Fisi dan Fusi Nuklir

Fisi nuklir membelah inti yang sangat berat menjadi inti-inti yang lebih kecil. Fusi nuklir menggabungkan inti-inti ringan menjadi inti yang lebih berat. Keduanya dapat melepaskan energi, tetapi hanya jika inti akhir lebih terikat kuat daripada inti awal.

Kondisi itu lebih penting daripada kata kerja "membelah" atau "menggabungkan". Jika produk memiliki energi ikat per nukleon yang lebih tinggi, massa diam total sedikit berkurang dan selisihnya dapat muncul sebagai energi yang dilepaskan:

$$E = \Delta m c^2$$

Jika Anda hanya mengingat satu gagasan, gunakan ini: reaksi cenderung melepaskan energi ketika inti bergerak menuju daerah besi-nikel, tempat energi ikat per nukleon relatif tinggi.

Apa Itu Fisi Nuklir

Dalam fisi nuklir, sebuah inti yang sangat berat pecah menjadi dua inti yang lebih kecil, sering kali disertai neutron bebas dan radiasi gamma. Contoh standar adalah inti uranium yang menyerap sebuah neutron lalu menjadi cukup tidak stabil untuk terbelah.

Fisi paling menguntungkan untuk inti yang sangat berat. Inti-inti ini dapat menurunkan energi sistem dengan berubah menjadi inti bermassa menengah yang lebih terikat kuat per nukleon.

Pada beberapa material, neutron yang dipancarkan dapat memicu peristiwa fisi lainnya. Hal ini memungkinkan terjadinya reaksi berantai, tetapi hanya jika keseimbangan neutron dan susunan fisiknya mendukung.

Apa Itu Fusi Nuklir

Dalam fusi nuklir, dua inti ringan bergabung menjadi inti yang lebih berat. Di bintang, fusi adalah sumber energi utama. Di Bumi, riset fusi berfokus pada penciptaan kondisi agar inti-inti ringan dapat cukup dekat sehingga gaya nuklir kuat dapat mengatasi tolak-menolak listrik di antara keduanya.

Fusi paling menguntungkan untuk inti yang sangat ringan. Ketika inti-inti itu bergabung menjadi inti yang agak lebih berat, produknya dapat lebih terikat kuat per nukleon, sehingga reaksi dapat melepaskan energi.

Namun, itu tidak berarti fusi mudah dimulai. Karena inti bermuatan positif saling tolak-menolak, fusi biasanya memerlukan suhu yang sangat tinggi dan pengungkungan yang cukup agar tumbukan yang berguna dapat terjadi.

Mengapa Keduanya Dapat Melepaskan Energi

Energi ikat adalah energi yang berkaitan dengan menjaga inti tetap menyatu. Energi ikat per nukleon yang lebih tinggi biasanya berarti inti lebih stabil.

Jika Anda menggambar grafik energi ikat per nukleon terhadap nomor massa, kurvanya naik untuk inti ringan, mencapai maksimum yang cukup lebar di sekitar daerah besi-nikel, lalu perlahan turun untuk inti yang sangat berat.

Satu kurva ini menjelaskan kedua proses:

• Inti ringan dapat melepaskan energi dengan berfusi menuju puncak.
• Inti yang sangat berat dapat melepaskan energi dengan mengalami fisi menuju puncak.

Inti-inti yang berada dekat puncak tidak banyak diuntungkan baik dengan membelah maupun bergabung, itulah sebabnya tidak setiap reaksi nuklir melepaskan energi.

Contoh Penyelesaian: Gunakan Kurva Energi Ikat

Misalkan Anda ingin memprediksi apakah suatu reaksi nuklir kemungkinan akan melepaskan energi tanpa harus menghafal banyak kasus khusus. Gunakan satu pertanyaan: setelah reaksi, apakah inti-inti menjadi lebih dekat ke puncak kurva energi ikat per nukleon?

Mulailah dengan inti berat seperti uranium. Jika inti itu terbelah menjadi inti-inti bermassa menengah, produknya bergerak lebih dekat ke daerah besi-nikel dibandingkan inti semula. Itu berarti inti akhir biasanya lebih terikat kuat, sehingga massa diam total sedikit lebih kecil dan energi dapat dilepaskan.

