Bakgrunn: Atomavfall – ressurs og problem

Franskmennene resirkulerer det. Finnene vil begrave det dypt under bakken. Brukt reaktorbrensel er både en ressurs og et problem.

Publisert
Sellafield-anlegget (Foto: Simon Ledingham)
Sellafield-anlegget (Foto: Simon Ledingham)

Radioaktive isotoper

Radioaktive isotoper benevnes med navn og et tall, for eksempel strontium-90.

Tallet 90 betyr at atomkjernen har til sammen 90 protoner og nøytroner.

Antallet protoner bestemmer hvilket grunnstoff vi har. For eksempel har strontium 38 protoner.

Men antallet nøytroner kan variere. Samme grunnstoff, men med forskjellig antall nøytroner, kalles isotoper av grunnstoffet.

Strontium-90 har 90-38 = 52 nøytroner. Når antallet nøytroner er såpass mye større enn antall protoner (38), blir atomet ustabilt. Det vil derfor kvitte seg med nøytroner.

Men det skjer ikke direkte. Det som skjer, er at nøytronet sender ut et elektron. Elektronet er negativt, og nøytronet er ikke lenger nøytralt, men positivt ladet. Det har blitt et proton.

Altså har atomkjernen fått ett nøytron mindre, som har blitt til ett proton ekstra. Grunnstoffet er da ikke lenger strontium, men yttrium, med 39 protoner og 51 nøytroner. Fortsatt er det mange flere nøytroner enn protoner, så denne isotopen fortsetter å gi fra seg elektroner og blir til et annet grunnstoff.

Ofte går radioaktive isotoper gjennom hele slike kjeder før de ender opp som et stabilt stoff uten stråling.

Mer langlivede spaltningsprodukter

Noen få spaltningsprodukter bruker lang tid på nedbryting. Cesium-137 og strontium-90 har en halveringstid på omtrent 30 år.

Cesium-137 har fått særlig stor oppmerksomhet, fordi stoffet ble målt i nedfallet etter Tsjernobyl-ulykken både her i landet og i en rekke andre land.

Etter vel 600 år, eller 20 halveringstider, er radioaktiviteten i strontium-90 og cesium-137 i praksis borte.

Lagringsproblemet er altså håndterbart.

Det finnes også sju enda mer langsinte spaltningsprodukter. Det som produseres i størst mengde, er technetium-99. Stoffet sender ut ganske lite stråling, som lett kan stoppes.

Men likevel er technetium-99 et problemstoff. Det er vanskeligere å isolere og hente ut av drivstoffet fra kjernekraftverk på grunn av sine kjemiske egenskaper.

Det er også vanskeligere å langtidslagre, fordi det lett løses i vann, hvis lageret skulle bli overflommet av for eksempel grunnvann.

Flere hundre kilo av stoffet har vært sluppet ut fra Sellafield-anlegget til sjøen, selv om utslippene har vært mye mindre de siste årene.

Halveringstid

Halveringstiden til et stoff er tiden før halvparten av radioaktiviteten har dødd ut, fordi det radioaktive stoffet er brutt ned til ikke-radioaktive stoffer.

Selve nedbrytingsprosessen gir radioaktivitet.

Kort halveringstid og rask nedbryting vil gi intens, sterk radioaktivitet.

Lang halveringstid og langsom nedbryting vil gi lavere radioaktivitet.

Actinider og transuraner

Actinider er tunge grunnstoffer med atomkjerner som inneholder mange kjernepartiker. Både thorium, uran og andre radioaktive grunnstoffer med lang halveringstid hører til denne gruppen.

Transuraner er en undergruppe av actinidene, som alle har tyngre atomkjerner enn uran. Det mest kjente stoffet blant transuranene er plutonium. Det kan både brukes i atombomber og til kjernefysisk brensel.

For mange nordmenn er atomavfall synonymt med Sellafield. Dette anlegget ligger ved kysten av Irskehavet, omtrent midt mellom Liverpool i sør og Glasgow i nord.

