Uranium

Uranium mula-mula ditemukan oleh Martin klaproth, seorang apoteker Jerman pada tahun 1789.  Uranium dalam keadaan murni merupakan logam yang berat, keras, berwarna abu-abu putih. Nama Uranium diambil dari nama planet Uranus yang ditemukan 8 tahun sebelumnya.

Uranium adalah logam yang mengkilap hampir menyerupai baja.  Pada suhu rendah (< 6580C) uranium mempunyai bentuk kristal orthorombik yang semiplastis dan sedikit lentur.  Sedangkan pada suhu sedang (antara 658-7200C) uranium mempunyai bentuk kristal tetragonal, dan pada suhu tinggi (> 7200C) uranium berbentuk kubus dan bersifat plastis.  Beberapa sifat fisika uranium antara lain berat jenis (kemurnian tinggi) 19.05 g/cm3, berat jenis (kemurnian sedang) 18.85 g/cm3, titik leleh 11320C dan titik didih 38180C.
Sifat khusus uranium ditunjukkan oleh isotopnya yaitu U-235 yang berarti mempunyai 92 proton dan 143 neutron.  Apabila inti U-235 ditembak oleh neutron maka inti makin tidak stabil dan akhirnya membelah, maka terjadilah proses pembelahan/reaksi fisi.  Pada saat reaksi ini terjadi, keluarlah diantaranya panas sebagai sumber energi dan 2 neutron atau lebih yang dapat menembak U-235 sehingga terjadi pembelahan.  Proses inilah yang disebut reaksi berantai. Uranium terbentuk bersamaan dengan terjadinya bumi. Karena itu uranium dapat diketemukan di setiap batuan dan juga di air laut. Batuan yang mengandung uranium kadar tinggi disebut batuan uranium atau ”uranium ore” atau ”pitch-blende”

Saat ini dan di masa depan, uranium merupakan sumber energi penting mengingat kelimpahannya  yang cukup besar. Meskipun demikian uranium dikategorikan sebagai sumber energi tak-terbarukan atau ”non-renewable energy source”. Cadangan uranium yang telah diketahui secara pasti saat ini dan dapat dipungut dengan biaya kurang dari 130 USD/kgU adalah 3,3 juta ton. Cadangan uranium teridentifikasi yang dapat dipungut dengan biaya kurang dari 130 USD/kgU adalah 5,5  juta ton.Adapun uranium yang terkandung dalam batuan phosphate diperkirakan 22 juta ton, dan di air laut adalah 4200 juta ton.

Atom Uranium

Dalam tabel skala unsur-unsur yang diurutkan berdasarkan kenaikan massa inti atom, uranium adalah unsur terberat dari seluruh unsur alamiah (Hidrogen adalah yang paling ringan) dan diklasifikasikan sebagai logam. Uranium memiliki kerapatan atau masa jenis yang besar, sekitar 18,7 kali lipat dibanding air, dengan titik leleh yang relatif tinggi yaitu 1132 ^oC.  Simbul kimiawi untuk unsur ini adalah U.Reaksi pembelahan inti atom dikenal dengan ”fisi nuklir”, dan isotop U-235 disebut sebagai ”bahan fisil”. Isotop uranium U-238 dan U-235 adalah pemancar radiasi alpha dengan energi cukup rendah dan dapat ditahan oleh selembar kertas. Bahaya radiasi akan muncul apabila isotop uranium masuk ke dalam tubuh karena akan merusak jaringan dan dapat  menimbulkan penyakit kanker.

reaksi fisi uranium yang berlangsung di dalam reaktor nuklir

Proses membelah atau “membakar” uranium secara berantai dan terkendali adalah sebagaimana yang terjadi di dalam reaktor nuklir. Panas yang dihasilkan digunakan untuk membangkitkan uap air, dan selanjutnya uap air digunakan untuk memutar turbin dan akhirnya menghasilkanlistrik.

Tabel berikut memberikan gambaran tentang bertapa besarnya kandungan energi dalam bahan bakar uranium dibandingkan sumber energi lainnya.

Kandungan Energi dalam 1 ton berat   (GJ)
Kayu	14
Batubara	29
Minyak	42
Gas alam (cair)	46
Uranium (bahan bakar PLTN - PWR)	630.000

Uranium di dalam Reaktor

Di dalam sebuah reaktor nuklir, bahan bakar uranium dirakit dalam bentuk tertentu sedemikian hingga reaksi fisi  berantai yang terkendali dapat dicapai. Panas yang dihasilkan dari pembelahan U-235 kemudian digunakan untuk membangkitkan uap yang akan memutar turbin dan menggerakkan generator untuk menghasilkan listrik.

Pada dasarnya PLTN dan PLT Fosil, dengan kapasitas yang sama, memiliki banyak kemiripan. Keduanya membutuhkan panas untuk menghasilkan uap guna memutar turbin dan generator. Dalam PLTN, fisi atom uranium menggantikan pembakaran batubara atau gas.

Reaksi fisi berantai yang berlangsung di dalam teras reaktor nuklir dikendalikan oleh batang kendali yang mempunyai sifat menyerap neutron dan dapat ditarik/didorong untuk mengatur reaktor pada tingkat daya yang dibutuhkan.

