Dasyat, Milenial Jepang Ciptakan Matahari Ala Bumi. Rahasia Penemuan Ini Akhirnya Terbongkar

INDUSTRY.co.id, Jakarta-Reaksi fusi menghasilkan energi panas yang sangat besar. Energi tersebut dapat digunakan untuk menghasilkan daya. Dengan hanya 1 gram bahan bakar, reaksi fusi dapat menghasilkan energi yang sama dengan energi yang didapat dari penggunaan 8 ton minyak bumi.

Dari desainnya sendiri, reaksi fusi tidak memungkinkan terjadinya runaway reactions (yaitu suatu reaksi termal yang tidak stabil dimana laju percepatan reaksinya tidak terkendali dan menghasilkan peningkatan suhu serta tekanan yang cepat). Reaksi fusi juga tidak menghasilkan limbah radioaktif tingkat tinggi dan merupakan “clean” process (proses yang bersih), karena tidak mengeluarkan CO₂.

Toshiba telah terlibat dalam pengembangan teknologi fusi ini sejak tahun 1970-an. Perusahaan telah terlibat dari tahap desain, dan membuat kemajuan yang signifikan dalam pembuatan teknologi di bidang ini.

Beberapa proyek yang sedang dikerjakan Toshiba salah satunya adalah dengan QST (National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology - Institut Nasional untuk Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Quantum dan Radiologi) dalam membangun perangkat fusi JT-60 (Breakeven Plasma Test Facility), serta penggantinya, JT-60SA (JT-60 Super Advanced). Perusahaan juga ambil bagian dalam proyek skala dunia untuk menjadikan tenaga fusi menjadi kenyataan, yang disebut ITER, dengan tujuh entitas anggota (Jepang, Uni Eropa, Rusia, AS, Korea, Cina, dan India) bekerja bersama untuk membangun reaktor eksperimental di Saint-Paul-lez-Durance, Perancis Selatan.

Lahirnya sebuah Bintang. Apa yang Terjadi di garda Terdepan Fusi, Sumber Energi "Impian." Seperti apa rasanya menciptakan "matahari" buatan di Bumi? Apa yang tampak seperti mimpi yang jauh tentang masa depan, sebuah proyek yang terlalu fantastis untuk dipahami, sebenarnya sudah berlangsung. Itu datang dalam bentuk kekuatan fusi — suatu bentuk kekuatan yang sedang dipandang sebagai solusi untuk semua masalah energi dan lingkungan utama kita saat ini.

Reaktor eksperimental seperti ITER ("The Way" dalam bahasa Latin) dan JT-60SA (Super Advanced) sudah dibangun melalui kerjasama internasional dan koordinasi berbagai negara, termasuk Jepang.

Fusi akan menjadi mimpi yang menjadi kenyataan, sumber energi bebas karbon berskala besar, yang secara inheren aman. Di sini, kita menuju ke garis depan sumber energi "idaman" ini untuk mengetahui detail dari proyek-

Takuma Wakatsuki, Kelompok Eksperimen Plasma Lanjutan, Laboratorium Plasma Lanjutan, Institut Naka Fusion, Direktorat Energi Fusion, Institut Nasional untuk Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Quantum dan Radiologi

Hideki Kajitani, Grup Pengembangan Magnet Superkonduktor, Divisi Proyek ITER, Institut Naka Fusion, Direktorat Energi Fusion, Institut Nasional untuk Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Quantum dan Radiologi

Suatu bentuk kekuatan yang sangat efisien, sangat aman, ramah lingkungan, dengan pasokan bahan bakar yang hampir tidak pernah habis: Bagaimana cara kerja fusi?

Singkatnya, fusi adalah tentang menciptakan kembali reaksi fusi yang terjadi di dalam bintang-bintang dan matahari di Bumi. Kami pertama kali berbicara dengan Takuma Wakatsuki, yang meneliti fusi di Institut Nasional untuk Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Quantum dan Radiologis (selanjutnya disebut "QST"), memintanya untuk menjelaskan prosesnya dalam istilah awam.

“Segala sesuatu di alam semesta terdiri dari atom, dan atom-atom ini sendiri terdiri dari inti dan elektron. Ketika inti ini saling bertabrakan dengan kecepatan sangat tinggi, mereka berfusi menjadi atom yang lebih berat, di dalam proses yang disebut fusi. Anda mungkin tidak terbiasa dengan proses ini, tetapi semua orang menikmati manfaat energi yang dihasilkan dengan cara ini. Saya berbicara, tentu saja, tentang sumber cahaya yang menyinari kita setiap hari — matahari. Reaksi fusi yang terjadi di antara inti hidrogen di matahari adalah sumber panas dan cahaya — panas dan cahaya yang sama yang dinikmati manusia setiap hari.   

