TRISO

TRISO (dari bahasa Inggris TRistructural-ISOtropic) adalah bentuk pemrosesan bahan bakar nuklir yang terdiri dari bola-bola kerikil berlapis tiga. Di tengah adalah inti uranium(IV) oksida, atau campuran oksida uranium/ torium, yang diikuti oleh lapisan penyangga berpori dengan lapisan dalam pirografit isotropik, kemudian lapisan silikon karbida berkekuatan tinggi dan akhirnya lapisan luar dilapisi dengan pirografit isotropik. Inti varian Jerman memiliki diameter 0,5 mm, seluruh partikel berukuran 0,91 mm.^{[1][2][3][4][5]}

Irisan manik TRISO dengan warna semu

Potongan melintang melalui pelet TRISO

Lapisan karbon tambahan yang paling dalam berpori dan memberikan volume ekspansi untuk penyerapan produk fisi; dua lapisan pyrographite memastikan sesak gas.

TRISO dikembangkan sekitar tahun 1970 di Inggris Raya untuk reaktor suhu tinggi Naga (1967-1975), penemunya dianggap sebagai DT Livey. Di Jerman digunakan di AVR (Jülich) dari tahun 1981, tetapi tidak di THTR-300. Partikel TRISO jelas lebih unggul daripada partikel BISO berlapis ganda yang lebih tua dalam hal kerusakan partikel yang disebabkan oleh radiasi. Di sisi lain, efek silikon karbida TRISO sebagai penghalang difusi untuk beberapa nuklida seperti cesium-137 dan perak-110m pada suhu yang lebih tinggi tidak memuaskan- bahkan jika dibandingkan dengan partikel BISO. Oleh karena itu, saat ini hanya suhu kerja maksimum 750 °C yang dipertimbangkan untuk reaktor suhu tinggi dengan bahan bakar TRISO, dan aplikasi bahan bakar TRISO yang direncanakan untuk pembangkitan panas proses suhu tinggi (950-1000 °C) telah ditunda.

Bahan baka dalam TRISO adalah inti uranium, yang kemudian dikelilingi oleh beberapa lapisan material berbasis karbon dan keramik. Lapisan yang kuat ini bertanggung jawab untuk menahan material radioaktif dan memastikan bahan bakar aman dalam kondisi ekstrem, alih-alih ketiadaan neutron.

Pada intinya, partikel TRISO mengandung bahan bakar, material berbasis uranium. Inti terdiri dari tiga lapisan material, termasuk penyangga karbon berpori dan lapisan silikon karbida (SiC) padat. Lapisan ini dirancang agar sangat tahan terhadap suhu tinggi, iradiasi neutron, oksidasi, dan korosi. Lapisan ini bertindak sebagai sistem penahanan yang kuat, mencegah keluarnya produk fisi radioaktif selama operasi dan setelah bahan bakar habis.

• Partikel TRISO (Pasir) adalah unit dasar bahan bakar nuklir yang paling kuat dan tahan lama. Terdiri dari campuran uranium oksida dan/atau uranium karbida (disebut UCO). Inti dilapisi oleh tiga lapisan material berbasis karbon dan keramik (pyrographite dan silicon carbide) yang sangat kuat, berfungsi sebagai penghalang untuk menahan produk fisi radioaktif.
• Kerikil (Pebble/Pebble Fuel) adalah wadah berbentuk bola yang menampung puluhan ribu partikel TRISO di dalamnya. Biasanya terbuat dari grafit. Kerikil ini secara efektif menjadi "wadah transportasi, bahan bakar, dan penyimpanan" untuk bahan bakar TRISO, yang memudahkan penanganan dan keselamatan dalam reaktor.

Pengembangan lebih lanjut saat ini hanya terjadi di AS. Dalam pengujian di sana, ketahanan suhu jangka pendek dari lapisan 1800 °C tercapai.

TRISO plutonium

Bahan bakar TRISO dapat dibuat dengan plutonium, sebuah konsep yang sedang dikaji untuk reaktor suhu tinggi guna membakar cadangan plutonium yang ada. Desain partikel ISOtropik berstruktur TRi merupakan bahan bakar berlapis yang sangat tahan lama dan mampu menahan suhu serta laju pembakaran yang sangat tinggi, menjadikannya pilihan yang menjanjikan untuk bahan bakar yang dicampur dengan plutonium atau aktinida minor.

