Ada Apa Dalam Reaktor Nuklear? Kenali Bahan 'Jantung' Dan 'Perisai'
Tenaga elektrik merupakan nadi penggerak kehidupan moden, dengan keperluan tenaga negara yang terus meningkat setiap tahun.
Bagi memastikan bekalan elektrik negara sentiasa mencukupi dan stabil untuk jangka masa panjang, kerajaan Malaysia telah mengumumkan penerokaan sumber tenaga baharu, dengan tenaga nuklear dikenal pasti sebagai salah satu alternatif utama.
Meskipun tenaga nuklear merupakan antara sumber tenaga komersial yang paling cekap di dunia, dibuktikan dengan lebih daripada 440 reaktor kuasa nuklear yang kini selamat beroperasi di sekitar 30 buah negara, kefahaman masyarakat awam mengenainya masih lagi samar. Ramai yang masih membayangkan reaktor nuklear sebagai sesuatu yang sangat misteri dan berbahaya.
Namun, bagi memahami tahap keselamatan operasi sesebuah loji tenaga nuklear, fungsi 'enjin' utamanya iaitu reaktor nuklear perlu dilihat dengan lebih dekat.
Reaktor nuklear beroperasi dalam persekitaran yang amat ekstrem, dengan keupayaan suhu mencecah 300°C, malah mampu melangkaui 1,000°C bagi reaktor generasi keempat.
Bagi reaktor air bertekanan (PWR) pula, tekanannya boleh melebihi 150 kali ganda tekanan atmosfera normal, di samping penghasilan sinaran radioaktif yang berintensiti tinggi bergantung kepada jenis reaktor.
Dalam menghadapi persekitaran ekstrem ini, para saintis dan jurutera membahagikan bahan di dalam reaktor kepada dua kategori penting, iaitu Bahan Nuklear sebagai 'jantung' dan Bahan Struktur Nuklear sebagai 'rangka dan perisai'.
Kedua-dua kategori ini mempunyai peranan yang berbeza tetapi saling melengkapi bagi memastikan keselamatan operasi loji.
Bahan Nuklear: 'Jantung' Yang Menjana Haba
Bahan nuklear atau bahan api nuklear merupakan komponen utama yang menghasilkan tenaga haba melalui proses pembelahan atom atau fission.
Haba yang sangat tinggi ini digunakan untuk mendidihkan air bagi menghasilkan stim bertekanan tinggi untuk memutar turbin dan seterusnya menjana tenaga elektrik yang digunakan di rumah.
Bahan nuklear terbahagi kepada dua jenis utama, iaitu bahan fisil dan bahan fertil.
Bahan Fisil
Bahan fisil (fissile materials) ialah bahan yang sedia untuk terbelah apabila terkena neutron perlahan.
Contoh utamanya ialah Uranium-235 (U-235) dan Plutonium-239 (Pu-239).
U-235 hanya wujud sekitar 0.7 peratus dalam bijih uranium asli, justeru ia perlu diperkaya (enriched) menjadi 3 hingga 5 peratus sebelum boleh digunakan dalam reaktor komersial.
Bahan Fertil
Bahan fertil (fertile materials) pula merupakan bahan api mentah yang tidak boleh membelah dengan sendiri tetapi boleh bertukar menjadi bahan fisil selepas menyerap neutron.
Antara contohnya ialah Uranium-238 (U-238), yang membentuk 99.3 peratus daripada uranium asli, dan Torium-232 (Th-232).
Torium merupakan sejenis bahan alternatif masa hadapan yang sangat berpotensi kerana jumlahnya yang banyak dan berpotensi menghasilkan kurang aktinida transuranik berjangka hayat panjang.
Bentuk Fizikal Bahan Api Nuklear
Reaktor kuasa nuklear komersial tidak menggunakan uranium dalam bentuk logam tulen kerana logam uranium mudah mengembang dan berubah bentuk pada suhu tinggi.
Sebaliknya, ia diproses menjadi pelet seramik Uranium Dioksida.