Sebagaimana yang bisa disaksikan dari matahari, fusi menghasilkan sejumlah besar energi panas, yang dapat digunakan untuk menghasilkan daya. Sumber bahan bakar fusi adalah deuterium dan tritium, yang merupakan isotop hidrogen. Dengan hanya 1 gram bahan bakar, fusi dapat menghasilkan jumlah energi yang sama dengan membakar 8 ton minyak bumi. Ada berbagai metode untuk menghasilkan listrik, tetapi hanya (pembangkit listrik tenaga nuklir tradisional dan) fusi dapat menghasilkan energi yang sangat besar menggunakan sejumlah kecil bahan bakar,” kata Wakatsuki.

Keamanan tenaga nuklir telah dipertanyakan sejak kecelakaan di Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir Chernobyl. Fusi, di sisi lain, sangat aman.

“Pembangkit listrik tenaga nuklir tradisional menggunakan energi panas dari fisi, yang membutuhkan bahan bakar selama beberapa tahun untuk disimpan di reaktor dan batang kendali agar dapat mengendalikan laju reaksi berantai nuklir. Energi dihasilkan dengan mengonsumsi bahan bakar sedikit demi sedikit dari waktu ke waktu.

Di sisi lain, reaktor fusi hanya membutuhkan jumlah bahan bakar yang cukup untuk mempertahankan reaksi fusi saja. Jika pasokan bahan bakar dihentikan, reaksinya berhenti. Sekalipun banyak bahan bakar dimasukkan ke dalam reaktor, bahan bakar itu sendiri akan secara drastis mendinginkan plasma*, yang secara otomatis akan menghentikan reaksi. Fusi, dengan desainnya sendiri, tidak memungkinkan untuk suatu reaksi pelepasan,” kata Wakatsuki.

 Plasma: Keadaan fisik keempat dari materi, selain padat, cair, dan gas. Secara umum, semua materi dapat berubah menjadi keadaan plasma pada suhu beberapa ribu derajat Celcius atau lebih tinggi (karena cukup energi tersedia untuk membebaskan elektron dari atom). Reaktor fusi harus mampu menghasilkan plasma suhu tinggi lebih dari 100 juta derajat Celcius, dan memuatkan (mempertahankan) mereka sedemikian rupa agar tidak menyentuh benda padat, seperti bejana reaktor.

Terlebih lagi, fusi tidak menghasilkan limbah radioaktif tingkat tinggi (fisi menghasilkan limbah tingkat tinggi) dan merupakan proses "bersih", karena tidak memancarkan CO2. 

Seolah itu tidak cukup, deuterium, salah satu sumber bahan bakar fusi, dapat diproduksi oleh air elektrolisis, yang berarti itu hampir tidak ada habisnya. Dan meskipun sumber bahan bakar fusi lainnya, tritium, diekstraksi dari lingkungan, diperkirakan mungkin untuk memproduksinya secara artifisial di dalam reaktor, yang pada prinsipnya berarti, tidak ada yang perlu dikhawatirkan ketika menyangkut rantai pasokan.

Suatu bentuk kekuatan yang sangat efisien, sangat aman, ramah lingkungan, dengan pasokan bahan bakar yang hampir tidak ada habisnya. Ini, tentu saja, adalah mimpi yang menjadi kenyataan. Lalu mengapa mimpi itu tidak terwujud?

Nah, reaktor fusi lebih kompleks daripada apa pun yang pernah dibangun dalam sejarah manusia, dan perkembangannya – yang saat ini sedang berlangsung - membutuhkan hasil dari berbagai teknologi mutakhir. Misalnya, untuk menghasilkan fusi, pertama-tama Anda harus mengubah bahan bakar hidrogen menjadi plasma dengan memisahkan elektron dari inti. Plasma ini perlu dibuat dalam ruang hampa dan dipanaskan hingga suhu lebih dari 100 juta derajat Celcius. Plasma juga harus terkandung dan dikendalikan di dalam reaktor dengan menggunakan medan magnet yang kuat. Menghasilkan medan magnet ini secara stabil membutuhkan penggunaan gulungan superkonduktor.

Komponen yang digunakan dalam reaktor fusi sangat besar, namun memerlukan toleransi dimensi dalam urutan milimeter. Reaktor fusi, dalam arti tertentu, adalah kumpulan dari berbagai teknologi mutakhir. 

Proses fusi

Ada proyek di seluruh dunia yang sekarang sedang berjalan untuk membuat fusi menjadi kenyataan, yang disebut ITER ("The Way" dalam bahasa Latin) - penantang dunia energi, jika Anda mau, dengan tujuh entitas anggota (Jepang, Uni Eropa, Rusia, AS, Korea, Cina, dan India) bekerja bersama untuk membangun reaktor eksperimental di Saint-Paul-lez-Durance di Prancis selatan.

