Transmutation - Lejonet som söker mod

av Björn Cronhjort Forum 1994-14, sida 14-16, 03.11.1994

Taggar: Teman: kärnavfall

-— £ [LL

MGM-Grands entrélejon i Las Vegas.

hade Los Alamos-gänget i somra kallat till internationell konferens i Las Vegas — International Conference on Accelerator-Driven Transmutation Technologies and Applications (ADTT). Sammankomsten, som lockat över 200 deltagare från ca 15 länder, gick av stapeln på MGM Grand. Metro-Goldwyn-Mayer Pictures splitternya spektakulära konferenshotell med över 5000 rum. Enligt reklamen världens största hotell. kasino och ”theme park” — ett slags avancerat tivoli. Hotellets affärsslogan: “The Lion of Las Vegas — the MGM Grand — Try to tame it!” Såväl i stort — lejonet i entrén — som i smått — mintkaramellen framför mig på konferensblocket — speglar MGM Grand den underbara berättelsen (förf. L Frank Baum) om landet Oz och flickan Dorothys (1939 spelad av Judy Garland) färd till Trollkarlen Oz i Smaragdstaden. Tillsammans med Fågelskrämman, Plåtman och Lejonet som söker mod är de på väg till Trollkarlen som i sagan mycket riktigt visar sig kunna ge Lejonet det mod han söker. Färgsättningen i hotellet domineras konsekvent av smaragdgrönt och lejongult — även för accessoarer som shampooflaskan på badkarskanten.

Ur europeiskt perspektiv kan det hela te sig ganska märkligt. I Amerika är emellertid framgången given. The Wonderful Wizard of Oz — Trollkarlen från Oz — sedan början av seklet en grundmurad klassiker, fortsätter att fascinera miljoner barn och vuxna, på samma sätt som bröderna Grimms sagor 1 Europa.

F: att belysa utvecklingen sedan 1990

Vadan utläggningen om Lejonet och Trollkarlen?

Jo — här handlar det om en allegori. Lejonet som saknar mod: den trevande transmutationstekniken. Trollkarlen: framsynta och duktiga tekniker, vetenskapsmän och beslutsfattare som drivna av inre övertygelse satsar, ibland trovärdighet och karriär, på det osäkra, på det nya. Satsar på önskedrömmen — eller möjligen illusionen. Personligen har jag i Sverige hos den numera nedlagda Kärnbränslenämnden, under en femårsperiod fått uppleva en suverän inskolning inom kärnavfallsområdet. Med nämnden som plattform och utsiktspost har jaglärt mig att nationellt och internationellt röra mig inom teknikområden och grupper som har betydelse för kärnavfallsområdets utveckling. Jag har också snabbt uppfattat existensen av ett ekonomiskt uppburet ”kärnavfallsskrå” — ett “kärnavfallsetablissermang”. En talrik skara skickliga tekniker och andra akademiker, såväl som admi 14

TRANSMUTATION — Lejonet som söker mod

En rapport med utgångspunkt i transmutationskonferensen i Las Vegas

Björn Cronhjort

Under sommaren 1990 presenterade forskare från Los Alamos laboratoriet i New Mexico en dyr men lockande ny metod att tvätta kärnavfall. Med hjälp av Accelerator Transmutation of Nuclear Waste JATwi skulle radiaknedbrytningen kunna förkortas rån tiotusentals år till bara några tiotal år. Forum berättade om ATW-konceptet i nr 2/91.

nistratörer, en skara som av olika anledningar sedan åtminstone början av 80-talet, ibland med stirr i ögat, fokuserat på olika former av geologiska djupförsvar.

Sällan har en sådan fokusering tidigare förekommit inom ett så uppenbart avgränsat arbetsfält. Finansieringen har legitimerats av statsmakten. Kostnaderna har egentligen aldrig ifrågasatts: ändamålet har helgat medlen. Travesterande en känd maxim har finansieringen med viss tillspetsning arrangerats enligt nedan:

Paragraf 1: Kärnavfallsforskningen skall ha gott om pengar.

Paragraf 2: Skulle forskningen vid något tillfälle inte ha gott om pengar — ja, då höjer man kärnavfallsavgiften — och vips träder paragraf 1 åter i kraft.

grundvatten

Den uppmärksamma medborgaren har kanske noterat att den skissade uppläggningen gälleri ett antal länder, bla i Finland, i Sverige och i USA. Exempelvis i Sverige har kärnkraftindustrins avfallsrelaterade FoU-kostnader legat i paritet med forskningsrådens stöd till informationsteknologiområdet, det kanske f n mest omfattande och välfinansierade av alla teknikområden.