Sekarang bandingkan dengan dua inti yang sangat ringan seperti isotop hidrogen. Jika keduanya berfusi menjadi inti yang lebih berat dan lebih dekat ke puncak yang sama, keadaan akhirnya kembali lebih terikat kuat. Logikanya sama persis meskipun reaksinya tampak berbeda.

Jadi uji energinya sama dalam kedua kasus:

$$\text{more tightly bound final nuclei} \Rightarrow \text{energy released}$$

Ini adalah cara paling jelas untuk membandingkan fisi dan fusi tanpa tersesat dalam aturan-aturan yang terpisah.

Fisi vs. Fusi dalam Praktik

Fisi biasanya dimulai dari inti yang sangat berat, dapat menghasilkan neutron tambahan, dan dapat mendukung reaksi berantai dalam kondisi yang tepat.

Fusi biasanya dimulai dari inti yang sangat ringan, tidak bergantung pada reaksi berantai yang digerakkan neutron dengan cara yang sama, dan memerlukan kondisi ekstrem untuk mengatasi tolak-menolak elektrostatik.

Keduanya dapat melepaskan energi yang sangat besar per reaksi dibandingkan reaksi kimia biasa, karena energi ikat nuklir jauh lebih besar daripada energi ikatan yang terlibat dalam kimia.

Kesalahan Umum tentang Fisi dan Fusi

Mengira membelah selalu melepaskan energi

Tidak selalu. Fisi menguntungkan secara energetik terutama untuk inti yang cukup berat. Membelah inti yang sudah berada dekat daerah besi-nikel umumnya tidak melepaskan energi dengan cara yang sama.

Mengira menggabungkan selalu melepaskan energi

Tidak selalu. Fusi melepaskan energi terutama untuk inti ringan yang bergerak menuju puncak energi ikat. Mencoba memfusikan inti jauh melampaui daerah itu tidak akan terus melepaskan energi tanpa batas.

Mengatakan massa "dimusnahkan"

Yang berubah adalah bentuk energi dalam sistem. Jika produk memiliki massa diam yang lebih kecil, selisihnya muncul sebagai bentuk energi lain, seperti energi kinetik atau radiasi. Energi total tetap kekal.

Mencampuradukkan reaksi nuklir dengan reaksi kimia

Reaksi kimia melibatkan susunan elektron dan ikatan kimia. Reaksi nuklir melibatkan inti itu sendiri, sehingga skala energinya jauh lebih besar.

Menganggap fusi otomatis lebih bersih atau lebih sederhana

Fusi memang tidak menghasilkan fragmen fisi yang sama seperti reaktor fisi, tetapi sistem fusi nyata tetap menghadapi tantangan rekayasa yang serius, termasuk kerusakan akibat neutron, penanganan bahan bakar, dan pengungkungan.

Di Mana Gagasan Ini Digunakan

Fisi digunakan dalam reaktor tenaga nuklir dan sangat penting dalam pembahasan desain reaktor, siklus bahan bakar, dan pengendalian neutron.

Fusi menjelaskan bagaimana bintang menghasilkan energi dan menjadi dasar riset fusi modern, termasuk pendekatan pengungkungan magnetik dan pengungkungan inersial.

Gagasan dasar tentang energi ikat ini juga muncul dalam astrofisika nuklir, perhitungan cacat massa, dan pertanyaan tentang mengapa beberapa inti stabil sementara yang lain meluruh atau bereaksi.

Coba Soal Serupa

Cobalah versi Anda sendiri dengan mengajukan satu pertanyaan terlebih dahulu: apakah reaksi itu menggeser inti menuju atau menjauhi daerah besi-nikel pada kurva energi ikat per nukleon? Pemeriksaan itu biasanya sudah memberi tahu apakah pelepasan energi masuk akal sebelum Anda menyentuh angka apa pun. Jika Anda ingin mengeksplorasi kasus lain, GPAI Solver dapat membantu Anda menelusuri soal cacat massa atau energi ikat langkah demi langkah.