Mari Menyambut Thorium, Bahan Bakar Nuklir Baru

Bahan bakar nuklir baru dapat memajukan tenaga nuklir global jauh lebih cepat daripada reaktor nuklir baru. Industri nuklir telah fokus pada desain reaktor baru untuk menangani berbagai masalah seperti perubahan iklim, mendukung energi terbarukan, dan menggantikan bahan bakar fosil dengan alternatif yang dapat diandalkan.

Ini hebat dan pasti akan menjadi bagian dari solusi jangka panjang apapun. Namun, reaktor baru akan butuh waktu untuk menjadi cukup umum, agar manfaat optimalnya nyata. Hal ini terutama berlaku di negara-negara berkembang di mana kemiskinan energi harus segera diatasi untuk memberantas kemiskinan global dan konsekuensi buruknya, seperti perang dan terorisme. Dari semua aktivitas manusia, kemiskinan mungkin yang paling parah efeknya pada lingkungan.

Namun, reaktor yang sudah ada dapat melompat maju jauh lebih cepat dengan menggunakan jenis bahan bakar nuklir canggih yang baru.

Berbagai jenis bahan bakar nuklir baru sedang dikembangkan untuk dapat digunakan pada reaktor generasi baru dan yang sudah ada, termasuk yang tahan terhadap kecelakaan, lebih tahan lama, lebih murah, menghasilkan lebih banyak energi, mendaur ulang sebagian bahan bakar sebelumnya, memberikan kemudahan dalam pengisian bahan bakar, lebih mudah untuk disimpan dan dibuang, dan tidak mudah dialihfungsikan untuk pembuatan senjata nuklir.

Contoh inovasi ini adalah bahan bakar dari Clean Core Thorium Energy (CCTE) yang dapat mengatasi beberapa masalah sekaligus. Disebut Advanced Nuclear Energy for Enriched Life (ANEEL), bahan bakar mereka menggabungkan thorium (Th) dan HALEU (High Assay Low Enriched Uranium) untuk mengatasi biaya, alihfungsi, dan limbah. Tidak ada pengolahan lebih lanjut dalam bahan bakar ini.

Thorium kira-kira tiga kali lebih banyak dibanding uranium di kerak bumi dan dapat diekstraksi dari air laut, meskipun tidak sebanyak di kerak bumi.

Uranium alami hanya mengandung 0,7% uranium-235 (U-235), yang mudah terbelah. Sisanya adalah U-238, yang tidak mudah terbelah, dan harus diperkaya menjadi sekitar 5% U-235 untuk mempertahankan reaksi berantai yang berkelanjutan di sebagian besar reaktor nuklir. Pengecualian adalah reaktor CANDU (Canada Deuterium Uranium) / PHWR (Pressurized Heavy Water Reactor) yang menggunakan uranium alami dan air berat (heavy water, D2O – Deuterium adalah hidrogen dengan satu neutron di intinya).

Telah lama diketahui bahwa tingkat pengayaan U-235 yang lebih tinggi akan memberikan lebih banyak energi per massa bahan bakar, selain memberikan umur yang lebih lama untuk inti reaktor, memungkinkan ukuran pembangkit yang lebih kecil, dan memberikan laju pembakaran yang lebih tinggi untuk limbah nuklir.

Semua reaktor air ringan (LWR) yang ada di dunia menggunakan bahan bakar yang diperkaya sekitar 5% U-235. Namun, banyak konsep reaktor canggih memerlukan HALEU, yang diperkaya pada tingkat yang lebih tinggi – antara 5% dan 20%. Reaktor CANDU/PHWR dapat sangat diuntungkan dari HALEU.

Pengayaan di atas 20% dianggap sangat diperkaya dan tidak dapat diterima untuk aplikasi sipil internasional.

*****

Bahan bakar ANEEL yang disebutkan di atas adalah kombinasi eksklusif Thorium dan HALEU, dengan Uranium U-238 yang jauh lebih sedikit dari bahan bakar biasa, kurang dari 20% dibandingkan dengan lebih dari 94% yang digunakan dalam reaktor LWR. Sebagian besar bahan bakar adalah matriks Thorium yang didorong oleh Uranium U-235 sebagai pemicu fisil dengan menyediakan neutron yang cukup untuk fisi yang berkelanjutan.

Th-232 menangkap neutron dan berubah menjadi U-233 yang juga fisil dan mulai menyediakan lebih banyak neutron dan energi. Pada saat yang sama, U-238 menangkap neutron, berubah menjadi Pu-239 yang juga fisi, hampir secepat ia tercipta.

