Uranium-238

Uranium-238 (238U atau U-238) adalah sebuah isotop uranium yang paling banyak ditemukan di alam, dengan kelimpahan relatif 99%. Tidak seperti uranium-235, ia bersifat non-fisil, yang berarti tidak dapat mempertahankan reaksi nuklir berantai dalam reaktor termal-neutron. Namun, ia dapat difisiasi oleh neutron cepat, dan subur, berarti ia dapat ditransmutasikan menjadi plutonium-239. 238U tidak dapat mendukung reaksi berantai karena hamburan inelastis mengurangi energi neutron di bawah kisaran di mana fisi cepat dari satu atau lebih inti generasi berikutnya dimungkinkan. Perluasan Doppler dari resonansi penyerapan neutron 238U meningkatkan penyerapan seiring dengan kenaikan suhu bahan bakar, juga merupakan mekanisme umpan balik negatif yang penting untuk kontrol reaktor.

Sekitar 99,284% massa uranium alam merupakan uranium-238, yang memiliki waktu paruh 1,41 detik (4,468 tahun, atau 4,468 miliar tahun).
Karena kelimpahan alami dan waktu paruh relatif terhadap unsur radioaktif lainnya, 238U menghasilkan ~40% of dari panas radioaktif yang dihasilkan di dalam Bumi. Deret peluruhan 238U menyumbang 6 elektron anti-neutrino per inti 238U (1 per peluruhan beta), menghasilkan sinyal geoneutrino besar yang dapat dideteksi saat peluruhan terjadi di dalam Bumi.  Peluruhan 238U menjadi isotop anak sering digunakan dalam penanggalan radiometrik, terutama untuk bahan yang lebih tua dari ~ 1 juta tahun.

Uranium terdeplesi memiliki konsentrasi yang lebih tinggi dari isotop 238U, dan bahkan uranium yang diperkaya rendah (low-enriched uranium, LEU), walaupun memiliki proporsi yang lebih tinggi dari isotop uranium-235 (dibandingkan dengan uranium yang terdeplesi), sebagian besar masih merupakan 238U. Uranium yang diproses ulang juga terutama terdiri dari 238U, dengan uranium-235 sebanyak uranium alami, proporsi uranium-236 yang sebanding, dan jumlah isotop uranium lain yang jauh lebih kecil seperti uranium-234, uranium-233, dan uranium-232.

Aplikasi energi nuklir 
Dalam reaktor nuklir fisi, uranium-238 dapat digunakan untuk menghasilkan plutonium-239, yang dengan sendirinya dapat digunakan dalam senjata nuklir atau sebagai pasokan bahan bakar reaktor nuklir. Dalam tipikal reaktor nuklir, hingga sepertiga dari daya yang dihasilkan berasal dari fisi 239Pu, yang tidak disuplai sebagai bahan bakar ke reaktor, melainkan dihasilkan dari 238U. Sejumlah produksi  dari  tidak dapat dihindari dimanapun ia terkena radiasi neutron, namun, tergantung pada pembakaran dan suhu neutron, bagian yang berbeda dari  pada gilirannya dikonversi ke , yang menentukan "jenis" plutonium yang diproduksi dari jenis senjata hingga jenis reaktor hingga plutonium yang sangat tinggi pada  (biasanya menggunakan bahan bakar MOX "daur ulang" yang masuk ke dalam reaktor yang mengandung Plutonium dalam jumlah yang signifikan) sehingga tidak dapat digunakan dalam reaktor saat ini yang beroperasi dengan spektrum neutron termal.

Reaktor pembiak 
238U dapat menghasilkan energi melalui fisi "cepat". Dalam proses ini, neutron yang memiliki energi kinetik lebih dari 1 MeV dapat menyebabkan inti 238U terbelah menjadi dua. Tergantung pada desainnya, proses ini dapat menyumbang sekitar satu hingga sepuluh persen dari semua reaksi fisi dalam reaktor, tetapi terlalu sedikit dari rata-rata 2,5 neutron yang dihasilkan di setiap fisi memiliki kecepatan yang cukup untuk melanjutkan reaksi berantai.

238U dapat digunakan sebagai bahan sumber untuk membuat plutonium-239, yang pada gilirannya dapat digunakan sebagai bahan bakar nuklir. Reaktor pembiak melakukan proses transmutasi untuk mengubah isotop subur 238U menjadi 239Pu yang fisil. Diperkirakan 238U dapat digunakan dalam pembangkit listrik selama 10.000 hingga lima miliar tahun. Teknologi pembiak telah digunakan di beberapa eksperimen reaktor nuklir.

Pada Desember 2005, satu-satunya reaktor pembiak yang menghasilkan daya adalah reaktor BN-600 600 megawatt di Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir Beloyarsk di Rusia. Rusia kemudian membangun unit lain, BN-800, di Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir Beloyarsk yang mulai beroperasi penuh pada November 2016. Juga, reaktor pembiak Monju Jepang, yang sebagian besar tidak beroperasi sejak pertama kali dibangun pada 1986, diperintahkan untuk di-decommissioning pada tahun 2016, setelah bahaya keselamatan dan desain terungkap, dengan tanggal penyelesaian ditetapkan pada tahun 2047. Baik China maupun India telah mengumumkan rencana mereka untuk membangun reaktor pembiak nuklir.

