Fisi nuklir
Dalam fisika nuklir dan kimia nuklir, fisi nuklir adalah reaksi nuklir saat nukleus atom terbagi menjadi bagian-bagian yang lebih kecil (nuklei yang lebih ringan), yang seringkali menghasilkan foton dan neutron bebas (dalam bentuk sinar gamma), dan melepaskan energi yang sangat besar. Dua nuklei yang dihasilkan biasanya ukurannya sebanding, dengan rasio massa sekitar 3:2 untuk
isotop fisil. Fisi yang biasanya terjadi adalah fisi biner, namun kadang-kadang (2 hingga 4 kali per 1000 peristiwa), tiga pecahan bermuatan positif dihasilkan dalam fisi ternari. Bagian terkecil dari ketiga nuklei ini ukurannya bervariasi antara sebesar proton hingga nukleus argon.
Reaksi nuklir energetik ini biasanya dipicu oleh neutron, meskipun kadang-kadang fisi juga dianggap sebagai salah satu bentuk peluruhan radioaktif spontan, terutama dalam isotop dengan nomor massa yang sangat besar. Komposisi hasil yang tak dapat diprediksi (yang bervariasi dalam kemungkinan yang beragam dan ketidakberaturan) membedakan fisi dari proses penerowongan kuantum murni seperti
emisi proton, peluruhan alfa, dan peluruhan kluster, yang menghasilkan produk yang sama setiap saat.
Fisi elemen berat merupakan reaksi eksotermik yang dapat melepaskan energi yang besar, baik sebagai radiasi elektromagnetik maupun energi kinetik pecahan. Agar fisi dapat menghasilkan energi, jumlah energi pengikat dari unsur yang dihasilkan harus lebih besar daripada unsur awal. Fisi merupakan salah satu bentuk transmutasi nuklir karena pecahan yang dihasilkan tidak sama dengan unsur atom awalnya.
Fisi nuklir menghasilkan energi listrik dan dimanfaatkan sebagai senjata. Pemanfaatan tersebut mungkin dilakukan karena substansi tertentu yang disebut bahan nuklir mengalami fisi saat terkena neutron fisi, dan lalu menghasilkan neutron saat mereka terbagi. Hal ini memungkinkan reaksi berantai yang melepaskan energi dalam tingkat yang terkontrol di reaktor nuklir atau dalam tingkat yang sangat cepat dan tak terkontrol dalam senjata nuklir.
Jumlah energi bebas yang dikandung dalam bahan bakar nuklir adalah jutaan kali jumlah energi bebas dalam bahan bakar kimia dengan massa yang sama (contohnya bensin), sehingga fisi nuklir merupakan sumber energi yang sangat padat. Akan tetapi, hasil dari fisi nuklir memiliki sifat radioaktif yang jauh lebih besar, sehingga menimbulkan masalah limbah nuklir. Kekhawatiran akan limbah nuklir dan daya hancur senjata nuklir telah memicu perdebatan.
Produk dari reaksi fisi uranium, bervariasi, menghasilkan atom-atom yang bermassa lebih kecil, seperti: Ba, Kr, Zr, Te, Sr, Cs, I, La dan Xe,dengan massa atom sekitar 95 dan 135. Sedangkan, produk dari reaksi fisi plutonium, mempunyai massa atom sekitar 100 dan 135. Rata-rata reaksi fisi pada Uranium-235 (U-235) dan Plutonium-239 (Pu-239) yang disebabkan oleh neutron.
Fisi nuklir dapat muncul tanpa adanya penembakan neutron, sebagai tipe dari peluruhan radioaktif. Tipe fisi yang ini disebut sebagai fisi spontan, dan jarang terjadi kecuali pada sedikit jenis isotop yang sangat berat. Pada alat-alat yang berteknologi nuklir, semua fisi nuklirnya muncul sebagai sebuah "reaksi nuklir"- sebuah proses yang dijalankan oleh penembakan yang dihasilkan dari
tabrakan 2 partikel subatomik. Pada reaksi nuklir, sebuah partikel subatomik bertabrakan dengan sebuah nukleus atom dan menyebabkan perubahan padanya. Reaksi nuklir kemudian dijalankan oleh mekanika penembakan, bukan oleh peluruhan eksponensial yang relatif konstan dan karakteristik waktu paruh dari proses radioaktif spontan.
Banyak tipe dari reaksi nuklir yang saat ini sudah diketahui. Fisi nuklir berbeda sama sekali dengan tipe-tipe reaksi nuklir lainnya. Fisi nuklir dapat diperkuat dan dapat dikontrol melalui reaksi rantai nuklir. Dalam sebuah reaksi, setiap neutron yang dilepaskan oleh setiap reaksi fisi dapat menyebabkan reaksi fisi lainnya, sehingga akan melepaskan lebih banyak neutron lagi dan menyebabkan lebih banyak reaksi fisi lagi.
