Membangun Matahari di Bumi: Tonggak Sejarah ITER dalam Pengembangan Energi Fusi

Energi fusi nuklir dapat menjadi sumber energi berkelanjutan yang penting untuk melengkapi energi terbarukan. Eksperimen fusi terbesar di dunia, ITER, sedang dibangun di Prancis. Kredit: Organisasi ITER

Tonggak utama dalam kontribusi Eropa dan Jepang terhadap proyek energi fusi ITER.

Proyek energi fusi ITER menandai tonggak penting dengan penyelesaian 19 kumparan medan toroidal, yang penting untuk pembatasan magnetik dalam energi fusi. Dikembangkan selama dua dekade melalui upaya multinasional, komponen-komponen ini menandakan langkah maju dalam menghasilkan sumber energi yang bersih dan berlimpah. Proyek ini menunjukkan kolaborasi internasional dan inovasi teknologi yang luar biasa, yang melibatkan lebih dari 30 negara dan banyak perusahaan teknologi tinggi.

Setelah dua dekade desain, produksi, fabrikasi, dan perakitan di tiga benua, proyek energi fusi ITER multinasional yang bersejarah merayakan penyelesaian dan pengiriman kumparan medan toroidal besarnya dari Jepang dan Eropa.

Masahito Moriyama, Menteri Pendidikan, Kebudayaan, Olahraga, Sains, dan Teknologi Jepang, dan Gilberto Pichetto Fratin, Menteri Lingkungan Hidup dan Keamanan Energi Italia, akan menghadiri upacara tersebut bersama pejabat dari anggota ITER lainnya.

Bagaimana kumparan medan toroidal dipasang di sekeliling bejana vakum tokamak (termasuk skala manusia). Kredit: ITER

Bagaimana Fusion Bekerja?

• Sejumlah kecil fuel deuterium dan tritium (hidrogen) disuntikkan ke dalam ruang vakum besar berbentuk donat, yang disebut tokamak.
• Hidrogen dipanaskan sampai menjadi ion plasmayang tampak seperti awan.
• Magnet superkonduktor raksasa, terintegrasi dengan tokamak, membatasi dan membentuk plasma terionisasi, menjauhkannya dari dinding logam.
• Ketika plasma hidrogen mencapai 150 juta derajat Celsius—sepuluh kali lebih panas dari inti Matahari—fusi terjadi.
• Dalam reaksi fusi, sejumlah kecil massa diubah menjadi sejumlah besar energi (E=mc²).
• Neutron berenergi sangat tinggi, yang dihasilkan melalui fusi, lepas dari medan magnet dan menghantam dinding ruang tokamak logam, menyalurkan energinya ke dinding sebagai panas.
• Beberapa neutron bereaksi dengan litium di dinding logam, menciptakan lebih banyak bahan bakar tritium untuk fusi.
• Air yang bersirkulasi di dinding tokamak menerima panas dan diubah menjadi uap. Dalam reaktor komersial, uap ini akan menggerakkan turbin untuk menghasilkan listrik.
• Ratusan tokamak telah dibangun, tetapi ITER adalah yang pertama dirancang untuk mencapai plasma yang “terbakar” atau sebagian besar memanaskan dirinya sendiri.

Kolaborasi International dalam Energi Fusi

Sembilan belas kumparan medan toroidal raksasa telah dikirim ke Prancis selatan. Kumparan-kumparan ini akan menjadi komponen utama dalam ITER, proyek fusi raksasa yang akan menggunakan kurungan magnetik untuk meniru proses yang memberi daya pada Matahari dan bintang-bintang serta memberi Bumi cahaya dan kehangatan.

Penelitian fusi ditujukan untuk mengembangkan sumber energi yang aman, melimpah, dan ramah lingkungan.

