Kemajuan Teknologi Fusi Nuklir AS untuk Energi Berkelanjutan

Para ilmuwan menghadapi tantangan besar mengembangkan material yang kuat dan tahan suhu sangat dingin untuk reaktor fusi nuklir. Baja khusus harus mampu menahan medan magnet sangat kuat dan tekanan besar tanpa kehilangan kekuatan dan ketahanan materialnya. China mengembangkan baja bernama CHSN01 yang berhasil memenuhi standar ketat kekuatan dan ketahanan pada suhu rendah, melebihi material yang digunakan pada proyek ITER yang ada di Prancis. Baja ini dibuat dengan memodifikasi komposisi elemen seperti vanadium, karbon, dan nitrogen. Partisipasi ahli fisika terkemuka Zhao Zhongxian sangat berperan dalam mempercepat kemajuan proyek sejak 2020. Dengan dukungan penelitian nasional dan kolaborasi berbagai institusi, China berhasil menciptakan baja yang mampu digunakan dalam reaktor fusion yang sedang dibangun. CHSN01 digunakan dalam konstruksi reaktor fusi bernama BEST di China yang mulai dirakit pada tahun 2023 dengan tujuan selesai pada 2027. Baja ini digunakan untuk sekitar 500 ton bagian konduktor, menjadikannya bahan kunci dalam sistem magnet superkonduktor untuk reaktor tersebut. Keberhasilan ini menandai terobosan penting dalam teknologi fusi nuklir dan rekayasa material, serta menunjukkan bahwa China berambisi besar melampaui proyek ITER dalam mengembangkan energi fusi yang dapat menghasilkan listrik secara komersial.

Sebuah tim peneliti dari Los Alamos National Laboratory yang bekerja sama dengan Lawrence Livermore National Laboratory berhasil mencapai ignisi fusi dalam sebuah eksperimen penting di National Ignition Facility, Amerika Serikat. Percobaan ini dilakukan dengan menggunakan platform diagnostik baru yang bernama THOR yang memungkinkan beberapa X-ray keluar dari reaktor untuk keperluan pengukuran. Ignisi fusi adalah kondisi di mana reaksi fusi menghasilkan energi lebih besar daripada energi yang dimasukkan, yang merupakan tonggak penting dalam pengembangan energi fusi. Eksperimen ini mengonfirmasi bahwa ignisi tetap dapat diraih meskipun ada modifikasi pada sistem hohlraum, yaitu tabung berlapis emas tempat terjadinya fusi, yang biasanya tertutup rapat. Sistem THOR yang mengubah hohlraum dengan memasang jendela khusus memungkinkan para ilmuwan untuk mengamati dan meneliti bagaimana material merespons radiasi ekstrim dengan menggunakan X-ray keluar tersebut. Hal ini sangat penting untuk mempelajari sifat material yang akan dipaparkan pada kondisi plasma yang ekstrem. Meskipun modifikasi ini membuat sebagian energi X-ray keluar, tim peneliti berhasil mengatasi risiko penurunan kinerja implosi bahan bakar dengan bantuan simulasi komputer berketelitian tinggi. Hasilnya, energi fusi sebesar sekitar 2,4 megajoule berhasil dihasilkan, bersama dengan plasma pembakaran yang mandiri. Keberhasilan eksperimen ini menandai kemajuan besar dalam pengembangan teknologi fusi nuklir dan penggunaan platform ignisi untuk memperluas studi fisika plasma dan pemahaman tentang perilaku material di bawah kondisi ekstrem, membuka peluang riset yang lebih luas di masa depan.

Helion Energy adalah perusahaan yang berbasis di Washington, Amerika Serikat, yang tengah membangun fasilitas pembangkit listrik tenaga fusi di Chelan County. Mereka berfokus menghasilkan energi listrik berbiaya rendah dan bebas karbon dari bahan bakar yang berasal dari air. Proyek ini dinamakan Orion dan diharapkan menghasilkan listrik secara komersial pada tahun 2028. Fusi nuklir adalah proses menggabungkan atom-atom untuk menghasilkan energi sangat besar tanpa emisi karbon dan limbah radioaktif jangka panjang. Helion sebelumnya memiliki prototipe bernama Trenta yang mampu mencapai suhu operasi 100 juta derajat Celsius, suhu yang dianggap cukup untuk pengoperasian komersial pembangkit listrik fusi. Microsoft menjadi pelanggan utama energi yang akan dihasilkan Helion dan sudah menandatangani perjanjian pembelian listrik pertama di dunia dari energi fusi. Proyek ini didukung oleh Constellation Energy yang bertugas sebagai pemasar listrik. Helion menjalani proses perizinan dan analisis dampak lingkungan yang ketat di wilayah setempat. Helion juga tengah mengembangkan prototipe terbaru bernama Polaris di Everett, Washington, yang fokus pada bagaimana menghasilkan energi lebih banyak daripada energi yang diperlukan untuk memulai dan mempertahankan reaksi fusi. Perusahaan ini mendapat investasi dari tokoh ternama seperti Sam Altman dan SoftBank. Proyek ini menjadi langkah penting dalam perkembangan teknologi energi bersih di dunia. Penyaluran energi bersih dan murah dari fusi diharapkan mendukung ketahanan energi serta mengurangi ketergantungan pada sumber energi fosil yang menyebabkan polusi dan perubahan iklim.

