30 Serba Serbi Nuklir: PLTN Ada Berapa Jenis?

Oleh: R. Andika Putra Dwijayanto, M.Eng.

Sejauh ini, kita sudah memahami bahwa energi nuklir itu bisa dimanfaatkan untuk kepentingan sipil dengan memanfaatkan sebuah sistem yang bernama reaktor nuklir. Panas yang dihasilkan oleh reaktor nuklir ini kemudian dikonversi menjadi listrik melalui sistem pembangkitan energi. Reaktor nuklir dan sistem pembangkitan energinya (serta sistem pendukung lain yang mendukung proses ini), secara integral, disebut sebagai PLTN.

Nah, kita tahu kalau reaktor nuklir, sebagai sistem pembangkitan panas di PLTN, tersusun minimal dari tiga komponen, yakni bahan bakar, pendingin, dan sistem kendali reaktivitas. Dalam banyak kasus, terdapat juga komponen berupa moderator. Kalau kita membaca ini saja, bisa terbayangkan bahwa yang namanya reaktor nuklir itu tidak hanya bisa menggunakan satu desain. Utamanya dari aspek bahan bakar, pendingin, dan moderator. Jenis-jenisnya, kan, banyak. Berarti, mungkin juga, dong, membuat desain reaktor nuklir yang berbeda-beda? Iya, kan?

Jawabannya adalah… benar! PLTN tidak hanya ada satu jenis. Memang, ada yang paling banyak jumlahnya dibandingkan yang lain, tapi tidak terbatas satu jenis saja. Variasinya bisa dikategorikan berdasarkan beberapa hal, tapi di sini kita fokus pada taksonomi berdasarkan Generasi dan Pendingin, karena paling mudah membaginya berdasarkan dua aspek tersebut.

Pertama, dari segi generasi. Ada empat generasi PLTN hingga saat ini, masing-masing menunjukkan tahap pengembangan yang berbeda.

1.       Generasi I: Generasi ini merupakan generasi awal pembangunan PLTN, baik masih dalam bentuk purwarupa maupun operasi komersial. Pembangunan dan operasinya dimulai pada tahun 1950-an. PLTN pertama yang beroperasi secara komersial di dunia, yakni PLTN Calder Hall, Inggris, mulai komisioning pada tahun 1956 dan berakhir masa operasinya pada tahun 2003. PLTN ini merupakan tipe Magnox berdaya 4 × 60 MWe, dengan pendingin karbon dioksida, moderator grafit, dan bahan bakar uranium alam. PLTN tipe Magnox terakhir selesai masa operasinya pada tahun 2015 di Wylfa, Wales, menandakan ditutupnya masa PLTN Generasi I.

Selain Calder Hall, PLTN Generasi I juga dibangun di tempat-tempat lain seperti Shippingport dan Dresden-I di Amerika Serikat, dan Obninsk di Soviet. Walau Obninsk secara praktis adalah PLTN pertama di dunia (komisioning tahun 1954), tetapi statusnya belum komersial.

2.       Generasi II: Generasi ini merupakan generasi lebih maju dari Generasi I. Jika Generasi I biasanya masih coba-coba dan otak atik mencari konfigurasi dan sistem yang terbaik, maka Generasi II sudah masuk pada tahap sepenuhnya komersial. PLTN Generasi II dibangun hingga tahun 1990-an. Desain PLTN Generasi II lebih beragam, mulai dari pendingin air ringan, air berat, hingga gas. Mulai dari moderator air hingga grafit. PLTN Generasi II dibangun dengan daya cenderung lebih besar, antara 600-1000 MWe, dengan usia pakai antara 30-40 tahun. Namun, banyak dari PLTN Generasi II yang lisensi operasinya diperpanjang hingga 60 bahkan 80 tahun, karena secara ekonomi masih sangat memungkinkan.

Sistem keselamatan PLTN Generasi II umumnya bersifat aktif, sehingga membutuhkan intervensi operator dan sistem daya eksternal jika terjadi kecelakaan. PLTN Three Mile Island, Chernobyl, dan Fukushima Daiichi, ketiganya merupakan PLTN Generasi II.