Pelet seramik ini sangat stabil, mempunyai takat lebur yang sangat tinggi, sekitar 2,800°C, serta mampu memerangkap gas sisa pembelahan dengan sangat baik.
Bahan Struktur Nuklear: 'Rangka Dan Perisai' Penyelamat
Jika bahan nuklear ialah 'jantung' yang membekalkan tenaga, bahan struktur nuklear pula berfungsi sebagai 'rangka dan perisai' yang memegang seluruh struktur reaktor, mengalirkan medium penyejuk serta menghalang bahan radioaktif daripada terlepas ke persekitaran luar.
Bahan struktur boleh diklasifikasikan kepada dua kategori.
Kategori pertama ialah bahan struktur yang secara langsung terdedah kepada sinaran seperti kelongsong bahan bakar, kebuk tekanan reaktor (RPV) dan komponen yang berada di dalam RPV.
Kategori kedua pula ialah bahan struktur yang tidak terdedah kepada sinaran mengion seperti komponen pempaipan penyejukan dan turbin, iaitu bahan yang berada di luar RPV atau dikenali sebagai struktur sekunder (secondary loop).
Oleh kerana bahan struktur terdedah secara langsung kepada keadaan ekstrem dalam reaktor, pemilihannya mestilah melepasi ujian yang sangat ketat berdasarkan piawaian antarabangsa serta mempunyai gred-gred tertentu bagi tujuan aplikasi nuklear.
Antara ciri penting yang diperlukan bagi membangunkan bahan struktur nuklear, terutamanya yang terdedah kepada sinaran mengion, ialah:
Kadar Penyerapan Neutron Yang Rendah
Bahan struktur yang berada di kawasan teras reaktor tidak boleh menyerap terlalu banyak neutron.
Jika neutron diserap oleh dinding atau paip struktur, tindak balas rantaian nuklear akan terhenti atau menjadi semakin perlahan.
Ketahanan Kerosakan Sinaran
Hentaman neutron berkelajuan tinggi yang berterusan boleh menyebabkan kedudukan atom logam biasa teranjak daripada struktur dan susunan atom.
Fenomena ini dipanggil kerapuhan sinaran (radiation embrittlement), yang boleh menyebabkan logam biasa menjadi rapuh seperti kaca dari masa ke masa.
Bahan struktur nuklear direka khas untuk meminimumkan kesan kerosakan ini.
Ketahanan Suhu Dan Tekanan Tinggi
Struktur mesti kekal kukuh dan stabil walaupun menampung tekanan beratus kali ganda atmosfera dan suhu sehingga ribuan darjah Celsius.
Ketahanan Terhadap Hakisan Dan Kakisan
Bahan struktur mesti kebal daripada pengaratan kimia akibat sentuhan berterusan dengan bahan penyejuk seperti air, gas atau logam cecair panas.
Jangka Hayat Yang Panjang
Komponen-komponen kritikal ini mesti bertahan sepanjang hayat operasi loji reaktor, iaitu sekitar 50 hingga 60 tahun.
Unsur-unsur seperti vanadium, nikel dan molibdenum ditambah manakala cobalt diminimumkan untuk menentukan gred logam struktur seperti gred SS316L dan SS304L supaya ia dapat beroperasi dalam keadaan ekstrem ini.
Bahan Struktur Utama Dan Peranannya
Antara bahan struktur utama yang digunakan dalam teknologi reaktor nuklear ialah:
Aloi Zirkonium (Zircaloy) digunakan sebagai tiub kelongsong (fuel cladding) yang membungkus pelet uranium. Zirkonium sangat 'lutsinar' kepada neutron, membolehkan neutron melaluinya tanpa diserap, serta sangat tahan terhadap hakisan air panas.
Keluli Tahan Karat Austenitik (Gred SS304/SS316L/SS347) digunakan untuk membina struktur sokongan dalaman teras reaktor, paip sistem penyejuk dan pam kerana kekuatannya yang luar biasa pada suhu tinggi serta sifatnya yang sangat kalis karat.
Keluli Aloi Karbon Rendah (Low-Carbon Alloy Steel) pula digunakan khas untuk menempa Kebuk Tekanan Reaktor (Reactor Pressure Vessel - RPV).