Dengan semua fisi yang terjadi, laju pembakaran dalam bahan bakar ANEEL sangat tinggi, memberikan lebih banyak energi dalam reaktor dari jumlah bahan bakar yang sama.

Bahkan, laju pembakaran ANEEL yang lebih dari 50 GWd/t (Gigawatt days per tonne of fuel), jauh lebih tinggi dari laju pembakaran bahan bakar uranium alami yang digunakan pada reaktor CANDU/PHWR saat ini, yaitu hanya sekitar 7 GWd/t, sehingga reaktor hanya membutuhkan sekitar sepersepuluh jumlah bahan bakar selama masa pakainya, yang menghasilkan penghematan dan manfaat signifikan dalam biaya operasi, bahan bakar, dan pengelolaan limbah.

Selain itu, thorium dan pembakaran yang lebih tinggi menyebabkan resistensi proliferasi yang lebih kuat sepanjang siklus hidup bahan bakar yang disebabkan oleh pembakaran Pu yang mendalam. Hal ini meningkatkan jumlah Pu-240 dan Pu-242 yang berkembang biak di dalam bahan bakar, yang merupakan racun neutron yang sangat efektif untuk mencegah reaksi berantai tak terkontrol yang diperlukan untuk senjata nuklir.

*****

Reaktor CANDU/PHWR umumnya menggunakan uranium alami (0,7% U-235) oksida sebagai bahan bakar, sehingga mereka membutuhkan moderator yang lebih efisien (bahan yang melambatkan atau memoderasi kecepatan neutron sehingga ia mengenai inti selanjutnya pada kecepatan yang tepat untuk membelah, atau fisil). Dalam hal ini, reaktor ini menggunakan heavy water (D2O).

Berbeda dengan LWR, reaktor CANDU/PHWR tidak perlu dimatikan untuk pengisian ulang bahan bakar karena desainnya, dan dapat diisi ulang saat beroperasi penuh.

Setelah 150 hari operasi awal dalam reaktor CANDU/PHWR yang lebih kecil saat ini (200-300 MWe), delapan bungkus uranium alami, yang beratnya sekitar 15 kg, harus diganti setiap hari selama sisa masa operasi reaktor selama 60 tahun.

Namun, dengan bahan bakar ANEEL, yang beratnya hanya sekitar 10,65 kg, setelah 1.100 hari operasi awal, rata-rata hanya satu bungkus yang akan diganti selama sisa masa operasi reaktor selama 60 tahun, yang artinya hanya seperdelapan limbah bahan bakar nuklir dibandingkan dengan uranium alami.

Demikian pula, CANDU/PHWR 600 MWe yang menggunakan 37 PIN uranium alami membutuhkan 348.000 bungkus bahan bakar selama 60 tahun. Dengan menggunakan bahan bakar ANEEL, CANDU/PHWR 600 MWe hanya memerlukan 61.500 bungkus bahan bakar selama 60 tahun.

Ini akan menghasilkan penghematan sekitar USD 2 miliar (sekitar Rp 30 triliun) untuk biaya bahan bakar, pembuangan langsung limbah bahan bakar habis pakai, dan biaya operasional selama 60 tahun umur reaktor.

*****

Maka kini ada peluang untuk memanfaatkan keunggulan tersebut dengan menggunakan bahan bakar ANEEL di CANDUs/PHWRs di seluruh dunia yang direncanakan untuk direnovasi, di mana umur reaktor akan diperpanjang selama 30 hingga 40 tahun lagi.

Ini dikombinasikan dengan pembakaran bahan bakar ANEEL yang lebih tinggi mengurangi limbah lebih dari 80% bahan bakar habis pakai, yang berarti mengurangi pengisian ulang, menjadikan biaya lebih rendah, penanganan bahan bakar yang lebih sedikit, dan volume yang lebih kecil untuk dibuang.

ANEEL adalah contoh sempurna dari bahan bakar canggih yang dirancang untuk memaksimalkan manfaat dari armada reaktor yang ada, khususnya CANDU/PHWR. Selain itu, konsep bahan bakar Thorium dapat diadopsi untuk reaktor air ringan yang ada atau reaktor modular kecil (SMR) yang sedang dikembangkan.

Sudah saatnya kita menggunakan Thorium untuk masa depan yang hijau dan berkelanjutan.

Sumber:
New Nuclear Fuel Can Be Here Even Faster Than New Reactors