3.       Generasi III: Generasi ini secara desain sebenarnya mirip denagn Generasi II. Bedanya, desainnya sudah dimodifikasi sedemikian rupa sehingga efisiensi termalnya membaik, performa bahan bakarnya membaik, dan sistem keselamatannya pun ditingkatkan. Basisnya mayoritas berpendingin air, dengan sistem keselamatan yang menjamin reaktor nuklir bisa tetap didinginkan tanpa intervensi operator ketika terjadi kecelakaan parah. Sistem keselamatannya bersifat pasif, dengan kata lain tidak perlu daya eksternal, melainkan memanfaatkan fenomena fisis seperti gravitasi dan sirkulasi udara alami.

PLTN Generasi III mulai diperkenalkan pada tahun 1990-an. Namun, mengingat momentumnya agak kurang pas, yakni dekat dengan kecelakaan PLTN Chernobyl, seluruh dunia sedang ketakutan terhadap bahaya yang tidak pernah mendekati mereka dan nalar irasional mereka memutuskan untuk menjauhi pembangunan PLTN dulu. Imbasnya, PLTN Generasi III agak-agak kurang peminat, dan banyak konsep PLTN Generasi III yang belum terbangun bentuk fisiknya hingga sekarang.

4.       Generasi IV: Generasi ini menerapkan konsep desain yang sangat berbeda dibandingkan ketiga generasi sebelumnya. PLTN Generasi IV keluar dari konsep pendingin air konvensional dan menggunakan desain, bahan bakar, dan pendingin yang tidak biasa digunakan pada generasi sebelumnya. Bahan bakar yang digunakan tidak hanya yang berbentuk padat, melainkan juga berbentuk cair. Pendinginnya bukan saja air, melainkan juga lelehan garam, logam natrium cair, logam timbal dan bismuth cair, serta gas helium. Bahkan air di sini juga air superkritis, yakni air sudah mau mat—maksudnya, temperatur dan tekanan operasinya berada pada titik superkritis air, ketika air berada dalam fasa yang bukan cairan, bukan gas, bukan uap juga. Jadi kondisi yang bukan-bukan, dan itu yang membuat efisiensinya membaik.

PLTN Generasi IV menawarkan efisiensi termal yang lebih baik, level keselamatan yang (biasanya) lebih baik, pemanfaatan bahan bakar jauh lebih efisien (99% alih-alih 0,5%), keekonomian yang lebih bagus, dan anti-penyimpangan-bahan-bakar-menjadi-bahan-senjata-nuklir (istilah kerennya, anti-proliferasi). Saat ini, baru ada satu unit PLTN Generasi IV yang beroperasi, yakni di PLTN Shidaowan di Cina.

Kalau melihat dari generasinya, jelas bahwa Generasi IV menawarkan desain terbaru yang lebih canggih, lebih maju, dan lain sebagainya. Masalahnya adalah sebagian konsepnya masih belum teruji secara memadai, sehingga masih butuh waktu untuk bisa dibangun secara komersial. Jadi, saat ini mayoritas masih berharap pada Generasi III, yang sudah babak belur dihajar inkompetensi sebagian vendor, ketakutan masyarakat terhadap PLTN, regulasi yang terus mengetat mengejar absolute safety (suatu hil yang mustahal terjadi). Anak sekecil itu, berjibaku dengan fitnah terhadap radiasi yang kejam…

Itu dari segi Generasi. Dari segi pendingin, maka kategorisasinya cukup luas, tapi secara umum bisa dibagi menjadi Pendingin Air dan Non-Pendingin Air.