RPV merupakan 'tong raksasa' yang menampung keseluruhan teras reaktor di bawah tekanan dan haba tinggi.
Aloi Nikel (Inconel) digunakan dalam pembinaan tiub penjana stim, spring dan grid pengatur bahan api kerana mempunyai ketahanan yang tinggi terhadap pengoksidaan, kakisan dan tekanan mekanikal pada suhu ekstrem.
Grafit digunakan sebagai moderator bagi sesetengah jenis reaktor untuk memperlahankan pergerakan neutron supaya mudah diserap oleh bahan api, selain berfungsi sebagai blok struktur sokongan yang mampu menahan haba yang sangat tinggi tanpa melebur.
Konkrit bertetulang diperkaya bahan penyerap neutron pula bertindak sebagai bangunan pembendungan (containment building) dan perisai biologi di luar reaktor.
Ketumpatannya yang tinggi menghalang radiasi berbahaya seperti sinar gamma dan neutron daripada bocor ke persekitaran awam.
Sementara itu, Beryllium digunakan sebagai pemantul (reflector) di sekeliling teras bahan api reaktor penyelidikan untuk memantulkan semula neutron yang cuba terlepas kembali ke dalam zon tindak balas bagi mengekalkan kecekapan tenaga.
Senario Global Dan Penerokaan Di Malaysia
Di peringkat dunia, keselamatan loji kuasa nuklear telah mencapai tahap kebolehpercayaan yang sangat tinggi berkat kepatuhan ketat terhadap piawaian kejuruteraan bahan ini.
Penyelidikan berterusan dalam bidang sains bahan (materials science) sentiasa dijalankan bagi menghasilkan bahan reaktor generasi masa hadapan yang lebih selamat, cekap dan mempunyai jangka hayat yang lebih lama.
Bagi Malaysia, langkah penerokaan tenaga nuklear sebagai alternatif masa hadapan memerlukan persediaan rapi.
Walaupun dokumen sumber rasmi tidak memperincikan peranan khusus agensi-agensi kerajaan tempatan, dasar dan langkah penerokaan ini sudah tentu akan melibatkan agensi kawal selia keselamatan serta penyelidikan sains bahan negara.
Tugas utama adalah memastikan setiap aspek teknikal, daripada standard kelulusan bahan struktur sehingga ke peringkat operasi, mematuhi garis panduan keselamatan global yang ketat demi melindungi rakyat dan alam sekitar.
Agensi Nuklear Malaysia mempunyai kepakaran dalam bidang metalurgi serta kemudahan dalam membangunkan dan membuat penilaian terhadap bahan yang mempunyai potensi dalam membangunkan bahan struktur nuklear.
Agensi Nuklear Malaysia juga mempunyai reaktor penyelidikan yang dapat membantu dalam penyelidikan dan pembangunan bahan struktur nuklear.
Teras reaktor penyelidikan yang mempunyai kuasa 1 MW turut dapat membantu dalam asas penyinaran di dalam teras reaktor.
Kesimpulan
Kejayaan dan keselamatan loji tenaga nuklear bergantung kepada gabungan bahan, reka bentuk, operasi dan sistem keselamatan.
Bahan nuklear menjana tenaga maksimum melalui tindak balas rantaian yang terkawal, manakala bahan struktur pula menjadi benteng pelindung utama yang menahan segala impak agresif tindak balas tersebut.
Melalui pemahaman yang jelas tentang peranan kedua-dua bahan ini, kita dapat melihat secara objektif bagaimana sains moden mampu menjinakkan tenaga nuklear demi kesejahteraan hidup kita.
Keperluan piawaian dalam menilai bahan-bahan tersebut adalah amat penting bagi memenuhi tahap kebolehgunaan dan persekitaran yang ekstrem bagi menjamin keselamatan sejagat.
Untuk maklumat lanjut berkaitan Agensi Nuklear Malaysia, boleh layari portal rasmi di www.nuclearmalaysia.gov.my atau imbas kod qr bagi katalog perkhidmatan Agensi Nuklear Malaysia.
