Grönarealisten

Som jag nämnde i ett tidigare inlägg så ska jag börja skriva lite mer tekniska inlägg relaterade till kärnkraft. Som en liten inledning på mer tekniska inlägg ska jag skriva en serie om använt kärnbränsle(det är lite fel egentligen att kalla det kärnavfall). I första delen ska jag skriva om vad problemet egentligen är och vad det använda kärnbränslet består av. Blir inte så mycket mer än en lista på vilka isotoper som är problematiska ect. I de uppföljande delarna ska jag skriva om hur man kan ta hand om det använda kärnbränslet både kortsiktigt och vilka tekniker som kommer dyka upp under de närmaste 20-30 åren.

Eftersom jag är fysiker och inte kemist så kommer jag mest fokusera på fysiken, även om det finns många otroligt intressanta kemiska frågor. Som tex hur avfallen beter sig kemiskt i geologiska förvaringar. Men det är bäst att fokusera på det man kan, som i mitt fall är kärnfysik och reaktorfysik. Undantaget kommer nog bli den naturliga Oklo reaktorn i afrika. Som vanligt är naturen långt före oss människor och Oklo reaktorn var inget annat än en naturlig ansamling av uran som blev kritisk när nog mängd vatten ran ner. perfekt bevis på att fission inte är "onaturligt". Hur avfallen spridits från den naturliga reaktorn, helt utan skyddsbarriärer, säger en hel del om vilken säkerhet man kan uppnå och hur mobila de ämnena är.

Fast som sagt, tillbaka till den grundläggande problematiken. Sparar det mer spännande till framtida delar.

Som alla vet så produceras energi i en kärnreaktor genom att man klyver uran och till viss mån plutonium. Ska man vara mer korrekt så är det en specifik isotop av uran som klyvs, nämligen uran-235. Kärnbränsle består av 3-5% uran-235 och resten är uran-238. Avfall uppkommer genom kärnreaktioner med de två isotoperna. Vi kan först titta på fissionen av uran-235. Fission sker när en neutron absorberas av uran-235. Den extra neutronen gör uran-235 instabil och efter ett ögonblick så delas kärnan till två nya kärnor vardera ungefär hälften så tung som urankärnan. Även några neutroner frigörs som i sin tur kan fissionera nya kärnor. Det är inte alltid samma två kärnor, kallade fissionsprodukter, som skapas vid fission utan det skapas ett helt spekrum av olika kärnor med olika egenskaper.


Bilden ovan visar fördelningen av olika kärnor som uppstår vid fission. Vid de flesta fissionerna så skapas kärnor med masstal, dvs antalet protoner+neutroner, runt 90 och 140. Dessa fissionsprodukter skapas med en obalans mellan antalet neutroner och protoner, sådana kärnor är givetvis instabila och kommer sönderfalla. Eftersom radioaktivitet inte är något annat än sönderfallande kärnor så innebär det givetvis att fissionsprodukterna är väldigt radioaktiva. Så radioaktiva att det använda bränslet måste ligga i vattenfyllda pooler i flera år innan man kan tänka på att slutförvara eftersom det radioaktiva sönderfallet producerar så mycket värme. Det är även den värmeproduktionen(och inte fissionsreaktioner i sig) som kan leda till en härdsmälta i en reaktor ifall kylningen går sönder. Att vistas nära fissionsprodukter utan skydd vore rent självmord.

Men det är faktiskt en fördel ur en annan synvinkel att fissionsprodukterna är väldigt radioaktiva. Ju högre aktivitet ju lägre halveringstid. Om vi bara hade haft fissionsprodukter att oroa oss för hade vi bara behövt säkra avfallet i några hundra år, efter det hade det varit totalt harmlöst eftersom allting har sönderfallit till stabila kärnor.

Grafen ovan visar hur aktiviteten hos fissionsprodukterna sjunker med tiden. Notera att skalorna är logaritmiska! Redan efter 200 år så är aktiviteten bara en hundradel av vad den är efter 10 år. Vi kan titta lite närmare på vilka fissionsprodukter som är aktivast(data från SKB 1977 KBS 1 Handling of spent nuclear fuel and final storage of vitrified high level reprocessing waste, IV - Safety analysis).

Liten korrektion, det ska vara relativt aktivitet 1000 år, inte 100 år, i sista kolumnen av tabellen nedan.



Med relativ aktivitet menar jag den procentuella andelen av den totala aktiviteten som isotope står för. Det är viktigt att komma ihåg att den totala aktiviteten minskar dramatiskt, efter 1000 år så är den totala aktiviteten 15 000 gånger så låg som efter 10 år! Så även om Technetiums andel av den totala aktivitet stiger så sjunker den totala aktiviteten.

