Keselamatan kekritisan nuklir

Keselamatan kekritisan nuklir adalah bidang teknik nuklir yang didedikasikan untuk pencegahan kecelakaan nuklir dan radiasi yang dihasilkan dari reaksi berantai nuklir mandiri yang tidak disengaja.

Keselamatan kekritisan nuklir berkaitan dengan mengurangi konsekuensi dari kecelakaan kekritisan nuklir. Kecelakaan kekritisan nuklir terjadi dari operasi yang melibatkan bahan fisil dan mengakibatkan pelepasan radiasi yang tiba-tiba dan berpotensi mematikan.

Praktisi keselamatan kekritisan nuklir berupaya mencegah kecelakaan kekritisan nuklir dengan menganalisis kondisi abnormal yang normal dan kredibel dalam operasi bahan fisil dan merancang pengaturan yang aman untuk pemrosesan bahan fisil. Praktik umum adalah menerapkan analisis kontinjensi ganda pada operasi di mana dua atau lebih perubahan kondisi proses yang independen, bersamaan dan tidak mungkin terjadi harus terjadi sebelum kecelakaan kekritisan nuklir dapat terjadi. Sebagai contoh, perubahan pertama dalam kondisi mungkin penggenangan penuh atau sebagian dan yang kedua mengubah penataan ulang bahan fisil.

Kontrol (persyaratan) pada parameter proses (misalnya massa bahan fisil, peralatan) dihasilkan dari analisis ini. Kontrol ini, baik pasif (fisik), aktif (mekanis), atau administratif (manusia), diimplementasikan dengan desain pabrik yang aman atau toleran terhadap kesalahan, atau, jika desain tersebut tidak dapat dipraktikkan, dengan kontrol administratif seperti prosedur pengoperasian, instruksi kerja, dan cara lain untuk meminimalkan potensi perubahan proses yang signifikan yang dapat menyebabkan kecelakaan kekritisan nuklir.^[1][2][3]

Kecelakaan kekritisan, kadang-kadang juga disebut ekskursi atau ekskursi daya, adalah kecelakaan nuklir berupa peningkatan tak disengaja dalam reaksi berantai nuklir dan tidak terkendali dalam bahan fisil, seperti uranium atau plutonium yang diperkaya. Ini melepaskan gelombang radiasi neutron yang sangat berbahaya bagi manusia dan menyebabkan radioaktivitas yang diinduksi di sekitarnya. Peristiwa ini disertai dengan pancaran radiasi neutron dan gamma yang mungkin intens dan cepat berakibat fatal. Kecelakaan kekritisan dapat didefinisikan sebagai pelepasan energi yang tidak disengaja yang terjadi sebagai akibat dari reaksi berantai fisi. Situasi seperti itu dapat terjadi dalam suatu instalasi ketika jumlah bahan fisil yang ada lebih besar daripada massa kritis yang bergantung pada geometri dan sifat fisiko-kimia lingkungan yang dipertimbangkan. Ekskursi tenaga disertai dengan emisi intens neutron dan radiasi gamma serta pelepasan produk fisi.

Fisi nuklir kritis atau superkritis (dengan daya tetap atau meningkat) umumnya terjadi di dalam inti reaktor nuklir dan kadang-kadang dalam situasi percobaan. Kecelakaan kekritisan terjadi ketika reaksi kritis yang tidak diinginkan terjadi. Meskipun berbahaya, kecelakaan kekritisan biasanya tidak dapat mereproduksi kondisi desain senjata nuklir fisi, sehingga tidak menyebabkan ledakan nuklir. Panas yang dilepaskan oleh reaksi nuklir biasanya menyebabkan pemuaian bahan fisil, sedemikian rupa sehingga reaksi nuklir menjadi subkritis setelah beberapa detik, berhenti. Dalam sejarah pengembangan energi atom, enam puluh kecelakaan kekritisan telah terjadi di timbunan bahan fisil di luar reaktor nuklir dan beberapa di antaranya mengakibatkan kematian, akibat paparan radiasi, dari mereka yang paling dekat dengan peristiwa tersebut. Namun, tidak ada yang mengakibatkan ledakan.

Kekritisan terjadi ketika terlalu banyak bahan fisil berada di satu tempat. Kekritisan dapat dicapai dengan menggunakan logam uranium atau plutonium atau dengan mencampurkan senyawa atau larutan cair dari unsur-unsur tersebut. Campuran isotop, bentuk bahan, komposisi kimia larutan, senyawa, paduan, bahan komposit, dan bahan di sekitarnya semuanya mempengaruhi apakah bahan akan menjadi kritis, misalnya mempertahankan reaksi berantai.