Jepang beertanggung jawab dalam pengembangan dan perakitan gulungan superkonduktor, yang akan menghasilkan medan magnet kuat yang dibutuhkan untuk menampung plasma — langkah penting dalam proses fusi. Kami bertanya sedikit kepada Kajitani dari QST dan Ishii dari Toshiba Energy Systems & Solutions Corporation mengenai proyek internasional yang luas ini. 

“Di ITER, setiap anggota memiliki peran dalam hal pengadaan peralatan yang dibutuhkan untuk membangun mesin ITER yang sebenarnya. Saat ini, kami sedang mengembangkan dan membuat komponen dalam persiapan untuk First Plasma (mulai operasi) pada tahun 2025. Dari komponen-komponen ini, kami bekerja bersama Toshiba pada produksi gulungan superkonduktor, khususnya, kumparan medan toroidal (TF), yang merupakan komponen sangat penting dalam reaktor fusi. Gulungan TF adalah struktur besar, tinggi 16,5 meter, lebar 9 meter, dan berat 300 ton. Namun toleransi dimensi yang diperlukan hanya beberapa milimeter. Proses pembuatannya melibatkan berbagai sisi, dan setiap langkah dalam prosesnya sangat kompleks. Dalam kasus konduktor niobium-timah yang digunakan dalam koil, butuh lebih dari seratus jam pemanasan pada 650 derajat Celcius untuk menyelesaikannya,” kata Kajitani.

“Toshiba telah terlibat dalam pengembangan teknologi fusi sejak tahun 1970-an. Kami terlibat dari tahap desain, dan telah membuat kemajuan berarti dalam hal desain dan pembuatan teknologi ini. Kami telah bekerja dengan QST dalam membangun perangkat fusi JT-60 (Breakeven Plasma Test Facility), serta penggantinya, JT-60SA (Super Advanced). Kami sedang berupaya untuk meningkatkan teknologi superkonduktor yang telah kami kembangkan, sementara juga menyempurnakan penanganan panas presisi tinggi untuk konduktor dalam gulungan TF untuk ITER, proses pengukuran untuk struktur skala besar, dan teknologi permesinan kami,” kata Ishii.

Ini adalah area pengembangan baru yang menggabungkan bidang fisika dan sektor teknik dengan manufaktur. Perakitan kumparan TF berada pada tingkat yang sepenuhnya berbeda dalam hal teknologi tinggi yang dibutuhkannya. Meskipun kumparan superkonduktor telah diimplementasikan dalam berbagai jenis perangkat, termasuk akselerator, mereka belum pernah diimplementasikan pada skala besar dengan tingkat sepresisi ini.

“Untuk membuat gulungan TF, kita harus berpengetahuan luas dan mahir dalam berbagai bidang. Pengetahuan tentang superkonduktivitas, tentu saja, tetapi juga teknik elektro dan elektromagnetik untuk koil agar dapat mencapai kinerja tinggi yang diminta oleh ITER. Pengetahuan tentang dinamika fluida dan termodinamika dalam menganalisis karakteristik fluida cairan pendingin di dalam koil, dan dari perspektif manufaktur, pengetahuan teknik material pada berbagai bahan yang terlibat. Proses perakitan itu sendiri juga membutuhkan teknologi pengelasan dan permesinan tingkat tinggi. Saya pikir kumparan TF ini mungkin merupakan objek pertama dari jenisnya yang pernah dibuat, jika dikaitkan dengan banyaknya teknologi tingkat tinggi dari berbagai bidang yang terlibat,” kata Kajitani.

Teknologi yang diwariskan dari generasi ke generasi untuk suatu impian fusi yang sudah lama diidamkan

Salah satu peran JT-60SA, yang dikembangkan bersama antara Jepang dan UE, adalah untuk melengkapi penelitian dan pengembangan ITER. JT-60SA adalah perangkat fusi eksperimental — penerus JT-60, yang dirancang dan dikembangkan pada 1970-an, dan JT-60U pada 1980-an.

Fusi membutuhkan bahan bakar hidrogen untuk menjadi plasma — suatu keadaan materi terionisasi yang mirip dengan gas. Tetapi untuk mencapai fusi, plasma harus dipanaskan hingga lebih dari 100 juta derajat Celcius. JT-60SA akan mengendalikan plasma dengan menggunakan medan magnet yang dihasilkan oleh superkonduktor, dan di bawah pengaruh panas dan tekanan yang ekstrem, akan menciptakan lingkungan plasma yang ideal untuk penelitian fusi.