Flere ulykker ved Sellafield har i mange år gitt utslipp til sjøvann. Radioaktive stoffer har blitt ført med havstrømmene østover mot Barentshavet og norskekysten.

Ole Reistad (Foto: Statens strålevern)
Ole Reistad (Foto: Statens strålevern)

- Radioaktivitet fra Sellafield er påvist i blant annet tang og hummer, men i doser som ikke gjør den helsefarlig å spise i normale mengder, sier seksjonssjef Ole Reistad i Statens strålevern.

Norske myndigheter har protestert overfor britiske myndigheter mot disse forurensingene, som kan skade kystfisket.

Sellafield er ett av få anlegg i verden som tar imot brukt brensel fra kjernekraftanlegg. Deler av dette avfallet kan gjenvinnes. Men gjenvinningen innebærer risiko for utslipp.

Derfor kan brukt reaktorbrensel både være en ressurs for kjernekraftindustrien, og et potensielt helseproblem for resten av verden.

Selv om problemet fra Sellafield fram til nå har vært forurensing av vann, påpeker Reistad at den mest akutte faren er forurensing via luft.

- Man kan tenke seg en flystyrt, en brann eller til og med en kritisk kjernereaksjon i deler av avfallet som skaper en eksplosjon og sprer radioaktivt avfall til luft. Da vil det spres raskere, og konsekvensene blir mer akutte, sier Reistad.

Selv om en slik kristisk kjernereaksjon er mindre sannsynlig på Sellafield, kan den skje ved ett av gjenvinningsanleggene i øst.

- Russerne har store mengder avfall på sin side på Kola-halvøya. Det ligger flere behandlingsanlegg ved de store elvene som munner ut i nord, påpeler Reistad.

Lavaktivt og mellomaktivt avfall

Per Ivar Wethe (Foto: Institutt for energiteknikk, IFE)
Per Ivar Wethe (Foto: Institutt for energiteknikk, IFE)

- Langt det meste av det radioaktive avfallet har lavt eller middels innhold av radioaktivitet, forteller Per Wethe, mangeårig forsker ved Institutt for energiteknikk.

- Slikt avfall kan komme fra sykehuslaboratorier, industrien eller fra andre deler av kjernekraftverk enn selve reaktoren. Det er relativt enkelt å lagre.

- I Norge har vi også et lager for slikt avfall i et fjellanlegg i Himdalen i Aurskog-Høland kommune. Dette anlegget ble åpnet i 1998, sier Wethe.

Høyaktivt avfall

Det høyradioaktive avfallet produseres det derimot relativt lite av. Til gjengjeld er det mer krevende å behandle. Det aller meste kommer fra kjernekraftverk.

De fleste kjernekraftverk i dag bruker uran som drivstoff. Når uranet spaltes, frigjøres varmeenergi. Varmen produserer høytrykksdampp, som i sin tur driver turbinene i kraftverket og lager strøm.

Men kjernereaksjonene gir mange forskjellige sluttprodukter, noen av dem farlige og andre ufarlige.

Kortsinte spaltningsprodukter

– Ved spaltning - fisjon - av urankjernen, oppstår to lettere atomkjerner. Dette kalles spaltningsproduktene, fortsetter Wethe.

Disse spaltningsproduktene er ustabile, det vil si radioaktive. De omdannes videre til andre stoffer, og i disse omdanningsprosessene sendes det ut mye stråling.

– De kortlivede spaltningsproduktene er ekstremt “hissige”, sier Per Wethe.

– De er voldsomt strålingsaktive over relativt kort tid, men det meste av radioaktiviteten dør fort ut. De fleste brytes ned via andre, kortlivede stoffer til stabile, ikke-radioaktive stoffer i løpet av sekunder, minutter eller timer, fortsetter han.

