Bisakah fusi nuklir memberi energi bebas emisi tak terbatas?

Lintas 12 – Bisakah fusi nuklir memberi kita energi bebas emisi tak terbatas?

Fusi nuklir telah lama digembar-gemborkan sebagai masa depan energi. Mereplikasi proses yang menggerakkan matahari di Bumi menjanjikan pasokan energi terbarukan yang tak ada habisnya tanpa gas rumah kaca. Konsep ini telah mempesona penulis fiksi ilmiah – tetapi telah menghindari para ilmuwan selama beberapa dekade.

Namun, sekarang ada beberapa proyek yang memasuki fase kritis. Waktunya tidak bisa lebih baik karena fusi bisa menjadi kartu truf dalam pencarian dunia untuk energi bebas emisi.

Membawa matahari ke Bumi

Fusi mungkin terdengar futuristik, tetapi lebih tua dari planet kita. Kehidupan itu sendiri tidak bisa berkembang tanpa itu.

Setelah Big Bang, awan hidrogen terkonsolidasi untuk membentuk bintang seperti matahari kita, dan bintang-bintang ini didukung oleh fusi. Dalam inti bintang, gaya gravitasi dan suhu 15 juta derajat Celcius menciptakan gas atau plasma super panas, yang menyebabkan atom hidrogen bertabrakan satu sama lain dan bergabung untuk membentuk unsur yang lebih berat, helium. Dalam proses ini, sejumlah besar energi dilepaskan – terutama dalam bentuk cahaya dan panas.

Menciptakan kembali kondisi di inti matahari kita di Bumi adalah tantangan, untuk sedikitnya, yang menjelaskan mengapa energi fusi telah menjadi cawan suci untuk sains dan teknik.
Seperti Makoto Sugimoto, Direktur proyek fusi ITER di Institut Nasional Jepang untuk Ilmu dan Teknologi Kuantum dan Radiologi (QST), menjelaskan: “Fusi nuklir sangat rumit baik secara ilmiah maupun teknis – ini adalah perjalanan panjang. Fisika plasma tidak hanya harus dipelajari – karena perilaku plasma rumit – tetapi Anda juga memiliki tantangan teknik untuk memenuhi suhu, kepadatan, dan waktu kurungan yang diperlukan untuk mencapai fusi. ”
Terlepas dari kesulitan yang melekat, fusi sebagai sumber energi tetap menjadi prospek yang menggiurkan, katanya. “Karena reaktor fusi berhenti ketika ada kesalahan atau kesalahan, reaksi fusi secara inheren aman.”

Tidak hanya itu, ia menambahkan, tetapi tidak menghasilkan limbah nuklir berumur panjang, dan bahan bakar fusi hampir tak habis-habisnya – mereka dapat ditemukan atau disuling dari air laut.

“Meskipun fusi secara teknis bukan energi terbarukan, pada dasarnya itu hal yang sama.”

Mengembangkan teknologi

Reaktor fusi menggunakan dua isotop hidrogen, deuterium dan tritium, yang telah terbukti paling efektif dalam pengaturan laboratorium. Itu berarti mereka menghasilkan kenaikan energi tertinggi pada suhu ‘terendah’.

Deuterium dapat dengan mudah diekstraksi dari air laut dan infrastruktur sudah ada untuk melakukannya, karena deuterium digunakan dalam berbagai pengaturan ilmiah dan industri. Tritium dapat dibuat melalui kontak dengan lithium, yang juga dapat diekstraksi dari air laut. Dinding di dalam reaktor fusi dilapisi dengan ‘selimut’ yang mengandung lithium untuk ‘membiakkan’ tritium sesuai permintaan saat proses fusi terungkap.

Tuntutan pada reaktor fusi – secara efektif membawa energi matahari ke Bumi – sangat tinggi. Banyak kemajuan ilmiah harus datang bersama-sama untuk membawa kita lebih dekat untuk memberikan pada urutan tinggi ini.

“Membuat fusi menjadi kenyataan yang diperlukan pengembangan teknologi terdepan di bidang superkonduktivitas, vakum tinggi, dan kriogenik,” Makoto Sugimoto di QST menunjukkan.

Ini juga alasan mengapa fusi telah sulit dipahami, dengan banyak teknologi yang memungkinkan hanya tersedia secara bertahap dari waktu ke waktu.

Masukkan tokamak

Maka mengejutkan, bahwa bentuk reaktor fusi yang paling banyak digunakan – yang disebut tokamak – dikembangkan di Rusia sejak tahun 1950-an dan 60-an. Nama itu sendiri adalah akronim Rusia untuk “ruang toroidal dengan kumparan magnetik.”

Dan itu sesuai dengan namanya.

Tokamak adalah ruang vakum berbentuk donat (toroidal) yang menggunakan medan elektromagnetik yang sangat kuat untuk mempertahankan dan membatasi plasma super-dipanaskan yang diciptakan oleh campuran bahan bakar deuterium-tritium – pada suhu antara 150 dan 300 juta derajat Celcius.