Reaktor pembiak, seperti namanya, menciptakan jumlah yang lebih besar dari 239Pu atau 233U daripada reaktor nuklir fisi.

Reaktor Canggih yang Bersih dan Aman Lingkungan (CAESAR), sebuah konsep reaktor nuklir yang akan menggunakan uap sebagai moderator untuk mengendalikan neutron tertunda, berpotensi dapat menggunakan 238U sebagai bahan bakar setelah reaktor dimulai dengan bahan bakar uranium yang diperkaya rendah (LEU). Desain ini masih dalam tahap awal pengembangan.

Reaktor CANDU 
Uranium alam, dengan 0,7% 235U dapat digunakan sebagai bahan bakar nuklir dalam reaktor yang dirancang khusus untuk menggunakan uranium alam, seperti reaktor CANDU. Dengan memanfaatkan uranium yang tidak diperkaya, desain reaktor semacam itu memberikan negara akses ke tenaga nuklir untuk tujuan produksi listrik tanpa memerlukan pengembangan kemampuan pengayaan bahan bakar, yang sering dilihat awam sebagai awal dari produksi senjata.

Perlindungan radiasi 
238U juga digunakan sebagai perisai radiasi – radiasi alfanya mudah dihentikan oleh selubung perisai non-radioaktif dan berat atom uranium yang tinggi serta jumlah elektron yang tinggi sangat efektif dalam menyerap sinar gama dan sinar-X. Ini tidak seefektif air biasa untuk menghentikan neutron cepat. Uranium terdeplesi metalik uranium dioksida terdeplesi digunakan untuk perisai radiasi. Uranium sekitar lima kali lebih baik sebagai perisai sinar gama daripada timbal, jadi perisai dengan efektivitas yang sama dapat dikemas ke dalam lapisan yang lebih tipis.

DUCRETE, beton yang dibuat dengan agregat uranium dioksida sebagai pengganti kerikil, sedang diselidiki sebagai bahan untuk sistem penyimpanan tong kering untuk menyimpan limbah radioaktif.

Downblending 
Kebalikan dari memperkaya (enriching) adalah downblending. Surplus uranium yang diperkaya tinggi dapat diturunkan dengan uranium terdeplesi atau uranium alami untuk mengubahnya menjadi uranium yang diperkaya rendah yang cocok digunakan dalam bahan bakar nuklir komersial.

238U dari uranium terdeplesi dan uranium alam juga digunakan dengan 239Pu daur ulang dari stok senjata nuklir untuk membuat bahan bakar oksida campuran (MOX), yang kini dialihkan menjadi bahan bakar reaktor nuklir. Pengenceran ini, juga disebut downblending, berarti bahwa setiap negara atau kelompok yang memperoleh bahan bakar jadi harus mengulangi proses pemisahan uranium dan plutonium secara kimia yang sangat mahal dan rumit sebelum merakit senjata.

Senjata nuklir 
Sebagian besar senjata nuklir modern menggunakan 238U sebagai bahan "tamper" (lihat desain senjata nuklir). Sebuah tamper yang mengelilingi inti fisil bekerja untuk memantulkan neutron dan menambahkan inersia pada kompresi muatan 239Pu. Dengan demikian, ini meningkatkan efisiensi senjata dan mengurangi massa kritis yang dibutuhkan. Dalam kasus senjata termonuklir, 238U
dapat digunakan untuk membungkus bahan bakar fusi, fluks tinggi neutron yang sangat energik dari reaksi fusi menyebabkan inti 238U terbelah dan menambahkan lebih banyak energi ke "hasil" senjata. Senjata semacam ini disebut sebagai senjata fisi-fusi-fisi setelah urutan di mana setiap reaksi terjadi. Contoh senjata semacam ini adalah Castle Bravo.

Porsi yang lebih besar dari hasil ledakan total dalam desain ini berasal dari tahap fisi akhir yang dipicu oleh 238U, menghasilkan sejumlah besar produk fisi radioaktif. Misalnya, diperkirakan 77% dari hasil 10,4 megaton dari uji termonuklir Ivy Mike pada tahun 1952 berasal dari fisi cepat dari tamper uranium terdeplesi. Karena uranium terdeplesi tidak memiliki massa kritis, ia dapat ditambahkan ke bom termonuklir dalam jumlah yang hampir tidak terbatas. Uji coba Tsar Bomba yang dilakukan oleh Uni Soviet pada tahun 1961 menghasilkan "hanya" 50 megaton daya ledak, lebih dari 90% di antaranya berasal dari fisi yang disebabkan oleh neutron yang disuplai fusi, karena tahap akhir 238U telah diganti dengan timbal. Seandainya 238U digunakan sebagai gantinya, hasil Tsar Bomba bisa saja jauh di atas 100 megaton, dan itu akan menghasilkan luruhan nuklir yang setara dengan sepertiga dari total global yang telah diproduksi hingga saat itu.