Kärnavfallsetablissemanget har, menar jag, praktiserat privilegiet att formulera ”lösningen” på kärnavfallsproblemet i form av ett geologiskt djupförvar. Exempelvis i Finland. liksom även i Sverige, har man tänkt sig att bygga slutförvaret så att det använda bränslet innesluts i tjocka metallkapslar som bäddas in i lera i bergtunnlar p än skulle då ligga runt 240 meter under det möjlig Yucca Mountain (6703 ft) ligger inom ett militärt område, Nevada Test Site, som använts och används för kärnvapenprov och diverse flyg- och skjutövningar.

kanske 500 meters djup. Där är det tänkt att avfallet. som är giftigt och radioaktivt, skall stanna under mycket lång tid, åtminstone tiotusentals år.

Kanske är förfarandet tillräckligt säkert. Eller kanske är det det inte. Vilketdera — vet iate jag. För Sveriges del har emellertid regeringen redan 1984 beslutat om säkerheten. Regeringen har då uttalat att “metoden isin helhet i allt väsentligt befunnits kunna godtas med hänsyn till säkerhet och strålskydd.” Internationellt föreligger det genom OECD/NEA (Nuclear Energy Agency, OECD-ländernas atomenergiorgan) en samsyn rörande djupförvar i form av två stycken s k “Collective Opinion”-publikationer. De som författare anlitade expertgrupperna uttrycker sig emellertid hovsamt. Experterna menar i huvudsak att det föreligger metoder för att på ett tillfredsställande sätt undersöka säkerheten för planerade djupförvar. Må detta vara nog om säkerhet i detta sammanhang.

Reverenter talat, är det min uppfattning att “lösningsformuleringsprivilegiet”, i förening med olika beroenden och bindningar, nationellt och internationellt. inte har varit någon bra grogrund för nya idéer inom kärnavfallsområdet. I stället har tankar och förslag med anknytning till exempelvis transmutation ofta bemötts med kallsinne och förakt.

Det använda bränslet — vad är problemet?

Innan bränslet förs in i reaktorhärden består det av en blandning av två isotoper (olika tunga atomer av samma grundämne) av uran; 97 2460 utgörs av den tyngre svårklyvbara isotopen uran-238 och 3 36 av den ättare klyvbara uran-235. Bränslet är då endast svagt radioaktivt och kan hanteras för hand. I en lättvattenreaktor är det i huvudsak uran-235 som utnyttjas för kärnlyvning. Kärnenergi frigörs när en atomärna av uran träffas av en neutron och lyvs i två delar. Nya neutroner bildas vid reaktionen och dessa kanisin tur sätta igång nästa reaktion os v. Vid likhet mellan antaet bildade och på olika sätt förbrukade neutroner säges reaktorn vara “kritisk”. På motsvarande sätt talar man om över- respektive underkriticitet, beroende på neutronproduktionens relation till förbrukningen.

Under kärnklyvningen i reaktorn förbrukas uran-235. Genom klyvning av uran, och av bildat lätt klyvbart plutonium-239, erhålles klyvningsprodukter (hundratals nuklider av ett fyrtiotal grundämnen), t ex cesium-137 och strontium-90. Neutroninfångning i uran ger isotoper av ämnen som är tyngre än uran, s k transuraner. t ex neptunium (Np), plutonium (Pu), americium (Am) och curium (Cm). Neutroninfångning i bränslets kapslingsrör och andra metalldelar ger s k aktiveringsprodukter, t ex cobolt-60 och nickel-59. Förändringarna i bränslets sammansättning leder till att reaktorhärdens kedjereagerande förmåga försämras. Så småningom, efter tre till fem år, kan reaktorn inte längre hållas kritisk och bränsleelementen måste bytas ut. I praktiken byter man varje år ut en del av det laddade bränslet.

De använda bränsleelementen är nu mycket radioaktiva: 99 2 av radioaktiviteten i kärnavfallet finns i det använda bränslet. Detta avfall kallas högaktivt och behöver såväl kraftig strålskärmning som kylning. Större delen av dessa radioaktiva äm nen har en s k halveringstid som är mindre än 30 år. Halveringstiden är den tid efter vilken den ursprungliga radioaktiviteten sjunkit till hälften. Andra av dessa ämnen har mycket lång halveringstid — tusentals år och mera. Detta är anledningen till att det använda bränslet måste förvaras säkert under mycket lång tid, åtminstone 100 000 år (se faktaruta 1).