1.       PLTN Berpendingin Air adalah PLTN komersial yang paling banyak dibangun di seluruh dunia. Basis teknologinya adalah reaktor berpendingin air yang digunakan di kapal selam militer Amerika Serikat puluhan tahun lalu. Sebagaimana namanya, PLTN Berpendingin Air menggunakan air sebagai material yang tugasnya memungut panas dari bahan bakar nuklir untuk ditransfer ke sistem konversi energi. Secara umum, ada lima jenis PLTN Berpendingin Air yang beroperasi saat ini:

a.       Pressurised Water Reactor (PWR): PLTN tipe ini adalah yang paling banyak beroperasi. Bahan bakarnya berupa pelet uranium dioksida (UO₂), dengan pendingin dan moderator berupa air ringan (H₂O), dan sistem kendali reaktivitas dalam bentuk batang kendali serta racun dapat-bakar. Sistem primer reaktor dikungkung dalam bejana tekan 150 atmosfer, yang mana air dipanaskan hingga mencapai temperatur 320 °C, ditransfer ke pembangkit uap, lalu uap di sistem sekunder ini yang menggerakkan turbin. Tidak ada pendidihan air di sistem primer reaktor.

b.       Boiling water reactor (BWR): Hampir sama dengan PWR, tetapi alih-alih diproduksi di sistem sekunder, uap diproduksi langsung di dalam reaktor. Jadi air di dalam reaktor mengalami pendidihan, menjadi uap, lalu uapnya langsung digunakan untuk menggerakkan turbin. Sistem konversi energinya lebih simpel daripada PWR, dan bejana tekannya “hanya” 75 atmosfer.

c.       Pressurised heavy water reactor (PHWR): Desain asli Kanada, menggunakan air berat (D₂O) alih-alih air ringan sebagai moderator dan pendingin. Efek positifnya, cukup pakai uranium alam sebagai bahan bakar. Efek negatifnya, D₂O itu sangat mahal, jadi lumayan berat di ongkos. Bahan bakar dan moderatornya dipisah seperti soto, jadi bahan bakar bisa diisi ulang tanpa harus mematikan reaktor.

d.       Reaktor bolshoy moshchnosty kanalny (RBMK): Desain asli Uni Soviet, dan jenis PLTN yang digunakan di Chernobyl. Konfigurasinya mirip dengan PHWR, tetapi moderator yang digunakan adalah grafit dan pendinginnya air ringan. Karena moderatornya grafit, ongkos membangunnya lebih murah, tapi keselamatannya ancur parah. Bahan bakar bisa diisi ulang tanpa mematikan reaktor, karena PLTN ini memang didesain untuk memproduksi plutonium untuk proyek senjata nuklir Soviet. RBMK terakhir dicanangkan akan berhenti beroperasi pada 2030.

e.       Supercritical Water Reactor (SCWR): Desain Generasi IV dan belum dibangun. Reaktor ini menggunakan tekanan supertinggi (221 atm) untuk membuat pendingin air berada dalam fasa bukan bukan (baca: superkritis) yang membuat temperatur operasinya naik. Sistem sejenis ini sebenarnya sudah komersial di PLTU batubara, tetapi belum pernah diterapkan di PLTN. Konfigurasinya mirip BWR, air superkritis langsung dialirkan ke turbin untuk membangkitkan energi.

2.       PLTN Non-Pendingin Air ada banyak macamnya, yang secara umum bisa dikategorikan sebagai berikut.

a.       PLTN Berpendingin Gas: PLTN tipe ini menggunakan gas inert sebagai fluida pendingin, untuk memungut panas dan mengirimnya ke turbin. Karena gas tidak berfungsi sebagai moderator, PLTN Berpendingin Gas menggunakan material lain sebagai moderator, biasanya grafit. Contohnya adalah Advanced Gas-cooled Reactor (AGR) yang digunakan di Inggris, yang menggunakan bahan bakar pelet UO₂ dan pendingin gas karbon dioksida (CO₂). Desain lainnya adalah High Temperature Gas-cooled Reactor (HTGR), yang menggunakan bahan bakar UO₂ berbentuk TRISO dalam bola-bola grafit dan pendingin helium. HTGR merupakan PLTN Generasi IV pertama yang beroperasi, dengan teknologi HTR-PM. Desain Generasi IV lain, Gas-cooled Fast Reactor (GCFR), menghilangkan moderator sama sekali, hanya menggunakan helium sebagai pendingin untuk memungut panas dari bahan bakar berbentuk pelet UO₂.