Deret radium (atau deret uranium)  
Rantai peluruhan dari 238U biasanya disebut "deret radium" (kadang-kadang "deret uranium"). Dimulai dengan uranium-238 yang terjadi secara alami, deret ini mencakup unsur-unsur berikut: astatin, bismut, timbal, polonium, protaktinium, radium, radon, talium, dan torium. Semua produk peluruhan ada untuk saat ini, setidaknya untuk sementara, dalam sampel yang mengandung uranium, baik logam, senyawa, atau mineral. Peluruhan berlangsung sebagai:

Rata-rata masa hidup dari 238U adalah 1,41 detik dibagi 0,693 (atau dikalikan 1,443), yaitu sekitar  2 detik, jadi 1 mol 238U memancarkan 3 partikel alfa per detik, menghasilkan jumlah atom torium-234 yang sama. Dalam sistem tertutup, kesetimbangan akan tercapai, dengan semua jumlah kecuali timbal-206 dan 238U dalam rasio tetap, dalam jumlah yang perlahan-lahan menurun. Jumlah 206Pb akan meningkat, sedangkan 238U berkurang; semua langkah dalam rantai peluruhan memiliki laju yang sama yaitu 3 partikel meluruh per detik per mol 238U.

Torium-234 memiliki masa hidup rata-rata 3 detik, jadi ada kesetimbangan jika satu mol 238U mengandung 9 atom torium-234, yaitu 1,5 mol (perbandingan dua waktu paruh). Demikian pula, dalam kesetimbangan dalam sistem tertutup, jumlah setiap produk peluruhan, kecuali produk akhir, timbal, sebanding dengan waktu paruhnya.

Walaupun 238U sedikit radioaktif, produk peluruhannya, torium-234 and protaktinium-234, adalah pemancar partikel beta dengan waktu paruh masing-masing sekitar 20 hari dan satu menit. Protaktinium-234 meluruh menjadi uranium-234, yang memiliki waktu paruh ratusan ribu tahun, dan isotop ini tidak mencapai konsentrasi kesetimbangan untuk waktu yang sangat lama. Ketika dua isotop pertama dalam rantai peluruhan mencapai konsentrasi kesetimbangan yang relatif kecil, sampel 238U yang awalnya murni akan memancarkan tiga kali radiasi karena 238U itu sendiri, dan sebagian besar radiasi ini adalah partikel beta.

Seperti yang telah disinggung di atas, ketika memulai dengan 238U murni, dalam skala waktu manusia, kesetimbangan hanya berlaku untuk tiga langkah pertama dalam rantai peluruhan. Jadi, untuk satu mol 238U, 3 kali per detik satu partikel alfa dan dua partikel beta serta sinar gama dihasilkan, bersama-sama sebesar 6,7 MeV, dengan laju 3 µW. Diekstrapolasi selama 2 detik, ini adalah 600 gigajoule, energi total yang dilepaskan dalam tiga langkah pertama dalam rantai peluruhan.

Penanggalan radioaktif 
Kelimpahan 238U dan peluruhannya menjadi isotop anak terdiri dari beberapa teknik "penanggalan uranium" dan merupakan salah satu isotop radioaktif paling umum yang digunakan dalam penanggalan radiometrik. Metode penanggalan yang paling umum adalah penanggalan uranium–timbal, yang digunakan untuk penanggalan batuan yang berusia lebih dari 1 juta tahun dan telah memberikan usia untuk batuan tertua di Bumi pada usia 4,4 miliar tahun.

Hubungan antara 238U dan 234U memberikan indikasi umur sedimen dan air laut antara 100.000 tahun sampai 1,2 juta tahun.

Produk anak 238U, 206Pb, merupakan bagian integral dari penanggalan timbal–timbal, yang paling terkenal untuk penentuan usia Bumi.

Pesawat ruang angkasa dari program Voyager membawa sejumlah kecil 238U yang awalnya murni di sampul piringan emas mereka untuk memfasilitasi penanggalan dengan cara yang sama.

Masalah kesehatan 
Uranium memancarkan partikel alfa melalui proses peluruhan alfa. Paparan eksternal memiliki efek terbatas. Paparan internal yang signifikan terhadap partikel kecil uranium atau produk peluruhannya, seperti torium-230, radium-226, dan radon-dapat menyebabkan efek kesehatan yang parah, seperti kanker tulang atau hati.

Uranium juga merupakan bahan kimia beracun, yang berarti bahwa konsumsi uranium dapat menyebabkan kerusakan ginjal dari sifat kimianya lebih cepat, daripada sifat radioaktifnya yang akan menyebabkan kanker tulang atau hati.

Lihat pula 
 Penanggalan uranium–timbal
 Uranium terdeplesi

Referensi

Pranala luar 
 NLM Hazardous Substances Databank – Uranium, Radioactive

Bahan nuklir
Isotop
Uranium
Aktinida