“Ada tiga parameter penting dalam mengekstraksi energi dari fusi — suhu, kepadatan, dan waktu pengurungan plasma. Saat ini, kami mencoba mencari cara untuk meningkatkan kepadatan partikel plasma sambil menjaga plasma terkurung pada suhu yang lebih tinggi untuk jangjka waktu yang lebih lama. Untuk ITER, salah satu misi penting kami adalah memproduksi pembakaran plasma menggunakan deuterium dan tritium. Dengan demikian, desain ITER didasarkan pada metode operasi yang telah terbukti sangat andal dalam hal tiga parameter penting. Namun, JT-60SA dirancang agar kami dapat melakukan eksperimen yang lebih menantang dan menghasilkan plasma yang lebih efisien. Kami dapat meningkatkan tekanan plasma sehubungan dengan medan magnet, dan melakukan eksperimen yang lebih bermakna yang akan berguna untuk merancang reaktor fusi komersial di masa depan,” kata Wakatsuki.

Uji coba untuk JT-60SA akan dimulai pada tahun 2020. Jika percobaan ini berhasil menstabilkan dan memelihara plasma, itu akan menjadi batu loncatan menuju reaktor fusi yang mampu menghasilkan daya. Sebenarnya, ada antisipasi yang sangat besar yang tidak hanya untuk proyek ITER internasional, tetapi juga untuk penelitian mutakhir.   

Tentu saja, penelitian tingkat tinggi untuk JT-60SA ini juga akan mendorong perakitan ITER, yang dijadwalkan untuk beroperasi 2025, untuk terus bergerak maju. Dan ada keseluruhan peta jalan di luar itu - reaktor prototipe "DEMO" yang benar-benar dapat menghasilkan daya melalui fusi, dan reaktor komersial yang benar-benar dapat memasok daya ke jaringan listrik. Masing-masing dari tiga orang yang kami wawancarai, yang bekerja di garis depan proses pengembangan, menekankan pada masa mendatang — bagaimana teknologi fusi akan dilanjutkan ke masa depan.

“Saat ini, fusi bukan hanya sebuah mimpi yang jauh. Ini adalah teknologi yang kami bayangkan bekerja di dunia nyata. Akan tetapi, sampai sekarang, tampaknya itu hanya akan dipraktikkan — yaitu, dalam menghasilkan listrik — pada pertengahan abad ke-21, atau sekitar 2050. Yang penting, dalam hal percepatan penelitian ini, adalah personel yang terampil. Merupakan harapan saya yang tak pernah pudar bahwa kita mendapatkan lebih banyak darah baru — individu yang bersemangat yang akan membantu mendorong penelitian yang mengubah dunia ini,” kata Wakatsuki.

“Ada dua jenis orang yang terlibat dalam pengembangan teknologi fusi : orang yang ingin berkontribusi pada realisasi sumber energi masa depan, dan orang yang ingin belajar teknologi yang secara teknis menantang dan mencoba campur tangan mereka di bidang baru. Di sini, di Toshiba, kami memiliki banyak peneliti dan insinyur lama yang telah menghabiskan seluruh hidup mereka bergulat dengan teknologi fusi. Kami berharap dapat memperkuat warisan mereka dengan semangat generasi muda untuk mengubah fusi menjadi proyek yang kuat dan berakar dalam,” kata Ishii.

“Kami berkolaborasi dengan pabrikan untuk membuat kumparan TF. Kami bekerja sekeras yang mungkin untuk mencapai sasaran kami yaitu mengirimkan semua kumparan TF pada tahun 2021, tetapi tentu saja, bagian yang sangat berarti dari proses ini berada di luar itu. Toshiba memiliki banyak staf muda di lokasi yang sangat termotivasi bekerja untuk mendapatkan pengalaman manufaktur, mewarisi obor dan membangun teknologi canggih.

ITER adalah proyek internasional terbesar umat manusia, dan Anda pasti tidak bisa mendapatkan pengalaman seperti ini di tempat lain. Ini hal yang sangat langka. Saya mohon staf yang lebih muda untuk memanfaatkan pengalaman yang mereka dapatkan dari ITER di masa depan. Pencarian bersama untuk mengembangkan teknologi fusi oleh kami di QST sini dan Toshiba, dan semua pengetahuan yang diperoleh darinya, pasti akan terbukti bermanfaat dalam kegiatan penelitian dan pengembangan di luar reaktor prototipe "DEMO"," ujar Kajitani.

Banyaknya proyek penelitian dan uji coba yang dilakukan melalui ITER dan JT-60SA tidak diragukan lagi akan menghasilkan tingkat pencapaian baru, harapan baru, dan impian baru. Di balik cakrawala, terhampar hasrat dan dedikasi dari para peneliti dan insinyur ini, suatu energi baru — sesuatu yang mungkin akan menentukan nasib seluruh umat manusia.