Tokamak terbesar di dunia saat ini sedang dibangun di Prancis selatan sebagai bagian dari proyek penelitian dan rekayasa fusi ITER. Untuk membangun medan penahanannya membutuhkan berbagai magnet yang kuat. Ini termasuk 18 kumparan medan toroidal dengan berat masing-masing lebih dari 300 metrik ton dan tinggi sekitar 17 meter. Dirancang untuk anggota ITER Jepang, QST, oleh Mitsubishi Heavy Industries, mereka dikatakan sebagai magnet superkonduktif terbesar dan paling kuat yang pernah dibuat.

Seperti yang dijelaskan Masahiko Inoue, direktur proyek ITER di MHI, magnet akan mengalami ribuan metrik ton beban elektromagnetik dan harus menahan kekuatan besar dan perbedaan suhu yang ekstrem.

Suhu ITER akan berkisar dari sekitar 150 juta derajat Celcius – 10 kali suhu di inti matahari – hingga hampir nol mutlak. Ini membutuhkan jenis stainless steel baru yang sangat keras untuk dikembangkan, dan teknik baru untuk mengelas struktur hingga 40 sentimeter tebal.
Dan tuntutan tinggi ini juga tercermin dalam proporsi besar suprastruktur tokamak dan infrastruktur pendukungnya, yang menggambarkan tantangan yang ditimbulkan oleh proyek semacam itu.

Kompleks tokamak di ITER akan menjadi bangunan seberat 400.000 ton, tinggi 80 meter, panjang 120 meter dan lebar 80 meter. Tujuh lantai tinggi, struktur juga akan mencakup lebih dari 30 sistem pabrik yang diperlukan untuk operasi reaktor fusi.

Proyek saat ini

ITER berencana untuk “plasma pertama” pada bulan Desember 2025 – sekitar 40 tahun setelah gagasan eksperimen bersama internasional pertama kali diluncurkan.

ITER akan mengambil alih dari Torus (Jet) Eropa Bersama di Inggris, yang merupakan bagian dari inisiatif penelitian Eurofusion 28 negara, yang tokamaknya telah beroperasi sejak 1983.
Proyek fusi menggunakan teknologi tokamak sedang berlangsung di seluruh dunia, termasuk di AS dan China. Reaktor Uji Rekayasa Fusion China (CFETR) yang baru akan selesai pada tahun 2030 dan dilaporkan lebih besar dari ITER, menurut Asosiasi Nuklir Dunia. Di samping tokamaks, ada reaktor penelitian yang menggunakan teknologi fusi yang berbeda, seperti stellarator dan reaktor kurungan inersia.

ITER adalah langkah maju yang signifikan bukan hanya karena ukurannya, tetapi karena itu akan menjadi reaktor fusi pertama yang menghasilkan lebih banyak energi daripada yang dikonsumsinya.

Target ITER adalah output 500 MW dari hanya 50 MW untuk memulai dan mempertahankan proses fusi. Ini adalah tentang jumlah energi yang sama dengan yang dihasilkan oleh tanaman fisi kecil.

Meskipun ini merupakan pengembalian energi 10 kali lipat atas investasi, ITER tidak akan menangkap energi yang dihasilkannya sebagai listrik. Sebaliknya, proyek ini akan memenuhi perannya sebagai perangkat eksperimental, memberikan banyak informasi teknis tentang banyak komponen reaktor penting.

Sugimoto dari QST menunjukkan: “Keberhasilan ITER tidak segera mengarah pada pembangkit listrik fusi. Langkah selanjutnya adalah mendemonstrasikan pembangkit listrik di reaktor demonstrasi, DEMO. Reaktor fusi komersial harus online pada pertengahan abad ini.
Bersamaan dengan inisiatif yang dipimpin pemerintah, ada juga inisiatif komersial, termasuk dua laboratorium swasta di Inggris, Tokamak Energy dan First Light Fusion. Menurut Financial Times, mereka berdua bertujuan untuk menyelesaikan reaktor mereka pada tahun 2030 untuk komersialisasi.

Either way, masih akan ada beberapa cara untuk pergi sebelum “fiksi ilmiah” fusi menjadi kenyataan, dan secara proaktif dapat membantu mewujudkan dunia net-zero. Situs ITER mengutip Lev Artsimovich, seorang akademisi Rusia dan tokoh utama dalam sejarah penelitian fusi, yang mengatakan: “Fusi akan siap ketika masyarakat membutuhkannya.”

Lintas 12 – Bisakah fusi nuklir memberi kita energi bebas emisi tak terbatas? Fusi mungkin terdengar futuristik, tetapi lebih tua dari planet kita. by lintas12.com.

Gambar oleh: spectra.mhi.com