Di dalam teras reaktor yang menerapkan konsep fisi thermal sebagaimana reaktor PLTN komersial saat ini, bahan bakar uranium dikelilingi oleh materi yang disebut moderator. Bahan ini berfungsi untuk memperlambat kecepatan neutron yang dihasilkan dari reaksi reaksi fisi sehingga memungkinkan terjadinya reaksi berantai. Air, grafit dan air berat biasa digunakan sebagai moderator dalam berbagai jenis reaktor. 

Karena jenis bahan bakar yang digunakan (konsentrasi U-235 dalam bahan bakar uranium hanya 3 - 5%),maka apabilaterjadi malfungsi yang fatal dalam reaktor, bahan bakar dapat saja menjadi terlalu panas dan meleleh, akan tapi tidak dapat meledak seperti bom nuklir.

Ada banyak jenis reaktor nuklir yang digunakan dalam PLTN komersial saat ini, dan yang masuk 3 besar dari 440 PLTN adalah PWR – Pressurized Water Reactor (48%), BWR – Boilling Water Reactor (20,8%), dan PHWR – Pressurized Heavy Water Reactor (7,7%) . Berikut ini adalah skema PLTN tipe PWR.

 

Uranium dan Plutonium

Jika U-235 disebut “bahan fisil”, maka U-238 disebut “bahan fertil”. Disebut fertil karena U-238 dapat menangkap satu neutron dalamterasreaktor dan menjadi Plutonium-239 (Pu-239) yang fisil. Pu-239 memiliki sifat yang sangat mirip dengan U-235, dalam arti, akan mengalami fisi jika ditembak dengan sebuah neutron dan juga melepaskan energi dalam jumlah besar.

reaksi berantai di dalam reaktor

Karena di dalam reaktor nuklir PLTN terdapat U-238 dalam jumlah besar (bahan bakar reaktor PLTN hanya mengandung 3 – 5% U-235, dan sisanya adalah U-238), reaksi U-238 dengan neutron akan terjadi sangat sering. Faktanya sekitar 1/3 energi yang dihasilkan bahan bakar dalam reaktor berasal dari pembelahan Pu-239.

Tapi terkadang Pu-239 dapat menangkap neutron tanpa membelah dan berubah menjadi Pu-240. Karena Pu-239 secara progresif terbakar/membelah atau berubah menjadi Pu-240, maka semakin lama bahan bakar berada di dalam reaktor akan semakin banyak Pu-240 di dalamnya.

Arti penting dari terbentuknya Pu-240 adalah plutonium yang telah dipisahkan dari bahan bakar bekas PLTN yang telah diiradiasi lebih dari 3 tahun tidak dapat digunakan sebagai bahan hulu ledak nuklir, akan tetapi dapat digunakan ulang sebagai bahan bakar PLTN.

Negara Pemilik dan Penambang Uranium

Uranium tersebar dalam batuan dan bahkan dalam air laut. Akan tetapi, seperti logam pada umumnya, uranium jarang terkonsentrasi secara cukup untuk bernilai ekonomis.

Australia memiliki cadangan uranium sekitar 732.000 ton yang dapat ditambang dengan beaya 80 USD/kgU (jauh dibawah harga pasar), Kanada memiliki 345.000 ton uranium. Cadangan uranium Australia dalam kategori ini adalah sekitar 27% cadangan dunia, sedangkan Kanada sekitar 13%. Walaupun kalah dalam jumlah cadangan, faktor politis membuat Kanada lebih unggul dari Australia sebagai penyuplai utama uranium di pasar dunia.

Pada tahun 2005 Australia mengekspor lebih dari 12.000 ton U₃O₈bernilai hampir 600 juta dollar Australia. Produksi aktual adalah sekitar 23% dari total dunia. Kanada menghasilkan hampir 14.000 ton U₃O₈pada tahun 2005, sekitar sepertiga dari total dunia dan sebagian besar diekspor.

Selain Australia dan Kanada, negara lain yang memiliki cadangan uranium signifikan adalah : Kazakhstan (16%), AS, Afrika Selatan, Namibia, Brasil, Nigeria dan Rusia. Beberapa negara lain memiliki sedikit cadangan yang dapat ditambang jika diperlukan.

Total produksi uranium dari penambangan pada tahun 2009 adalah 50.572 tonU, yang-mana 36% diproduksi dengan metode ISL. Kazakhstan merupakan negara pemroduksi terbesar, yaitu 13.820 tonU atau 27%  dari total produksi dunia dari penambangan, diikuti Kanada 20% dan Australia 16%.

Perkiraan produksi pada tahun 2010 adalah 55.000 tonU. Hal ini dikarenakan adanya peningkatan tajam aktivitas penambangan di Kazahkstan dan Namibia.

Uranium dijual hanya kepada negara-negara penandatangan NPT dan mengizinkan inspeksi internasional untuk memverifikasi penggunaannya hanya untuk tujuan damai. Konsumen untuk uranium Australia juga harus memiliki perjanjian safeguard bilateral dengan Australia. Kanada juga memiliki peraturan ini.