Contoh Soal Pembahasan Reaksi Fusi
Reaksi fusi adalah salah satu proses nuklir di mana dua inti atom ringan bergabung untuk membentuk inti yang lebih berat. Reaksi ini adalah sumber energi yang menggerakkan bintang-bintang di alam semesta, termasuk matahari kita. Dalam artikel ini, kita akan membahas konsep dasar reaksi fusi, serta memberikan contoh soal beserta pembahasannya untuk meningkatkan pemahaman kita mengenai fenomena menakjubkan ini.
Pendahuluan tentang Reaksi Fusi
Reaksi fusi terjadi pada kondisi suhu dan tekanan yang sangat tinggi, seperti yang ada di inti bintang. Proses ini melibatkan penggabungan dua inti hidrogen (umumnya deuterium dan tritium) menjadi inti helium, serta melepaskan sejumlah besar energi. Persamaan reaksinya adalah:
\[
\text{D} + \text{T} \rightarrow \text{He} + \text{n} + \text{energi}
\]
Di sini, D adalah deuterium (\(^2_1\text{H}\)), T adalah tritium (\(^3_1\text{H}\)), He adalah helium (\(^4_2\text{He}\)), dan n adalah neutron (\(^1_0\text{n}\)).
Energi yang dihasilkan berasal dari perbedaan massa antara produk dan reaktan, sesuai dengan persamaan terkenal Einstein, \(E=mc^2\), di mana \(E\) adalah energi, \(m\) adalah massa yang hilang, dan \(c\) adalah kecepatan cahaya.
Mengapa Reaksi Fusi Sulit Dicapai di Bumi?
Meskipun reaksi fusi menghasilkan energi yang sangat besar, menciptakan kondisi yang cocok untuk fusi di bumi sangatlah menantang. Suhu harus mencapai jutaan derajat Celsius agar inti atom memiliki αρκετά energi kinetik untuk mengatasi gaya tolak elektrostatik. Selain itu, perlu tekanan luar biasa agar inti dapat mendekat dan bersatu.
Dalam aplikasi praktis, seperti eksperimen fusi terkendali di reaktor fusi, tantangan utama adalah menahan plasma (campuran inti positif dan elektron bebas) dalam waktu yang cukup lama agar terjadi fusi yang signifikan.
Contoh Soal dan Pembahasan
Berikut adalah beberapa contoh soal yang dapat membantu kita memahami bagaimana reaksi fusi bekerja dan bagaimana perhitungannya dilakukan.
Soal 1: Penghitungan Energi Fusi
Dua inti deuterium bergabung membentuk inti helium-4 di laboratorium. Massa atom deuterium adalah 2,014 u dan massa atom helium adalah 4,002 u. Hitung energi yang dilepaskan dalam reaksi ini.
Pembahasan:
1. Tuliskan Persamaan Reaksi:
\[ 2\text{ } \rightarrow \text{He} \]
2. Hitung Massa Total Sebelum dan Sesudah Reaksi:
Sebelum: \(2 \times 2,014 \ \text{u} = 4,028 \ \text{u}\)
Sesudah: \(4,002 \ \text{u}\)
3. Hitung Defisit Massa:
Defisit massa \(= 4,028 \ \text{u} – 4,002 \ \text{u} = 0,026 \ \text{u}\)
4. Konversi ke Energi Menggunakan \(E=mc^2\):
Gunakan konversi 1 u (satuan massa atom) = 931.5 MeV/c²:
\[
E = 0,026 \ \text{u} \times 931,5 \ \text{MeV/u} = 24,2 \ \text{MeV}
\]
Jadi, energi yang dilepaskan adalah 24,2 MeV.
Soal 2: Menentukan Suhu Minimum untuk Fusi
Hitung suhu minimum yang diperlukan agar reaksi fusi hidrogen terjadi jika energi penghalang Coulomb (penghalang potensial antara dua inti proton) adalah 0,1 MeV.
Pembahasan:
Energi kinetik rata-rata partikel dalam gas pada suhu \(T\) diberikan oleh \(3/2 \ kT\), di mana \(k\) adalah konstanta Boltzmann (\(8,617 \times 10^{-5} \ \text{eV/K}\)).
1. Energi Coulomb = Energi Kinetik Rata-Rata:
\[ 0,1 \ \text{MeV} = \frac{3}{2} kT \]
Konversi 0,1 MeV ke eV: \(0,1 \ \text{MeV} = 10^{5} \ \text{eV}\).
2. Suhu \(T\):
\[
T = \frac{2 \times 10^{5} \ \text{eV}}{3 \times 8,617 \times 10^{-5} \ \text{eV/K}}
\approx 7,7 \times 10^{9} \ \text{K}
\]
Jadi, suhu minimum yang diperlukan agar reaksi fusi hidrogen terjadi adalah sekitar \(7,7 \times 10^{9} \ \text{K}\).
Kesimpulan
Reaksi fusi merupakan proses yang sangat penting dalam alam semesta, menyediakan energi yang menyokong kehidupan di bumi melalui keluaran energi matahari. Namun, untuk mereplikasi kondisi tersebut di bumi dalam skala energi yang dibutuhkan adalah tantangan besar yang dihadapi para peneliti fisika plasma dan teknologi energi. Dari contoh soal di atas, kita dapat melihat bagaimana perhitungan dalam skenario reaksi fusi dilakukan, menekankan pentingnya pemahaman konsep dasar dan penguasaan matematis untuk menjelajahi lebih lanjut dalam bidang ini.
Sebagai kesimpulan, meskipun menghasilkan energi bersih dan berkelanjutan dari reaksi fusi memerlukan penelitian dan pengembangan yang intensif, potensi manfaatnya tidak dapat disangkal, terutama dalam upaya untuk mengurangi ketergantungan pada energi fosil dan menangani perubahan iklim.