Dalam keadaan normal, reaksi fisi kritis atau superkritis (reaksi yang mampu bertahan sendiri atau meningkatkan daya) seharusnya hanya terjadi di dalam lokasi yang terlindung dengan aman, seperti teras reaktor atau lingkungan pengujian yang sesuai. Kecelakaan kekritisan terjadi jika reaksi yang sama terjadi secara tidak sengaja, misalnya di lingkungan yang tidak aman atau selama perawatan reaktor.

Meskipun berbahaya dan sering mematikan bagi manusia di area terdekat, massa kritis yang terbentuk tidak akan mampu menghasilkan ledakan nuklir masif seperti yang dirancang untuk dihasilkan oleh bom fisi. Ini karena semua fitur desain yang diperlukan untuk membuat hulu ledak nuklir tidak dapat muncul secara kebetulan. Dalam beberapa kasus, panas yang dilepaskan oleh reaksi berantai akan menyebabkan bahan fisil (dan bahan terdekat lainnya) mengembang. Dalam kasus seperti itu, reaksi berantai dapat menetap ke kondisi tunak berdaya rendah atau bahkan dapat dimatikan sementara atau permanen (subkritis).

Kecelakaan tersebut bisa berakibat fatal bagi orang yang berada di dekat tempat terjadinya kecelakaan; mereka biasanya mengembangkan sindrom radiasi akut (penyakit radiasi) dalam beberapa jam, kerusakan sel sel dam kromosom untuk membelah diri tidak berfungsi, terutama bagian yang terkena paparan. Menurut rekomendasi ICRP, pekerja radiasi yang di tempat kerjanya terkena radiasi tidak boleh menerima dosis radiasi lebih dari 50 mSv per tahun dan rata-rata pertahun selama 5 tahun tidak boleh lebih dari 20 mSv. Nilai maksimum ini disebut Nilai Batas Dosis (NBD).

Radiasi bahan atau proses nuklir dapat dengan mudah dideteksi dengan dosimetri radiasi instrumentasi dan detektor "sistem alarm kecelakaan kekritisan" yang dikerahkan dengan benar.

Faktor paling penting pada bahan inti nuklir yang mempengaruhi keselamatan kekritisan nuklir terutama pada terapan perencanaan desain awal inti reaktor nuklir daya PLTN maupun riset adalah:^[4]

• Massa
• Volume
• Shape bentuk
• Kepadatan (konsentrasi)
• Moderasi
• Refleksi cerminan
• Racun neutron (penyerapan)
• Interaksi

Saat ini terdapat berbagai jenis desain reaktor nuklir dan bahan bakar inti reaktor nuklir.

Sebagai analisis sederhana, suatu sistem akan benar-benar kritis jika laju produksi neutron dari fisi benar-benar seimbang dengan laju di mana neutron diserap atau hilang dari sistem karena kebocoran. Sistem subkritis yang aman dapat dirancang dengan memastikan bahwa laju gabungan potensial penyerapan dan kebocoran selalu melebihi laju potensial produksi neutron.

Parameter yang mempengaruhi kekritisan sistem dapat diingat menggunakan MAGICMERV mnemonik. Beberapa parameter ini tidak independen satu sama lain; misalnya, mengubah massa akan menghasilkan perubahan volume antara lain.

Massa : Probabilitas fisi meningkat dengan meningkatnya jumlah total inti fisi. Hubungannya tidak linier. Jika benda fisil memiliki ukuran dan bentuk tertentu tetapi densitas dan massa bervariasi, ada ambang batas yang di bawahnya kekritisan tidak dapat terjadi. Ambang batas ini disebut massa kritis.

Penyerapan : Penyerapan menghilangkan neutron dari sistem. Penyerap dalam jumlah besar digunakan untuk mengontrol atau mengurangi kemungkinan kekritisan. Penyerap yang baik adalah boron, kadmium, gadolinium, perak, dan indium.

Geometri /bentuk : Bentuk sistem fisil mempengaruhi seberapa mudah neutron dapat keluar (bocor) darinya, dalam hal ini mereka tidak tersedia untuk menyebabkan peristiwa fisi pada bahan fisil. Oleh karena itu, bentuk bahan fisil mempengaruhi probabilitas terjadinya peristiwa fisi. Bentuk dengan luas permukaan yang besar, seperti lempengan tipis, mendukung kebocoran dan lebih aman daripada bahan fisil dalam jumlah yang sama dalam bentuk yang kecil dan padat seperti kubus atau bola.