Isotop elemen kimia yang dapat meneruskan reaksi rantai fisi disebut bahan bakar nuklir, dan bersifat "fisil". Jenis bahan bakar nuklir yang paling umum adalah U (isotop uranium dengan massa atom 235 dan digunakan di reaktor nuklir) dan Pu (isotop plutonium dengan massa atom 239). Bahan bakar nuklir ini akan terpecah menjadi 2 bagian membentuk elemen kimia dengan massa atom mendekati 95 dan 135
u (produk fisi). Kebanyakan bahan bakar nuklir melalui tahap fisi spontan dengan amat lambat, meluruh melalui sebuah reaksi peluruhan partikel alfa/partikel beta dengan waktu sampai bermilenium-milenium. Dalam reaktor nuklir atai senjata nuklir, reaksi fisi yang besar ini disebabkan karena induksi neutron yang dihasilkan dari reaksi fisi sebelumnya.
Beberapa unsur berat, seperti uranium, thorium, dan plutonium, mengalami fisi spontan (yang merupakan salah satu bentuk peluruhan radioaktif) dan "fisi terinduksi" (salah satu bentuk reaksi nuklir). Isotop unsur yang mengalami fisi terinduksi saat terkena neutron bebas disebut fisionabel; isotop yang mengalami fisi saat terkena neutron termal juga disebut fisil. Beberapa fisil dan isotop tertentu (terutama U dan Pu) disebut bahan bakar nuklir karena dapat menopang reaksi berantai.
Semua isotop fisionabel dan fisil mengalami sedikit fisi spontan, yang melepaskan beberapa neutron bebas ke bahan bakar nuklir. Neutron tersebut akan dengan cepat lepas dari bahan bakar dan menjadi neutron bebas, dengan rata-rata 15 menit sebelum meluruh menjadi proton dan partikel beta. Akan tetapi, neutron hampir selalu berdampak dan diserap oleh nuklei lain di daerah sekitar sebelum ini terjadi (neutron fisi yang baru terbentuk
bergerak dengan kecepatan 7% laju cahaya). Beberapa neutron akan memengaruhi nuklei bahan bakar dan memicu fisi lanjutan, yang melepaskan lebih banyak neutron. Jika bahan bakar nuklir dikumpulkan di satu tempat, atau jika neutron yang lepas dapat ditahan, maka neutron yang baru saja dihasilkan tersebut melebihi neutron yang lepas, dan "reaksi berantai nuklir terus-menerus" akan berlangsung.
Reaktor fisi kritis adalah jenis reaktor nuklir yang paling umum. Di dalam reaktor fisi kritis, neutron yang diproduksi oleh fisi dari atom bahan bakar digunakan untuk menginduksi reaksi fisi lainnya, sehingga untuk menjaga agar energi yang dilepaskan bisa dikendalikan. Alat yang dapat melakukan reaksi fisi tetapi tidak bisa mandiri disebut sebagai reaktor fisi subkritis. Beberapa alat menggunakan peluruhan radioaktif atau akselerator partikel untuk menggerakkan fisi.
Reaktor fisi kritis biasanya dibangun untuk 3 tujuan utama, yang dilihat dari hasil panas yang bisa diambil atau neutron yang diproduksi dari reaksi rantai nuklir:Pada dasarnya, semua reaktor fisi dapat digunakan untuk ketiga fungsi di atas. Tapi, karena tiap reaktor memiliki tujuan masing-masing maka biasanya hanya satu tugas utama saja. Reaktor pembangkit listrik
biasanya mengubah energi kinetik dari hasil fisi menjadi panas yang nantinya akan digunakan untuk memanaskan fluida kerja dan menjalankan sebuah mesin panas yang nantinya menghasilkan listrik. Fluida kerja ini biasanya adalah air dengan turbin uap, tetapi beberapa desain lainnya menggunakan gas helium. Reaktor-reaktor fisi ini mengeluarkan limbah berupa limbah radioaktif yang sangat sulit
dibuang dengan aman, oleh karena itu biasanya limbah ini dibuang di tempat yang tahan radioaktif, misalnya di bawah tanah. Reaktor penelitian memproduksi neutron yang digunakan untuk berbagai macam keperluan, tetapi panas yang dihasilkan fisi diperlakukan sebagai produk buangan yang tidak dapat dihindari. Reaktor peranakan adalah bentuk khusus dari reaktor penelitian, sampel yang
menjadi penelitian biasanya adalah bahan bakarnya sendiri, yang merupakan sebuah campuran dari U dan U. Untuk deskripsi yang lebih jauh mengenai sifat-sifat fisika dan pengoperasian dari reaktor fisi kritis, silahkan lihat fisika reaktor nuklir. Untuk deskripsi mengenai aspek sosial, politik, dan lingkungan, silahkan lihat daya nuklir.