Para ilmuwan menemukan bahwa penggunaan lithium pada dinding tokamak dapat membantu membuat reaktor fusi lebih stabil dan efisien. Lithium mampu menciptakan lapisan pelindung yang bisa memperbaiki diri sendiri selama operasi plasma yang sangat panas. Penelitian ini membandingkan dua cara penggunaan lithium, yaitu pelapisan sebelum operasi dan injeksi bubuk lithium selama operasi. Hasilnya, injeksi bubuk lithium saat operasi lebih efektif dalam menjaga suhu yang merata dan kestabilan plasma. Lithium juga punya kemampuan membentuk lapisan gas pelindung ketika suhu dinding mencapai sangat tinggi. Hal ini sangat penting untuk melindungi bagian dalam reaktor dari panas yang bisa merusak material. Penelitian menunjukkan bahwa penahanan bahan bakar plasma tidak banyak dipengaruhi oleh ketebalan lapisan lithium yang diterapkan sebelum operasi. Sebaliknya, bahan bakar lebih banyak terjebak pada bagian hasil koposisi atau co-deposit. Penggunaan lithium adalah kunci untuk mengganti dinding grafit dan tungsten di tokamak agar dapat beroperasi lebih baik. Laboratorium seperti PPPL tengah mengembangkan teknologi lithium injeksi dan dinding lithium cair untuk eksperimen reaktor fusi masa depan.

Perusahaan Kanada First Hydrogen Corp. memulai kolaborasi dengan University of Alberta untuk merancang reaktor modular kecil (SMR) guna menyediakan sumber energi nuklir rendah karbon bagi produksi hidrogen hijau yang lebih terjangkau dan stabil. Kolaborasi ini menggabungkan keahlian insinyur First Hydrogen dan profesor Muhammad Taha Manzoor dalam menyempurnakan bahan bakar, inti reaktor, dan tata letak pabrik agar cocok untuk konversi energi menjadi hidrogen. SMR dirancang untuk daya ratusan megawatt, mudah dibangun dan dipasang di lokasi industri atau terpencil, serta menawarkan keamanan dan efisiensi operasi yang lebih baik dibandingkan reaktor konvensional berukuran besar. Kanada dengan pengalaman 60 tahun di bidang nuklir dan dukungan pemerintah sebagai bagian dari strategi energi masa depan dijadikan basis peluncuran proyek ini, meskipun lokasi potensial di Eropa juga sedang dipertimbangkan. First Hydrogen mengintegrasikan teknologi nuklir ini dalam strategi mereka untuk mengurangi ketergantungan pada listrik berbasis fosil dan mendukung kendaraan hidrogen dengan memasok listrik yang stabil bagi produksi hidrogen.

Proyek reaktor mikro MARVEL di Idaho National Laboratory berhasil menyelesaikan pengujian sistem pendingin selama tiga bulan menggunakan fasilitas uji non-nuklir yang disebut PCAT. Sistem pendinginan ini unik karena memanfaatkan sirkulasi alami tanpa pompa untuk menjaga suhu reaktor tetap aman. Pengujian menggunakan PCAT memungkinkan para insinyur mensimulasikan kondisi reaktor nyata tanpa bahan nuklir, menggunakan listrik untuk menghasilkan panas sebagai pengganti bahan bakar. Hasil pengujian menunjukkan aliran sirkulasi alami yang stabil dan efektif dalam menghilangkan panas dari sistem. Selain menguji sistem pendingin, pengujian ini juga menjadi kesempatan untuk menguji perangkat lunak keselamatan RELAP5-3D yang digunakan untuk memprediksi kondisi operasi dan keadaan darurat reaktor. Data dari pengujian sangat cocok dengan prediksi perangkat lunak, meningkatkan kepercayaan terhadap analisis keselamatan. Pengujian juga mengungkapkan adanya kehilangan panas yang lebih besar dari perkiraan, yang menjadi pelajaran penting untuk meningkatkan desain akhir dari MARVEL agar efisiensi energi tetap optimal. Awalnya, sistem pendinginan menggunakan mesin Stirling, tapi kemudian diganti dengan sistem berbasis radiator karena masalah getaran dan kebisingan. Dengan hasil pengujian yang positif dan validasi desain, tim MARVEL siap melangkah ke tahap produksi, perakitan, dan pengoperasian reaktor mikro di fasilitas khusus pada tahun 2028, membuka jalan bagi teknologi reaktor kecil yang aman dan efisien.