Ett alternativ till geologiskt djupförvar under mycket lång tid vore s k upparbetning (reprocessing) av det använda bränslet, dvsen kemisk process vid vilken uran och plutonium skiljs från klyvningsprodukterna. Trots att uranet och plutoniumet efter upparbetningen kan användas för tillverkning av nytt kärnbränsle, har en majoritet av kärnkraftländer avstått från upparbetningsalternativet. Dels är processen komplicerad och riskfylld. dels har man varit orolig för att plutoniumet kunde komma på avvägar och kanske möjliggöra produktion av illegala kärnvapen.

Transmutation — kärnavfallet kan bli guld värt Guss Mattsson, tidningsman och kemist hyllade Sir Ramsay för att denne lyckats “genomföra kondensation af väte till heliu och neon” (“Vätets transmutation? En sekularupptäckt.” Dagens Tidning. 9 februari 1913). August Strindberg satsade mycken kraft på att göra guld av oädla metaller (Antibarbarus, 1894). Mest känt är väl hans recept till Harriet Bosse (6 juli 1906), att begagnas efter Strindbergs död.

Transmutation, elementomvandling eller kärnomvandling, har alltid lockat den nyfikne. I och med den tekniska utvecklingen har det nu blivit praktiskt möjligt att sas “göra guld” (se faktaruta 2). Med hjälp av kärnreaktioner omvandlar man en typ av atomer till en annan typ med andra egenskaper,

Aktvella tillämpningar av ATW-konceptet

ATW-konceptet är spin off av det amerikanska s k strategiska försvarsinitiativet (SDP). Med energirika protoner, 800-1600 MeV (miljoner elektronvolt) vid 50-250 mA (milliampere), bombarderar man ett strålmål av lämplig sammansättning, t ex en blandning av bly och vismut. Då protonstrålen kolliderar med strålmålet ger varje proton upphov till dels flera lättare nuklider dels ett stort antal neutroner, ca 20-30 per splittrad atom. vänd

Faktaruta 1

Fraction Remaining (26)

Long-Lived after Waste Constituent 500 1000 —-10,000 —100,00 yrs, yrs. yrs. yrs. Technetium - 99 100 100 97 72 lodine - 129 100 100 100 100 Plutonium (All) 88 85 58 8 Neptunium - 237 100 100 100 97

Relative Quantities by Mass of Long-Lived Isotopes Occuring in Spent Reactor Fuel.

Den sk halveringstiden (den tid efter vilken den ursprungliga radioaktiviteten sjunkit till hälften) för avfallsprodukterna teknetium-99 är 210 000 år och för jo 129 ca 16 000 000 år. För plutonium-23 är halveringstiden ca 24 000 år och för neptunium-237 drygt 2 000 000 år. I ett geologiskt djupförvar behöver körnovfallet därför isoleras från omgivningen under en mänskligt sett oöverskådligt lang tid.

Källa: The ADTT Update, No 1, July 1994

Faktaruta 2

De lätta platinametallerna i kärnavfalle transmutera kärnavfall frå användning produktion producempris jomtliga J å å vattenreaktore ka/ö) (kg/ån) [USD/ka) —— varenreaktere rutenium (Ru) 4450 ingen 1450 7790 radium (Rh) 1360 ingen 19 350 1230 poalladium (Pd) 28 500 155 4 200 425 glänsande, vita, vackra — har många exklusiv ning), I tandgu roderat silver, fp ladium i vitguld), som katalysatorer (palladium och/ell

Uppställningen avser sitvationen i U S A. Rutenium, rodium och palladium, de s k lätta plalinametallerna, förekommer i den åtkomliga fasta jordskorpan ofta tillsammans med ädelmetallerna gul och platina och i liknande halter eller mindre, d v s 0,01-0,001 gram/ton berg. Metallerna användningar. Exempelvis inom smyckesindustrin er rodium i bilarnas avgasre d (palladium), I reservoarpennors skrivstift [rutenium tillsammans med osmium) samt termoelement och motståndstråd [rutenium tillsammans med platina].

Guldpriset har den senaste tiden legat kring US 13 000 per kilogram. Priset för rodium är ca 50 högre än för guld! Därmed är rodium dyrast av alla ädelmetaller.

Källa: James J Laidler (1994). “Use of P: vid the International Conference on AcceleratorDriver Tra July 25-29, 1994.

roprocessing in the Preparation of Spent Fuel for Transmutation”, föredra nsmutation Technologies and Applications, Las Vegas, 15

Fissio sönderfaller til uran.