Interaksi unit : Neutron yang bocor dari satu unit dapat masuk ke unit lainnya. Dua unit, yang dengan sendirinya sub-kritis, dapat berinteraksi satu sama lain untuk membentuk sistem kritis. Jarak yang memisahkan unit dan bahan apa pun di antara mereka memengaruhi efeknya.

Konsentrasi /Kepadatan : Reaksi neutron yang mengarah pada hamburan, penangkapan, atau reaksi fisi lebih mungkin terjadi pada bahan padat; sebaliknya neutron lebih mungkin untuk melarikan diri (bocor) dari bahan kepadatan rendah.

Moderasi : Neutron yang dihasilkan dari fisi biasanya cepat (energi tinggi). Neutron cepat ini tidak menyebabkan fisi secepat yang lebih lambat (kurang energik). Neutron diperlambat (dimoderatori) oleh tumbukan dengan inti atom. Inti moderator yang paling efektif adalah hidrogen, deuterium, berilium, dan karbon. Karenanya bahan hidrogen termasuk minyak, polietilen, air, kayu, parafin, dan tubuh manusia adalah moderator yang baik. Perhatikan bahwa moderasi berasal dari tabrakan; oleh karena itu kebanyakan moderator juga merupakan reflektor yang baik.

Pengayaan : Probabilitas neutron bereaksi dengan inti fisil dipengaruhi oleh jumlah relatif inti fisil dan non-fisil dalam suatu sistem. Proses peningkatan jumlah relatif inti fisil dalam suatu sistem disebut pengayaan. Biasanya, pengayaan yang rendah berarti kemungkinan kekritisan yang lebih kecil dan pengayaan yang tinggi berarti kemungkinan yang lebih besar.

Refleksi : Ketika neutron bertabrakan dengan partikel atom lain ( terutama inti) dan tidak diserap, mereka tersebar (yaitu mereka mengubah arah). Jika perubahan arah cukup besar, neutron yang baru saja keluar dari benda fisil dapat dibelokkan kembali ke dalamnya, meningkatkan kemungkinan fisi. Ini disebut 'refleksi'. Reflektor yang baik meliputi hidrogen, berilium , karbon, timbal, uranium, air, polietilen, beton, Tungsten karbida , dan baja.

Volume : Untuk benda bahan fisil dalam bentuk apa pun, peningkatan ukuran benda akan meningkatkan jarak rata-rata yang harus ditempuh neutron sebelum dapat mencapai permukaan dan lepas . Oleh karena itu, meningkatkan ukuran tubuh meningkatkan kemungkinan fisi dan mengurangi kemungkinan kebocoran. Oleh karena itu, untuk bentuk apa pun dan kondisi refleksi akan ada ukuran yang memberikan keseimbangan yang tepat antara laju produksi neutron dan laju gabungan penyerapan dan kebocoran. Ini adalah ukuran kritis.

Parameter lainnya termasuk:

Suhu : Parameter khusus ini kurang umum untuk praktisi keselamatan kekritisan, seperti di lingkungan operasi tipikal, di mana variasi suhu minimal, atau di mana kenaikan suhu tidak mempengaruhi kekritisan sistem, seringkali, diasumsikan bahwa suhu ruangan membatasi suhu sebenarnya dari sistem yang sedang dianalisis. Namun ini hanya asumsi, penting bagi praktisi keselamatan kekritisan untuk memahami di mana hal ini tidak berlaku, seperti reaktor suhu tinggi, atau eksperimen kriogenik suhu rendah.

Heterogenitas : Pencampuran serbuk fisil ke dalam larutan, penggilingan serbuk atau sisa, atau proses lain yang memengaruhi struktur skala kecil bahan fisil adalah penting. Sementara biasanya disebut sebagai kontrol heterogenitas, umumnya yang menjadi perhatian adalah menjaga homogenitas karena kasus homogen biasanya kurang reaktif. Khususnya, pada pengayaan yang lebih rendah suatu sistem mungkin lebih reaktif dalam konfigurasi heterogen dibandingkan dengan konfigurasi homogen.

Bentuk fisikokimia : Terdiri dari pengendalian keadaan fisik (yaitu, padat, cair, atau gas) dan bentuk (misalnya, larutan, bubuk, pelet hijau atau sinter, atau logam) dan/atau komposisi kimia (misalnya, uranium heksafluorida, uranil fluorida, plutonium nitrat, atau campuran oksida) dari bahan fisil tertentu. Bentuk fisikokimia secara tidak langsung dapat mempengaruhi parameter lain seperti densitas, moderasi, dan serapan neutron.

• Massa kritis
• Kekritisan (status)
• Kecelakaan kekritisan