Jod nämns ofta i samband med avfall, anledningen till att jag inte har med jod i listan ovan är för att dess aktivitet är otroligt låg på grund av sin långa halveringstid, endast efter en miljon år är dess relativa aktivitet nämnvärd, men då är den totala aktiviteten så låg att det är försumbart. I en slutförvaring kommer endast isotopen jod 129 finnas med. Den isotop som orsakade bekymmer efter tjernobyl var jod 131, men den har en halveringstid på några dagar och är existerar därmed inte längre när avfallet ska in i slutförvaring. Jod är farligt främst för att det väldigt lätt tar sig ur en reaktor vid tex en olycka, minst 50% av tjernobylreaktorns jodinnehåll frigjordes medans bara någon % av reaktorns totala innehåll frigjordes. Att se till att jod håller sig inne i behållaren vid en slutförvaring är alltså viktigt och något besvärligt. Men den totala aktiviteten av jod är otroligt låg och risken att en jodläcka skulle leda till allvarliga skador är väldigt låg.

Av tabellen och grafen ovan drar man lätt slutsatsen att fissionsprodukter inte är något  långsiktigt problem. De är högaktiva men därför så sönderfaller de fort till stabilitet. Fissionsprodukterna är på många sätt den mest lätthanterliga delen av avfallet, om vi endast hade dom att ta hand om hade slutförvaring inte varit något problem alls.

Men det finns annat material i använt kärnbränsle som kan ställa till med problem. Jag nämnde att även kärnreaktione med uran-238 skapar avfall. Men då handlar det inte om fissions längre utan om absorption. Uran-238 absorberar en neutron och transmuteras genom två betasönderfall till Plutonium-239. Plutonium-239 är egentligen inte ett avfall eftersom även den kan klyvas och producera energi. Faktiskt så produceras ungefär en tredjedel av energin i våra reaktorer från klyvning av plutonium.

Men det kommer finnas kvar plutonium när bränslet är använt, allt blir inte klyvt, även plutonium-239 kan för den delen fånga in neutroner och bli till högre isotoper av plutonium eller så kan det omvandlas till americium och andra grundämnen i en grupp av grundämen som kallas aktiniderna. På det sättet får vi ett spektrum av olika aktinider i avfallet. Aktiniderna är problematiska eftersom de har halveringstider på tusentals till hundratusentals år. Om vi ska slutförvara aktiniderna måste vi alltså se till att de är säkra i minst hundratusen år!


Vi ser av den här grafen att det tar nästan 10 000 år innan aktiviteten sjunkit till en hundradel av vad den var vid 10 år. Även här är grafen logaritmisk givetvis. I tabellen nedan anges de viktigaste aktiniderna och deras egenskaper(data från SKB 1977 KBS 1 Handling of spent nuclear fuel and final storage of vitrified high level reprocessing waste, IV - Safety analysis).



Precis som i den förra tabellen ska man komma ihåg att totala aktiviteten sjunker medans den relativa aktiviteten för vissa isotoper ökar. Vi ser här tydligt att i tusen års perspektivet är Americium-241, Plutonium-239 och plutonium-240 problemen medans Plutonium-239 ensamt är den mest besvärliga isotopen i 100 000 års perspektivet. Långt efter att alla fissionsprodukter klingat av fortsätter flera aktinider att vara aktiva. En glädjande nyhet för plutonium är att den lagras i form av plutoniumdioxid. Det som är fördelaktigt med plutoniumdioxid är att det är fruktansvärt olösligt i vatten. Endast 2 mikrogram plutoniudioxid behövs för att mätta vatten och löst plutoniumdioxid fastanr väldigt lätt på alla ytor som vattnet är i kontakt med. Det krävs alltså en hel del för att plutonium ska kunna färdas en längre sträcka från en slutförvaring.(se SKB's Plutonium - data, egenskaper med mera av Per-Eric Ahlström för mer om det).

Nu har vi alltså kommit fram till vad som är problemen är. Kortsiktigt så försvårar den extrema aktiviteten hos fissionsprodukterna all hantering av avfallet. Men långsiktigt är fissionsprodukterna inte farliga, aktiniderna däremot är kortsiktigt inte särskilt problematiska men de förblir aktiva i tiotusentals år och är därmed ett bekymmer långsiktigt. Om vi kunde separera bort fissionsprodukterna hade det inte varit något problem med att gräva ner dom separat, att bygga behållare som är säkra i några hundra år är väldigt enkelt tekniskt. Jag kommer därmed inte skriva något mer om fissionsprodukterna i den här serien av inlägg, utan fokusera på hur man ska bli av med aktiniderna.