Mengapa hanya satu isotop yang berguna untuk fisi?
Uranium alami memiliki tiga isotop: uranium 238, sebesar 99,27 %; uranium 235, sebesar 0,72 %; dan jejak uranium 234.
Hanya yang 235 bersifat fisil dengan neutron lambat, dan alasannya terletak pada keganjilan jumlah neutron.
Uranium 235 memiliki 143 neutron, bilangan ganjil. Saat menangkap satu neutron lagi ia membentuk uranium 236 dengan 144, bilangan genap, dan inti dengan neutron berpasangan terikat lebih kuat. Energi pemasangan itu terlepas saat inti gabungannya terbentuk dan sudah cukup dengan sendirinya untuk melampaui penghalang fisi: intinya membelah meski neutron yang datang hampir tanpa energi.
Uranium 238 memiliki 146 neutron, bilangan genap. Saat menangkap satu ia membentuk bilangan ganjil dan tidak memperoleh energi tambahan itu. Ia memerlukan neutron yang membawa lebih dari satu megaelektronvolt untuk membelah, dan dalam reaktor neutron sengaja diperlambat di bawah nilai itu.
Karena itulah 0,72 % adalah angka yang mengatur seluruh industri nuklir.
⚠️ Uranium 238 bukannya tak berguna: saat menangkap neutron ia berubah menjadi plutonium 239, yang bersifat fisil. Proses itu berlangsung terus-menerus di dalam reaktor, dan menjelang akhir siklusnya sebagian berarti energi yang dihasilkan berasal dari plutonium yang terbentuk di tempat.
Mengapa memperkayanya begitu sulit?
Karena kedua isotopnya identik secara kimia. Keduanya memiliki 92 elektron, membentuk senyawa yang sama, dan bereaksi dengan cara yang sama. Tidak ada pemisahan kimia yang berhasil.
Satu-satunya perbedaan yang dapat dimanfaatkan adalah massa: 235 berbanding 238, yaitu 1,3 %.
Metode sekarang adalah sentrifugasi. Uranium diubah menjadi heksafluorida, UF₆, satu-satunya senyawa uranium yang berwujud gas pada suhu sedang. Gasnya dimasukkan ke dalam silinder yang berputar puluhan ribu putaran per menit; molekul yang lebih berat sedikit bergeser ke arah dindingnya.
Efek per sentrifus sangat kecil. Untuk beranjak dari 0,72 % ke 4 % diperlukan ribuan mesin yang dirangkai bertingkat, dan untuk mencapai 90 % jauh lebih banyak lagi.
Kesulitan itulah penghalang teknis utama bagi proliferasi nuklir, dan alasan program pengayaan berada di bawah pengawasan internasional. Fluorida dipilih pula karena fluor hanya memiliki satu isotop stabil: unsur lain akan menambahkan keragaman massanya sendiri dan merusak pemisahannya.
Metode sebelumnya, difusi gas, menyerap listrik dalam jumlah sangat besar dan telah ditinggalkan.
Apa yang terjadi di Oklo?
Pada 1972, analisis rutin uranium dari sebuah tambang di Gabon menunjukkan 0,717 % uranium 235 alih-alih 0,720 % yang berlaku umum. Selisihnya kecil tetapi mustahil: susunan isotop uranium alami tetap sama di seluruh Bumi dan dalam meteorit.
Penjelasannya ternyata bahwa uranium itu sudah pernah dipakai.
Sekitar 1 700 juta tahun lalu, uranium 235 — yang waktu paruhnya 704 juta tahun, jauh lebih singkat daripada yang 238 — menyusun hampir 3 % uranium alami, kadar yang sama dengan yang kini dicari secara buatan dalam reaktor.
Di Oklo, endapan yang luar biasa kaya tergenangi air tanah. Air itu bertindak sebagai moderator, memperlambat neutron secukupnya untuk menopang reaksi berantai.
Sistemnya mengatur diri sendiri. Ketika reaksinya memanaskan air sampai mendidih, moderatornya hilang dan reaksinya berhenti; saat mendingin dan airnya kembali, reaksinya berlanjut. Analisis menunjukkan siklus sekitar tiga jam, yang berlangsung terputus-putus selama ratusan ribu tahun.
⚠️ Oklo juga merupakan percobaan alami tentang penyimpanan limbah: produk fisi yang terbentuk di sana hampir tidak berpindah selama dua miliar tahun, yang memberi keterangan tentang pengurungan geologi dalam jangka sangat panjang.
Apa kaitannya dengan panas Bumi?
Bagian dalam planet panas karena dua sebab: panas sisa pembentukannya dan peluruhan radioaktif.
Sumbangan radioaktifnya hampir seluruhnya berasal dari uranium 238, torium 232, dan kalium 40, ketiga isotop yang waktu paruhnya sebanding dengan umur Bumi. Yang berumur pendek sudah lama habis.
Aliran panas geotermal total sekitar 47 terawatt, dan berbagai perkiraan menghubungkan kira-kira separuhnya dengan peluruhan radioaktif.
Tanpa sumber sinambung itu, bagian dalamnya akan mendingin sampai memadat. Tanpa mantel yang berkonveksi tidak ada tektonik lempeng, dan tanpa inti luar yang cair tidak ada dinamo maupun medan magnet.
Pendeteksian geoneutrino — antineutrino yang dipancarkan dalam peluruhan beta bagian dalam Bumi — oleh detektor seperti KamLAND dan Borexino memungkinkan pengukuran langsung sumbangan itu, yang memastikan orde besarannya.
Bagaimana ia ditambang dan bagaimana keadaan industrinya?
Uranium tersebar di kerak sekitar 2,7 bagian per juta, lebih melimpah daripada perak atau raksa. Endapan yang dapat ditambang berkadar 0,1 % sampai, secara luar biasa, lebih dari 15 % di cekungan Athabasca, Kanada.
Kazakhstan kini menjadi produsen terbesar, disusul Kanada, Namibia, dan Australia. Sebagian besar produksi Kazakhstan memakai pelindian di tempat: larutan dipompa ke dalam endapan, uraniumnya larut, dan dipulihkan di permukaan tanpa penggalian.
Uranium diolah sampai diperoleh konsentrat — yang disebut kue kuning —, diubah menjadi heksafluorida, diperkaya, diubah kembali menjadi oksida, dan dibuat menjadi pelet keramik yang ditumpuk di dalam selongsong logam.
⚠️ Satu pelet seberat sekitar tujuh gram memuat kira-kira energi satu ton batu bara. Kerapatan energi itulah alasan fisi tetap berarti meski menanggung persoalan limbah, biaya modal, dan tanggapan masyarakat yang disandangnya sejak Chernobyl dan Fukushima.