ITER merupakan kolaborasi lebih dari 30 negara mitra: Uni Eropa, Tiongkok, India, Jepang, Korea, Rusia, dan Amerika Serikat. Sebagian besar pendanaan ITER berupa komponen yang disumbangkan. Kesepakatan ini mendorong perusahaan seperti Mitsubishi Heavy Industries, ASG Superconductors, Toshiba Power Techniques, SIMIC, CNIM, dan masih banyak lagi untuk memperluas keahlian mereka dalam teknologi mutakhir yang dibutuhkan untuk fusi.

Kumparan medan toroidal berbentuk D akan ditempatkan di sekitar bejana vakum ITER, sebuah ruang berbentuk donat yang disebut tokamak. Di dalam bejana tersebut, inti atom yang ringan akan menyatu untuk membentuk inti atom yang lebih berat, melepaskan energi yang sangat besar dari reaksi fusi.

Bahan bakar untuk reaksi fusi ini adalah dua bentuk hidrogen, deuterium, dan tritium (DT). Bahan bakar ini akan disuntikkan sebagai fuel ke dalam tokamak. Dengan mengalirkan arus listrik melalui fuel, fuel tersebut berubah menjadi plasma terionisasi – wujud materi keempat, awan inti dan elektron.

Setelah dua dekade merancang, memproduksi, membuat, dan merakit di tiga benua, proyek energi fusi multinasional ITER yang bersejarah merayakan penyelesaian dan pengiriman kumparan medan toroidal besarnya dari Jepang dan Eropa. Kredit: Fusion for Power

Merekayasa Masa Depan Energi

Plasma akan dipanaskan hingga 150 juta derajat, 10 kali lebih panas dari inti matahari. Pada suhu ini, kecepatan inti atom ringan cukup tinggi untuk bertabrakan dan menyatu. Untuk membentuk, membatasi, dan mengendalikan plasma yang sangat panas ini, tokamak ITER harus menghasilkan sangkar magnetik tak kasat mata, yang dibentuk secara tepat sesuai dengan bentuk bejana vakum logam.

ITER menggunakan niobium-timah dan niobium-titanium sebagai materials untuk kumparan raksasanya. Saat diberi energi listrik, kumparan tersebut berubah menjadi elektromagnet. Saat didinginkan dengan helium cair hingga -269 derajat Celsius (4 Kelvin), kumparan tersebut menjadi superkonduktor.

Komponen Inti ITER

Untuk menciptakan medan magnet yang dibutuhkan, ITER menggunakan tiga susunan magnet yang berbeda. Delapan belas magnet medan toroidal berbentuk D membatasi plasma di dalam wadah. Magnet medan poloidal, satu set enam cincin bertumpuk yang mengelilingi tokamak secara horizontal, mengendalikan posisi dan bentuk plasma.

Di bagian tengah tokamak, solenoid sentral berbentuk silinder menggunakan denyut energi untuk menghasilkan arus yang kuat dalam plasma. Pada 15 juta ampere, arus plasma ITER akan jauh lebih kuat daripada apa pun yang mungkin ada di tokamak saat ini atau sebelumnya.

Sepuluh kumparan diproduksi di Eropa, di bawah naungan Badan Domestik Eropa ITER, Fusion for Power (F4E). Delapan kumparan ditambah satu kumparan cadangan dibuat di Jepang, dikelola oleh ITER Jepang, bagian dari Institut Nasional untuk Sains dan Teknologi Kuantum (QST).

Setiap gulungan yang telah selesai berukuran sangat besar: tingginya 17 meter dan lebarnya 9 meter, serta beratnya sekitar 360 ton.

Kumparan medan toroidal akan beroperasi bersama-sama, pada dasarnya, sebagai satu magnet tunggal: magnet terkuat yang pernah dibuat.

Mereka akan menghasilkan complete energi magnetik sebesar 41 gigajoule. Medan magnet ITER akan sekitar 250.000 kali lebih kuat daripada Bumi.