Noen få spaltningsprodukter har lengre nedbrytingstid, men de aller fleste av disse er også omdannet etter noen hundre år. (Se faktaboks)

Smågretne, men langsinte aktinider

Eksperiment med innkapsling av radioaktivt avfall i glass (Foto: Pacific Northwest National Laboratory, USA)
Eksperiment med innkapsling av radioaktivt avfall i glass (Foto: Pacific Northwest National Laboratory, USA)

De største avfallsproblemene er det en annen gruppe som lager, nemlig stoffene som kalles aktinidene. Disse stoffene regnes i dag som en del av det langlivede radioaktive avfallet.

- Til denne gruppen hører foruten drivstoffet uran, også thorium, plutonium og 12 andre grunnstoffer. De blir ikke dannet ved at urankjernen spaltes. Tvert imot, de såkalte transurane aktinidene (se faktaboks) dannes ved at urankjernen tar til seg ekstra nøytroner og “bygger på seg”, forklarer Wethe.

Denne prosessen kalles nøytroninnfanging (neutron capture). I blant annet thoriumreaktoren kan den utnyttes til å lage spaltbart reaktorbrensel, men i tradisjonelle kjernekraftverk gir den aktinider som ikke kan spaltes.

- Blant aktinidene som dannes på denne måten i kjernekraftverk, er neptunium-237, plutonium 238 og americium-241, sier Wethe.

Disse stoffene brytes ned først etter mange tusen år. Til gjengjeld blir da radioaktiviteten som følger av nedbrytingen mindre intens.

Kremering

Det er tre måter å forholde seg til disse langlivede aktinidene på. Sagt litt upresist, så kan det radioaktive avfallet fra kjernekraftverkene enten kremeres, transplanteres eller begraves.

Kremering vil i denne sammenhengen si å gjøre det som på fagsjargongen kalles å brenne de langlivede aktinidene.

Flammen er i dette tilfellet en intens strøm av kjernepartikler. Den bombarderer de langlivede aktinidene, slik at de spaltes til kortlivede spaltningsprodukter.

- En slik brenning av aktinider kan gjøres i den spesielle Rubbia-reaktoren, som er blitt kjent i forbindelse med lanseringen av grunnstoffet thorium som drivstoff i kjernekraftverk, sier Wethe.

Han forteller at en reaktor av omtrent samme type planlegges ved forskningssenteret SCK-CEN i Belgia. Det såkalte Myrrha-prosjektet tar sikte på å ha reaktoren klar i 2020.

Beholder med atomavfall fra testområde i Nevada, USA. (Foto: Bill Ebbesen, Creative Commons, se lisens)
Beholder med atomavfall fra testområde i Nevada, USA. (Foto: Bill Ebbesen, Creative Commons, se lisens)

Kan lage bombemateriale

- Brenning av avfall kan også gjøres i andre typer reaktorer, for eksempel såkalte breeder-reaktorer, eller formeringsreaktorer på norsk, fortsetter Wethe.

Formeringen innebærer at det lages mer drivstoff til reaktoren enn det man startet med, for eksempel av stoffet plutonium.

Ulempen er at plutonium også kan brukes i atombomber.

Gjenvinning

En slik omdanning for gjenbruk er i slektskap med det som litt upresist kan sammenlignes med en transplantasjon, som jo også er en slags gjenbruk.

- I brukt drivstoff fra reaktorer finnes stoffer som kan gjenbrukes. Spaltningsproduktene fjernes som avfall, mens andre stoffer, som plutonium, blandes med nytt uran til et såkalt MOX-drivstoff, sier Wethe.

Slike gjenvinningsprosesser er en viktig del av aktiviteten ved blant annet Sellafield-anlegget. Mye av det mest problematiske avfallet i Sellafield kommer ikke fra kjernekraftverk, men fra rester av atomvåpenproduksjon på 1950-tallet.

- Både brenning og gjenvinning viser at atomavfall også kan betraktes som en ressurs. I Frankrike, Tyskland, Sveits og andre land tenker de slik, forteller Wethe.

Begraver for alltid

Andre land satser isteden på å begrave problemavfallet, og la det hvile i fred under jorda.

