Menilik Kemampuan "Matahari Buatan" China, Lampaui Batas Mustahil

Reaktor fusi Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST) milik China kembali mencuri perhatian dunia.

Fasilitas yang kerap dijuluki sebagai "matahari buatan" itu baru saja mencapai pencapaian yang selama puluhan tahun dianggap sebagai batas fundamental dalam pengembangan energi fusi nuklir.

Dalam eksperimen terbarunya, EAST berhasil mengoperasikan plasma pada tingkat kepadatan yang melampaui batas Greenwald, sebuah ambang yang selama ini menjadi acuan aman bagi pengoperasian reaktor tokamak di berbagai negara.

Keberhasilan tersebut membuat EAST mampu menembus apa yang selama ini dianggap sebagai "limit mustahil" dalam dunia energi fusi.

Lebih dari sekadar memecahkan rekor, pencapaian ini juga membuka peluang baru untuk menghasilkan energi yang jauh lebih besar tanpa harus membangun reaktor yang lebih besar atau meningkatkan suhu operasinya secara drastis.

Para peneliti bahkan menilai hasil tersebut dapat membuka jalan menuju kondisi "fusion ignition", yakni saat reaksi fusi mampu mempertahankan dirinya sendiri tanpa memerlukan tambahan energi dalam jumlah besar dari luar.

Kemampuan "matahari buatan" China

EAST merupakan reaktor tokamak yang dirancang untuk meniru proses yang terjadi di Matahari.

Dalam sistem ini, plasma bersuhu sangat tinggi dikurung menggunakan medan magnet berbentuk toroidal atau menyerupai cincin.

Di dalam kondisi ekstrem tersebut, inti-inti atom dapat bertabrakan dan menyatu sehingga menghasilkan energi fusi.

Teknologi fusi selama bertahun-tahun dipandang sebagai "cawan suci" dunia energi karena berpotensi menghasilkan listrik dalam jumlah sangat besar dengan emisi karbon yang sangat rendah.

Namun, mewujudkan pembangkit listrik tenaga fusi bukan perkara mudah. Salah satu tantangan terbesar yang dihadapi para ilmuwan adalah menjaga plasma tetap stabil ketika kepadatannya semakin tinggi.

Padahal, kepadatan plasma merupakan faktor penting dalam menghasilkan energi. Semakin banyak partikel yang terkandung di dalam plasma, semakin sering tumbukan antarpartikel terjadi dan semakin besar pula energi yang dihasilkan.

Para ilmuwan bahkan mengetahui bahwa energi hasil reaksi fusi meningkat sebanding dengan kuadrat kepadatan plasma. Artinya, kenaikan kepadatan yang relatif kecil dapat menghasilkan peningkatan energi yang jauh lebih besar.

Masalahnya, selama puluhan tahun terdapat batas yang dikenal sebagai batas Greenwald.

Ketika kepadatan plasma mendekati atau melampaui ambang tersebut, plasma berisiko kehilangan kestabilannya.

Plasma dapat pecah, keluar dari kurungan medan magnet, dan melepaskan energi besar ke dinding bagian dalam reaktor.

Kondisi itu berpotensi mengganggu operasi reaktor dan merusak komponen di dalamnya. Karena alasan tersebut, batas Greenwald selama ini dianggap sebagai salah satu hambatan utama dalam meningkatkan performa reaktor fusi.

Bahkan, batas tersebut kerap dipandang sebagai limit yang nyaris mustahil dilampaui secara aman dan stabil.

EAST berhasil melampauinya

Dalam eksperimen terbaru, EAST tidak hanya berhasil melewati batas Greenwald sesaat.

Tim peneliti melaporkan bahwa plasma tetap stabil dan terkendali saat beroperasi pada kepadatan sekitar 1,3 hingga 1,65 kali lebih tinggi dibanding batas Greenwald.

Untuk mencapai hasil tersebut, para ilmuwan menerapkan sejumlah pendekatan khusus sejak tahap awal pembentukan plasma.