Inti partikel TRISO berisi bahan bakar nuklir, yang dapat berupa campuran plutonium dan torium atau plutonium dan uranium. Inti dikelilingi oleh tiga lapisan material karbon dan keramik yang dirancang untuk menahan produk fisi radioaktif. Desain ini membuat partikel sangat kuat, mampu tetap utuh bahkan pada suhu yang sangat tinggi, yang sangat penting untuk reaktor suhu tinggi. Penggunaan plutonium dalam bahan bakar TRISO memungkinkan tingkat bakar yang sangat tinggi tanpa merusak partikel bahan bakar, menjadikannya cara yang efisien untuk memanfaatkan plutonium. Daya tahan dan sifat penahanan bahan bakar TRISO dapat sangat menyederhanakan penyimpanan limbah nuklir.

Bahan bakar TRISO menawarkan cara untuk membakar plutonium yang terakumulasi, baik tingkat reaktor maupun tingkat senjata, dalam reaktor suhu tinggi. Bahan bakar ini sedang dipelajari untuk digunakan dalam reaktor generasi mendatang seperti Reaktor Berpendingin Gas Suhu Tinggi (HTGR) dan reaktor Generasi IV, yang dapat beroperasi pada suhu yang lebih tinggi daripada reaktor tradisional. Kemampuan bakar yang tinggi memaksimalkan energi yang diekstraksi dari bahan bakar. Struktur berlapis-lapisnya memberikan tingkat penahanan yang sangat tinggi, menjadikannya bentuk bahan bakar nuklir yang sangat aman.

Lapisan TRISO

Bahan bakar TRISO melepaskan panas dan neutron serta mencegah pelepasan produk fisi radioaktif sebagai bagian dari proses fisi nuklir yang disengaja di dalam reaktor. Inti (kernel) bahan bakar TRISO mengandung uranium, karbon, dan oksigen. Partikel TRISO dirancang dengan tiga lapisan material berbasis karbon dan keramik yang kuat di sekeliling intinya. Fungsi utama lapisan-lapisan ini adalah untuk menahan produk fisi radioaktif (seperti gas xenon dan iodin) di dalam partikel, mencegah pelepasannya ke lingkungan reaktor, bahkan pada suhu yang sangat tinggi.

Ketika neutron bertabrakan dengan inti uranium, terjadi fisi nuklir yang melepaskan energi dalam jumlah besar dalam bentuk panas. Panas inilah yang kemudian dimanfaatkan untuk menghasilkan listrik di pembangkit listrik tenaga nuklir. Setiap reaksi fisi tidak hanya menghasilkan panas, tetapi juga melepaskan dua hingga tiga neutron baru. Neutron-neutron baru ini kemudian memicu reaksi fisi lebih lanjut pada inti uranium lainnya, menciptakan reaksi berantai yang berkelanjutan.

TRISO (TRi-structural ISOtropic particle fuel) mencegah pelepasan produk fisi radioaktif melalui sistem penahanan berlapis yang efektif, bahkan pada suhu tinggi. Setiap partikel bahan bakar bertindak sebagai bejana tekan kecilnya sendiri berkat lapisan-lapisan ini. Mekanisme pencegahannya didasarkan pada empat lapisan material berbasis karbon dan keramik yang mengelilingi inti bahan bakar uranium:

• Lapisan penyangga karbon (Buffer PyC): Lapisan dalam ini, terbuat dari karbon pirolitik (PyC) densitas rendah, berfungsi untuk mengakomodasi pembengkakan inti bahan bakar selama iradiasi dan menyediakan ruang untuk akumulasi produk fisi dalam bentuk gas.
• Lapisan Karbon Pirolitik Dalam (Inner PyC): Lapisan padat ini, bersama dengan lapisan luar PyC, membantu menjaga integritas struktural partikel dan memberikan penghalang tambahan terhadap pelepasan produk fisi.
• Lapisan Silikon Karbida (SiC): Ini adalah penghalang utama (barrier) yang terbuat dari bahan keramik yang sangat kuat dan kedap. Lapisan SiC sangat efektif dalam memerangkap produk fisi radioaktif (baik yang berbentuk gas maupun logam) dan mempertahankan integritasnya pada suhu yang sangat tinggi (hingga 1600 °C atau lebih), bahkan dalam skenario kecelakaan kehilangan pendingin aktif.
• Lapisan Karbon Pirolitik Luar (Outer PyC): Lapisan terluar ini memberikan perlindungan struktural tambahan dan membantu menahan produk fisi yang mungkin berhasil menembus lapisan dalam.