- I Finland bygges et stort lager over 400 meter under bakken, i stabile fjellformasjoner på øya Olkiluoto ved Østersjøkysten, rundt 100 kilometer nord-nordvest for Turku, forteller Wethe.

- Svenskene har et tilsvarende anlegg i Oskarshamn, og bygger ett til i Forsmark nær byen Östhammar. Her skal langlivede aktinider oppbevares på 500 meters dyp i opp til 100 000 år, sier han.

USA var i gang med å bygge et tilsvarende anlegg ved Yucca Mountain i Nevada, 130 kilometer nordvest for Las Vegas.

Men i mars 2011 stanset regjeringen arbeidet etter langvarige protester. Dermed står USA uten noe konkret prosjekt for langtidslagring. I dag lagres brukt reaktorbrensel ved de enkelte kjernekraftanleggene.

(Illustrasjonsbilde: www.colourbox.no)
(Illustrasjonsbilde: www.colourbox.no)

Norsk langtidslagring

I 2009 nedsatte Nærings- og handelsdepartementet i Norge et utvalg som skulle utrede mellomlagring av høyaktivt avfall i Norge. Slikt avfall blir nemlig produsert ved de to forskningsreaktorene som Institutt for energiteknikk (IFE) driver på Kjeller ved Lillestrøm og i Halden.

- Utredningen ble offentliggjort i januar 2011, og foreslår flere byggesteder i Østfold og Akershus på strekningen mellom Kjeller og Halden, forteller Ole Reistad.

I dette område er det grunnfjell av granitt og gneis. Disse bergartene har ligget stabile i rundt 800 millioner år.

Det nye mellomlageret som utvalget anbefaler, har en tidshorisont på bare 50 - 100 år. Derfor anbefaler utvalget også at avfallet lagres i beholdere, som lett kan flyttes til et nytt lager seinere.

Utvalget foreslår at ustabilt avfall sendes til Frankrike for å opparbeides slik at det blir mer stabilt og lett å lagre. Et nytt norsk lager skal i følge utvalgets anbefaling stå klart i 2018.

- Staten tar ansvaret for å bygge anlegget, men vil gjerne at IFE bidrar. Hvor dette ender opp, blir spennende å se, sier Reistad.

Ned i lavaen eller opp i rommet

Mer eksotiske forslag til langtidslagring har gått ut på å begrave avfallet ved en subduksjonssone, der en jordskorpeplate presses ned under en annen.

Da vil avfallet kunne bli med ned i mantelen, de tykke lagene av lava under den faste jordskorpen.

Det har også vært foreslått å sende avfallet ut i rommet. Klarer man det, er man kvitt avfallet en gang for alle. Men den store risikofaktoren er oppskytningen. Svikter raketten, så kan avfallet i værste fall spres over store områder.

Atomavfall – en framtidig ressurs

- Personlig mener jeg at argumentene for omdanning og gjenbruk av atomavfallet står sterkere og sterkere. Hvis vi forsegler underjordiske anlegg for evigheten, vil vi aldri kunne ta i bruk avfallet hvis nye og bedre metoder for omdanning eller gjenbruk seinere skulle bli oppfunnet, sier Wethe.

Han forteller at slik forskning blant annet foregår ved atomreaktoren utenfor Halden, og mange andre steder i verden.

- Mange av konstruksjonene til framtidas generasjon-4-reaktorer vil ikke bare gi økt sikkerhet, men bedre drivstofføkonomi og mindre avfall, avslutter Per Wethe.

Lenker:

Mellomlagerløsning for brukt reaktorbrensel og langlivet mellomaktivt avfall, NOU 2/2011 - 10.februar 2011

POSIVA – den finske organisasjonen som er ansvarlig for langtidslagring av atomavfall

Svensk kärnbränslehantering, som bygger det nye lagringsanlegget i Forsmark i Östhammer kommune

Faktasider om reaktorbrensel og - avfall, fra Statens strålevern