Mereka memanfaatkan pemanasan tambahan, termasuk melalui metode Electron Cyclotron Resonance Heating (ECRH), serta mengatur jumlah gas awal secara sangat presisi menggunakan teknik pre-charged synergistic start-up.

Pendekatan tersebut membantu menjaga kondisi di area tepi plasma, yang selama ini dikenal sebagai wilayah paling rentan terhadap gangguan kestabilan.

Selain itu, EAST juga memanfaatkan desain dinding logam penuh (all-metal wall). Lingkungan operasi tersebut membantu mengurangi pelepasan partikel-partikel pengotor dari permukaan dinding reaktor yang dapat mengganggu kestabilan plasma.

Tim peneliti juga mengendalikan kondisi target plate guna mengurangi sputtering yang didominasi pengotor tungsten dari material dinding reaktor.

Keberhasilan EAST turut didukung oleh pengembangan model teoritis baru bernama Plasma-Wall Interaction Self-Organisation (PWSO).

Model yang dikembangkan tim dari Institute of Plasma Physics (ASIPP), Chinese Academy of Sciences itu menjelaskan bagaimana interaksi antara plasma dan dinding reaktor dapat memengaruhi munculnya batas kepadatan plasma.

Melalui penelitian tersebut, para ilmuwan menemukan bahwa radiasi di wilayah batas plasma memiliki peran penting dalam memicu tercapainya batas Greenwald.

Dengan mengendalikan kondisi tersebut, plasma EAST berhasil diarahkan menuju kondisi operasi baru yang disebut sebagai "density-free region" atau wilayah bebas kepadatan.

Menurut tim peneliti, hasil eksperimen menunjukkan kesesuaian yang tinggi dengan prediksi teori PWSO sekaligus menjadi konfirmasi pertama mengenai keberadaan kondisi tersebut pada reaktor tokamak.

Temuan ini dinilai penting karena membantu menjelaskan mekanisme fisik yang selama ini diyakini berada di balik batas Greenwald, tetapi belum sepenuhnya dipahami oleh komunitas ilmiah internasional.

Masih ada tantangan 

Jika reaktor dapat beroperasi pada kepadatan 1,3 kali lebih tinggi dibanding batas sebelumnya, laju reaksi fusi berpotensi meningkat jauh lebih besar dari 30 persen.

Pada tingkat kepadatan mencapai 1,65 kali batas Greenwald, peningkatan energi bahkan dapat mencapai beberapa kali lipat.

Artinya, reaktor masa depan berpotensi menghasilkan energi jauh lebih besar tanpa perlu memperbesar ukuran perangkat atau menaikkan suhu operasi secara ekstrem.

Meski demikian, para peneliti menegaskan bahwa pencapaian ini belum berarti pembangkit listrik tenaga fusi siap dibangun dalam waktu dekat.

Masih terdapat berbagai tantangan besar yang harus diatasi, mulai dari kemampuan plasma mempertahankan panas dalam jangka waktu lama, ketahanan material dinding reaktor terhadap kondisi ekstrem, hingga berbagai persoalan rekayasa lainnya.

Hasil penelitian ini telah dipublikasikan di jurnal Science Advances melalui kolaborasi antara Institute of Plasma Physics, Huazhong University of Science and Technology, serta Aix-Marseille University.

Sebagai informasi, EAST telah beroperasi sejak 2006 dan menjadi platform penelitian terbuka bagi ilmuwan China maupun peneliti internasional dalam pengembangan teknologi fusi nuklir, sebagaimana dihimpun KompasTekno dari Above The Norm News dan World Nuclear News.

Karena itu, meski jalan menuju pembangkit listrik fusi komersial masih panjang, keberhasilan EAST menembus batas yang selama ini dianggap fundamental menunjukkan bahwa upaya menghadirkan "matahari buatan" sebagai sumber energi masa depan semakin mendekati kenyataan.

KOMPAS.com berkomitmen memberikan fakta jernih, tepercaya, dan berimbang. Dukung keberlanjutan jurnalisme jernih dan nikmati kenyamanan baca tanpa iklan melalui Membership. Gabung KOMPAS.com Plus sekarang