusi merupakan proses  penyatuan dua inti ringan menjadi inti yang lebih berat dan menggunakan energi  pengikat yang dilepaskan. Salah satu reaksi fusi alam terbesar adalah matahari. Reaksi fusi terjadi pada matahari sepanjang tahun. Panas dan sinar yang datang dari matahari adalah hasil fusi antara hidrogen dan helium, dan energi dilepaskan sebagai ganti materi yang hilang selama perubahan ini. Setiap detik, matahari mengubah 564 juta ton hidrogen menjadi 560 juta ton helium. 4 juta ton sisa materi diubah menjadi energi. Kejadian luar biasa ini menghasilkan tenaga matahari yang sangat vital bagi kehidupan di planet kita, dan telah berjalan selama jutaan tahun tanpa jeda.

3. Energi Nuklir didefinisikan sebagai energi yang dibebaskan dalam proses reaksi Nuklir, seperti dalam reaksi fisi. Darimanakah sumber energi Nuklir tersebut ? 



Secara umum, energi nuklir dapat dihasilkan melalui dua macam mekanisme, yaitu  pembelahan inti atau reaksi fisi dan penggabungan penggabu ngan beberapa inti melalui reaksi fusi. Sumber energi nuklir berasal dari : Uranium, Thorium, dan Plutonium

4. Jelaskan apa yang dimaksud dengan Bom Nuklir, Bom Fisi dan Bom Fusi ! 



Bom Nuklir : Bom Bom Nuklir / Bom Atom / Bom-A Bom-A membuat ledakan dasyat karena ada reaksi fisi atau reaksi pembelahan atom unsur Uranium. Unsur Uranium memecahmecahkan dirinya sehingga menimbulkan energi yang besar melebihi ledakan dari 500.000 dinamit. Bom Fisi : Reaktor fisi yang didesain untuk melepaskan sebanyak mungkin energi dalam waktu sesingkat mungkin, energi yang terlepas ini akan menyebabkan reaktornya meledak dan akhirnya reaksi rantainya berhenti. Pengembangan senjata nuklir

merupakan penelitian lanjutan dari fisi nuklir yang dilakukan oleh Militer A.S. selama Perang selama Perang Dunia II. 

Bom Fusi : Bom yang mempunyai tenaga dari reaksi fusi inti –inti atom hidrogen berat yang disebut deutron. Bom ini mampu meledak ratusan kali lebih dahsyat dari bom atom karena didahului oleh reaksi fisi (Pembelahan) yang merangsang terjadinya reaksi fusi (penggabungan atom hidrogen). Supaya bisa terjadi reaksi fusi maka inti atom ini harus  berada pada suhu yang sangat tinggi dengan berorde jutaan derjat celcius. Reaksi fusi terjadi pada matahari yang merupakan sumber energi di bumi. Maka pada bom hidrogen ini dipasang bom atom untuk mengawali ledakan sehingga menimbulkan suhu yang sangat tinggi, sebab hanya ledakan fisi U-235 atau fisi Pu-239 yang dapat mencapai suhu setinggi ini. Jika suhu itu sudah sangat tinggi rekasi fusi akan bisa terjadi. Maka dapat disimpulkan pada bom Hidrogen terdapat 2 bom nuklir, yaitu bom atom terjadi melalui reaksi fisi dilanjutkan ledakan besar akibat dari reaksi fusi. Hasil dari reaksi ini berupa gas He dan dalam reaksi di lepaskan neutron cepat.

5. Reaktor Nuklir adalah sebuah sistem tempat mengontrol dan mempertahankan terjadinya reaksi Nuklir berantai. Sebutkan komponen-komponen Reaktor Nuklir ! 

Komponen-komponen reaktor nuklir adalah :  Bahan  Alat  Air

bakar (Uranium)

pengendali

pendingin

 Tangki

6. Bahan bakar reaktor Nuklir saat ini adalah nuklida U-235 yang bisa ditambang dari alam. Jelaskan beberapa proses tahapan dalam pembuatan bahan bakar Reaktor Nuklir ! 





Penambangan dan Penggilingan. Uranium dapat ditambang melalui teknik terbuka (open cut) maupun teknik terowongan (underground) tergantung pada kedalaman batuan uranium yang diketemukan. 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. Proses Pemurnian dan Konversi. 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). 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. Pengkayaan.   Pengkayaan uranium adalah proses meningkatkan kadar U-235 dalam  bahan bakar uranium dari 0,7% (kadar U-235 dalam uranium alam) menjadi sekitar 3 –  3 –  5% atau lebih. Proses pengkayaan membuang sekitar 85% U-238 melalui proses  pemisahan gas UF6 ke dalam dua aliran, yaitu satu aliran merupakan merupak an uranium yang telah diperkaya dan akan dipergunakan umpan proses fabrikasi bahan bakar. Sedangkan aliran lainnya adalah aliran buangan buangan atau”tailing” berupa aliran uranium miskin U-235 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 UF6 dialirkan ke membran berpori. Oleh karena lebih ringan maka atom U235 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%, 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 UF6 diputar 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. Penggunaan metode ini lebih hemat energi dan dapat cepat  berkembang. 