Secara kolektif, lapisan-lapisan ini memastikan bahwa produk fisi tetap terkandung di dalam partikel bahan bakar, sehingga mencegah kontaminasi sistem pendingin primer reaktor dan lingkungan sekitarnya. Keamanan yang melekat ini membuat bahan bakar TRISO menjadi pilihan penting untuk reaktor nuklir canggih, seperti reaktor suhu tinggi (HTGR) dan reaktor modular mikro.

Reaktor TRISO

Reaktor bahan bakar TRISO (TRi-structural ISOtropic) adalah jenis reaktor suhu tinggi yang menggunakan partikel berlapis TRISO, yang merupakan bahan bakar nuklir paling tangguh di dunia, karena ketahanannya terhadap suhu yang sangat tinggi dan kemampuannya mencegah pelelehan. Karena sangat tangguh, reaktor ini menawarkan keuntungan keselamatan yang signifikan, dan dapat digunakan untuk menghasilkan listrik dan panas proses, seperti untuk produksi hidrogen.

Setiap partikel TRISO berukuran sebesar biji poppy dan mengandung inti bahan bakar uranium. Inti ini terbungkus dalam tiga hingga empat lapisan bahan karbon dan keramik, terutama silikon karbida (SiC). Lapisan-lapisan ini bertindak sebagai sistem penahanan, menjebak produk fisi radioaktif. Materialnya sangat kuat sehingga partikel tidak dapat meleleh bahkan dalam kondisi kecelakaan ekstrem. Lapisan karbon dan silikon karbida memiliki titik leleh tertinggi dibandingkan material lain yang diketahui, memungkinkan bahan bakar ini menahan suhu yang jauh melebihi reaktor konvensional.

Manfaat keselamatan utama adalah kemampuan inheren bahan bakar untuk menghindari pelelehan, bahkan jika pendingin hilang. Bahan bakar TRISO memungkinkan reaktor mencapai suhu yang sangat tinggi, yang meningkatkan efisiensi pembangkitan listrik dan memungkinkan aplikasi panas proses industri, seperti produksi hidrogen. Partikel-partikel ini dibentuk menjadi "kerikil" bahan bakar grafit bulat atau dapat tertanam dalam blok grafit. Bentuk ini jauh lebih tangguh daripada batang bahan bakar logam tradisional. Bahan bakar TRISO menawarkan kepadatan energi yang tinggi, dengan kerikil bahan bakar kecil menghasilkan energi yang signifikan.

Jenis-jenis reaktor bahan bakar TRISO

• Reaktor Berpendingin Gas Suhu Tinggi (HTGR): Sebuah aplikasi umum untuk bahan bakar TRISO, HTGR menggunakan gas sebagai pendingin. Reaktor Modular Kecil (SMR): Bahan bakar TRISO diusulkan untuk berbagai desain SMR baru karena keamanan dan skalabilitasnya yang lebih baik.
• Reaktor Berpendingin Garam Cair: Beberapa desain, seperti Reaktor Helium Modular Pembakaran Dalam (DB-MHR), dapat menggunakan bahan bakar TRISO dengan garam cair untuk kinerja dan pembakaran aktinida yang lebih tinggi.
• HTR-PM adalah reaktor nuklir modular kecil berpendingin gas suhu tinggi (HTGR) Tiongkok yang menggunakan bahan bakar partikel TRISO (Tri-structural Isotropic). Disebut "pebble-bed" karena menggunakan bola-bola bahan bakar yang terus bergerak melewati inti reaktor selama operasi, dan "PM" yang berarti "Pebble Bed Module". Reaktor ini dirancang untuk menggantikan pembangkit listrik tenaga batu bara dan telah mencapai komersialisasi pada akhir 2023.
• Konsep Reaktor Berpendingin Air Pebble Bed (PBWR), dan Reaktor Air Mendidih Pebble Bed (BWR-PB) adalah konsep reaktor nuklir yang berbeda dalam penggunaan bahan bakar, pendingin, dan prinsip operasionalnya. PBWR dan BWR-PB adalah varian pebble bed yang menggunakan pendingin air, dengan PBWR menjaga air tetap cair bertekankan, sedangkan BWR-PB membiarkan air mendidih di dalam inti reaktor.

Lihat pula

• Reaktor nuklir
• Reaktor berpendingin gas
• Reaktor suhu sangat tinggi
• Reaktor bola kerikil
• Bahan bakar nuklir
• Silikon karbida
• Helium
• Nitrogen
• Karbon dioksida
• Farrington Daniels
• Rudolf Schulten
• Pebble bed modular reactor
• HTR-10
• HTR-PM