Membuat Kumparan Medan Toroidal

Proses pembuatannya dimulai dengan produksi untaian niobium-timah. Lebih dari 87.000 kilometer kawat tipis dibutuhkan untuk membuat 19 kumparan medan toroidal. Untaian ini diproduksi di Tiongkok, Eropa, Jepang, Korea, Rusia, dan Amerika Serikat.

Ratusan helai niobium-timah dililitkan dengan helai tembaga menjadi gugusan seperti tali, dan dimasukkan ke dalam jaket baja, dengan saluran tengah untuk menampung aliran paksa helium cair.

Hasilnya – “kabel dalam saluran,” atau cukup “konduktor” – membentuk elemen inti kumparan. Materials konduktor ini dikirim ke Jepang dan Eropa untuk memulai proses fabrikasi.

Pembuatannya bahkan lebih menantang. Untuk memulai, sekitar 750 meter konduktor ditekuk menjadi lintasan spiral ganda dan diberi perlakuan panas pada suhu 650 derajat Celsius. Kemudian, konduktor dipasang dengan tepat ke dalam “pelat radial” berbentuk D, struktur baja tahan karat dengan alur di kedua sisi tempat konduktor bersarang.

Konduktor dibungkus dan diisolasi menggunakan kaca dan pita Kapton. Pelat penutup dipasang dan dilas dengan laser. Ini menciptakan “pancake ganda”, subkomponen besar namun rapuh yang terbuat dari dua lapisan konduktor. Seluruh panekuk ganda kemudian dibungkus lagi dengan pita isolasi dan disuntikkan dengan resin untuk menambah kekuatan struktural, menggunakan vakum untuk menghilangkan kantong udara.

Pada tahap berikutnya, tujuh panekuk ganda ditumpuk untuk membuat “paket berliku”, yang membentuk inti magnet. Setiap panekuk ganda disambungkan ke panekuk berikutnya untuk kontinuitas listrik. Paket berliku secara keseluruhan diisolasi, diberi perlakuan panas, dan sekali lagi disuntik dengan resin.

Terakhir, paket penggulung dimasukkan ke dalam wadah baja tahan karat yang besar dan sesuai tujuannya, dengan berat sekitar 200 ton, cukup kuat untuk menahan gaya besar yang akan dihasilkan selama operasi ITER.

Lebih dari 40 perusahaan dan lebih dari 000 teknisi ahli terlibat dalam pembuatan kumparan medan toroidal (TF). Beberapa perusahaan utama Eropa meliputi:

• ASG Superconductors memproduksi 70 TF double pancake dan 10 winding pack.
• CNIM memproduksi 35 pelat radial TF.
• SIMIC memproduksi 35 pelat radial TF dan menyelesaikan 10 kumparan TF,
• Iberdrola mengoordinasikan produksi 10 paket penggulung kumparan TF.
• Elytt Power memproduksi perkakas untuk pancake ganda 70 TF.
• BNG menyelesaikan uji dingin, pada 80 Kelvin, terhadap 10 paket lilitan TF.

Jepang bertanggung jawab atas pembuatan ke-19 casing kumparan TF, dalam kerja sama antara Mitsubishi Heavy Industries, Toshiba Power Techniques, dan Hyundai Heavy Industries. Selain itu, perusahaan-perusahaan utama yang terlibat dalam pembuatan kumparan TF Jepang meliputi:

• Mitsubishi Electrical Company memproduksi 5 paket penggulung TF.
• Arisawa Manufacturing memproduksi semua pita isolasi.
• Mitsubishi Heavy Industries menyelesaikan 5 TF Coils.
• Toshiba Power Techniques menyelesaikan 4 TF Coil.

“Penyelesaian dan pengiriman 19 kumparan medan toroidal ITER merupakan pencapaian yang monumental,” kata Pietro Barabaschi, Direktur Jenderal ITER. “Kami mengucapkan selamat kepada pemerintah Anggota, Badan Domestik ITER, perusahaan yang terlibat, dan banyak individu yang mendedikasikan waktu yang tak terhitung jumlahnya untuk upaya luar biasa ini.”