Fabrikasi Bahan Bakar Fabrikasi bahan bakar atau perangkat bakar nuklir diawali dengan proses konversi UF6 yang 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 tin ggi (1700 (170 0 oC) o C) hingga membetuk pelet UO2 U O2 berderajat b erderajat keramik yang rapat dan kuat. Pelet-pelet UO2 yang 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).

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). 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. 



Penyimpanan Sementara. Penyimpanan Sementara 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. Penyimpanan ini dapat dilakukan dalam jangka waktu yang lama (sampai lima puluh tahun atau lebih), sebelum akhirnya diolah ulang atau dikirim ke  pembuangan akhir sebagai limbah (penyimpanan lestari). Reprocessing (Olah Ulang). 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 3% limbah radioaktif tinggi yang dihasilkan dari proses olah ulang adalah produk fisi yang  jumlahnya sekitar sek itar 750 kg pertahun p ertahun dari d ari reaktor daya 1000 MWe. Limbah ini mula -mula disimpan dalam bentuk cairan untuk kemudian dipadatkan.





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. 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.

7. Jelaskan proses pembangkitan listrik PLTN ! 

Pada prinsipnya, proses kerja PLTN sama dengan PLTU, yaitu, air diuapkan di dalam suatu ketel melalui pembakaran. Uap yang dihasilkan dialirkan ke turbin yang akan  bergerak apabila ada tekanan uap. Perputaran turbin digunakan untuk menggerakkan generator seporos dengan turbin uap, sehingga menghasilkan tenaga listrik. Perbedaan PLTN dan PLTU terdapat pada bahan bakar yang digunakan untuk menghasilkan panas. Pada PLTU menggunakan bahan bakar fosil seperti batubara, minyak dan gas. Dampak  pembakaran bahan bakar fosil ini dapat mengeluarkan CO2, SO2, dan Nitrogen Oksida. Sedangkan pada PLTN bahan yang yang digunakan adalah reaksi pembelahan inti  bahan fisil yaitu uranium uraniu m dalam raktor nuklir. Di dalam reaktor terjadi reaksi fisi bahan  bakar uranium sehingga menghasilkan energi panas, kemudian air di dalam reaktor dididihkan, energi kinetik uap air yang didapat digunakan untuk memutar turbin sehingga menghasilkan listrik untuk diteruskan ke jaringan transmisi.Sebagai pemindah  panas biasa digunakan air yang disirkulasikan secara terus menerus selama PLTN  beroperasi.

8. Amankah PLTN itu ? Bagaimana keselamatan PLTN ? 

PLTN itu merupakan pembangkit listrik yang aman dan ramah lingkungan. Keselamatan PLTN pun terjamin, karena memiliki beberapa sistem keamanan yang lengkap dan ketat, yaitu : a. Keselamatan terpasang   : Keselamatan terpasang dirancang berdasarkan sifat-sifat alamiah air dan uranium. Bila suhu dalam teras reaktor naik, jumlah neutron yang tidak tertangkap maupun yang tidak mengalami proses perlambatan akan bertambah, sehingga reaksi pembelahan berkurang. Akibatnya panas yang dihasilkan juga  berkurang. Sifat ini akan menjamin bahwa teras reactor tidak akan rusak walaupun system kendali gagal beroperasi. b. Penghalang ganda  : PLTN mempunyai sistem pengamanan yang ketat dan berlapislapis, sehingga kemungkinan terjadi kecelakaan maupun akibat yang ditimbulkan sangat kecil. Sebagai contoh, zat radioaktif yang dihasilkan selama reaksi  pembelahan inti uranium sebagian besar akan tetap tersimpan di dalam matriks bahan  bakar, yang berfungsi sebagai penghalang pertama. Selama operasi maupun jika terjadi kecelakaan, selongsong bahan bakar, akan berperan sebagai penghalang kedua

untuk mencegah terlepasnya zat radioaktif tersebut keluar. Kalau zat radioaktif masih dapat keluar dari dalam selongsong, masih ada penghalang ketiga yaitu sistem  pendingin. Lepas dari sistim pendingin, masih ada penghalang keempat berupa  bejana tekan terbuat dari baja dengan tebal + 20 cm. Penghalang kelima adalah  perisai beton dengan tebal teb al 1,5 - 2 m. Bila saja zat radioaktif itu masih ada yang lolos dari perisai beton, masih ada penghalang keenam, yaitu sistem pengungkung yang terdiri dari pelat baja setebal + 7 cm dan beton setebal 1,5 - 2 m yang kedap udara. c. Pertahanan berlapis  : 1. Keselamatan pertama : PLTN dirancang, dibangun dan dioperasikan sesuai dengan ketentuan yang sangat ketat, mutu dan teknologi yang tinggi. 2. Keselamatan kedua ked ua : PLTN dilengkapi dilen gkapi dengan den gan sistem pengamanan dan keselamatan yang digunakan untuk mencegah dan mengatasi akibat-akibat dari kecelakaan yang mungkin dapat terjadi selama PLTN digunakan. 3. Keselamatan ketiga : PLTN dilengkapi dengan sistem pengamanan tambahan, yang dapat diandalkan untuk dapat mengatasi kecelakaan hipotesis, atau kecelakaan terparah yang diperkirakan dapat terjadi pada suatu PLTN.  Namun kecelakaan tersebut kemungkinannya tidak akan pernah terjadi selama umur PLTN.