Processen är känd sedan slutet av 40-talet och kallas spallation. Det väsentliga för de nu aktuella tillämpningarna är det skapade höga neutronflödet, ca 100 gånger större än i en reaktor. Flödet innebär att sådana kärnreaktioner blir möjliga som inte “hinner” inträffa vid lägre flöden därför att de aktuella atomkärnorna förändras genom radioaktivt sönderfall innan de hinner stöta på en neutron för s k infångning .Transuranen neptuniums omvandling till stabilt rutenium utgör ett exempel på en kärnreaktion som inte hinner inträffa i en reaktor.

På motsvarande sätt omvandlas klyvningsprodukter, exempelvis det långlivade teknetium-99 genom neutroninfångning till teknetiom-100 som sedan snabbt genom spontant radioaktivt sönderfall övergår i stabilt rutenium.

Sedan 1990 har forskarna i Los Alamos gjort storartade framsteg. Från att för många främst ha framstått som en önskedröm, har ATW-konceptet snabbt utvecklats inom fyra viktiga tillämpningsområden: (1) förbränning av kärnavfall. (2) energiproduktion, (3) förbränning av plutonium och (4) produktion av tritium. I de aktuella tillämpningarna, möjligen produktion av tritium undantagen, skall det klyvbara kärnbränslet ingå i en cirkulerande saltsmälta av Htium-berylliumfluorid. Flytande bränsle och saltsmälta gör det möjligt att förbränna avfallet s as on-line i realtid. Man renar avfallet samtidigt som man använder bränslet.

Radioaktivt neptunium omvandlas till stabilt rutenium, Vid högt neutronflöde “hinner” neutronerna klyva neptunium238 innan neptuniet, med halveringstiden ca 2,1 dygn id plutonium-238, en mindre önskad trans Stabil

Te 100

Ru 10 n = neutron Np = neptunium Tc = teknetium Ru = rutenium

Input of Thorlum with Plutontum andjor Commercial

W celerator-Drive 1. Förbränning av kärnavfall

Acckerator Transmutation of Waste (ATW) gör det möjligt att förbränna (transmutera) såväl de långlivade klyvningsprodukterna som transuranerna i det kommersiella kärnavfallet. Även om den avsedda förbränningen knappast kan bli fullständig, innebär konceptet att man kan reducera mängden långlivat avfall avsevärt, kanske 1 000 gånger. Likaså räknar man med att kunna förkorta den nödvändiga tiden för att isolera avfallet från 100 000-tals år till endast några århundraden.

2. Energiproduktion

Accelerator-Driven Energy Production (ADEP) ställer i utsikt en naturligt säker reaktorliknande konstruktion. Som bränsle använder man torium-232, vars förekomst är fyra gånger så vanlig som uran. Genom att med en accelerator tillföra neutroner

John H. Peck (uppe t.v.) Yucca Mountains geologi för kongressdeltagarna.

Recirculating Accalarator (10'

En idéskiss för programmen ADEP, ARW och ABC med Ac ransmutation Technologies som ut gångspunkt. Konstruktionen av strålmålet/manteln opti meras för de olika programmens speciella syften. Källa: The ADTT Update, No 1, July 1994.

an rundgången, den s k torium-uran-cyeln, hållas igång. Genom att samtidigt unna förbränna såväl de långlivade klyvningsprodukterna som transuranerna kan man räkna med kärnenergi utan kärnavfall! 3. Förbränning av plutonium Accelerator-Based Conversion (ABC) gör det möjligt att förbränna bl a det ameri anska och det ryska överskottet av vapenplutonium. Anläggningen kan även användas för förbränning av kommersiellt kärnavfall som innehåller plutonium. Förbränningen av plutonium-239 har beräknats kunna bli bättre än 99,9 2 samt bättre än 90 70 för plutonium totalt. Motsvarande bästa förbränning i en reaktor är 90, respektive 70 20.

4. Produktion av tritium Accelerator Production of Tritiu (APT) ger möjlighet att genom ADTT-baserad produktion ersätta den årliga tritiumförlusten (5,5 26) på grund av radioaktivt sönderfall. Projektet, av intresse för kärnvapenländer, är en gemensam angelägenhet för forskare vid Los Alamos, Brookhaven-liaboratoriet på Long Island, Sandialaboratoriet i Albuquerque, NM, samt för ett antal industriella partner.

ADTT planering i Las Vegas

Under konferensveckans torsdagseftermiddag gavs tillfälle att inom fem olika s k Breakout Groups kartlägga svårighetern fortsättning på sid 2 1 Åtminstone 3 av 10 affärsresenärer har upplevt under flygresan.

I nya Club Europe är fåtöljerna bredare och utformade så att de stöder ryggen och