Keunggulan utama dari PLTN Berpendingin Gas adalah temperatur operasinya yang tinggi (> 650 °C) dibandingkan PLTN Berpendingin Air. Sehingga, efisiensi termalnya lebih tinggi. Kekurangannya adalah pendingin gas agak kurang efisien dalam mengirim panas, sehingga volume gas harus lebih banyak dan dimensi reaktor jadi membengkak.

b.       PLTN Berpendingin Logam: PLTN tipe ini menggunakan logam yang dicairkan sebagai pendingin. Karena logam biasanya punya titik didih jauh lebih tinggi daripada air, jadi PLTN Berpendingin Logam tidak perlu menggunakan bejana tekan untuk beroperasi di temperatur tinggi. Mengingat karakteristik kimia dan fisikanya, tidak ada PLTN Berpendingin Logam yang menggunakan moderator. Dua jenis PLTN Berpendingin Logam adalah Sodium-cooled Fast Reactor (SFR) dan Lead-cooled Fast Reactor (LFR). SFR menggunakan logam natrium sebagai pendingin, sementara LFR menggunakan logam timbal, kadang campuran timbal-bismuth. Keunggulan utama dari PLTN Berpendingin Logam adalah transfer panasnya jauh lebih powerful ketimbang PLTN Berpendingin Air, dan pemanfaatan bahan bakarnya jauh lebih efisien. Kelemahannya adalah lebih korosif dan ada risiko keselamatan khusus pada SFR, karena logam natrium itu sangat reaktif dengan udara, sehingga harus diisolasi total dari udara luar. Temperatur operasi LFR (800 °C) lebih tinggi dari SFR (500 °C) karena titik didih yang berbeda antara timbal dan natrium.

c.       PLTN Berpendingin Garam: Mirip seperti PLTN Berpendingin Logam, PLTN Berpendingin Garam menggunakan material yang padat di temperatur ruang tapi cair di temperatur tinggi. Dalam konteks ini, PLTN Berpendingin Garam menggunakan senyawa garam yang dicairkan sebagai pendingin. Umumnya garam fluorida yang digunakan, tetapi garam klorida (termasuk NaCl alias garam dapur) juga bisa diaplikasikan. Yang unik, jika seluruh PLTN lain menggunakan bahan bakar padat, maka PLTN Berpendingin Garam menggunakan bahan bakar cair, menyatu dengan pendinginnya. Namanya Molten Salt Reactor (MSR). Teknologi ini bisa didesain dengan fleksibilitas tinggi, mau menggunakan garam jenis apa, pakai moderator atau tidak, dan sebagainya. Keunggulan utamanya adalah efisiensi termal lebih tinggi karena temperatur operasi tinggi (> 700 °C), pemanfaatan bahan bakar lebih efisien, dan aspek keselamatan yang jauh lebih unggul dari PLTN Berpendingin Air maupun Logam. Kekurangannya, aspek termofisika dan termokimianya masih banyak yang tidak pasti, serta korosif ke material reaktor. Namanya juga garam, pasti korosif. Temperatur tinggi pula.

Demikian kurang lebih ringkasan jenis-jenis PLTN. Dari sini, jelas bahwa PLTN itu luas sekali spektrumnya, dengan karakteristik desain khas masing-masing yang tidak bisa disetarakan satu sama lain. Jadi, mengatakan PLTN itu berbahaya karena merujuk pada Chernobyl, padahal itu masuk tipe RBMK, itu tidak logis, ketika PLTN itu cuma ada di Uni Soviet (sekarang Rusia dan sekitarnya) dan yang dijual di dunia adalah PWR, BWR, PHWR, dan lainnya.

Mana yang paling baik? Perkara teknologi yang terbaik sekali dibandingkan yang lain itu bisa sangat subjektif, dan agaknya akan menjadi perdebatan tidak berujung, sebagaimana ateis memperdebatkan kemutlakan teori evolusi pada seorang teis, sementara teori evolusi itu sendiri tidak bisa divalidasi. Namun, secara pragmatis, bisa disimpulkan kira-kira begini.

“Any nuclear is better than no nuclear.”