sou · GSB367d3 · 2005-01-01 00:00:00 — Del III Kärnavfallsfrågan och framtiden 8Transmutation ett alternativ till slutförvaring. Inom forskarkretsar har man diskuterat möjligheten att radikalt minska farligheten hos det använda kärnbränslet genom en metod kallad transmutation. Metoden innefattar komplicerade vetenskapliga och tekniska frågor. Hur har en sådan fråga kunnat bli så uppmärksammad också av politiker och allmänheten? Kärntekniklagen kräver att den som har tillstånd till kärn- teknisk verksamhet skall svara för att de åtgärder vidtas som behövs för att på ett säkert sätt hantera och slutförvara kärnavfall som uppkommer i verksamheten. Den svenska strategin för han- teringen av använt kärnbränsle är att detta skall direktdeponeras. Huvudinsatserna på området riktas därför mot att utveckla och bygga ett geologiskt slutförvar, där det använda kärnbränslet kan hållas isolerat från biosfären (människors och annat levandes miljö) under hundratusentals år, dvs. till dess farligheten har klingat av. Detta är grunden till det svenska s.k. KBS-3 kon- ceptet. Redan tidigt i utvecklingsprocessen för slutförvaring stod det klart att alternativ behövs om KBS-3 konceptet av någon anled- ning inte skulle kunna genomföras. Regeringen har i sina beslut om SKB:s forskningsprogram fastslagit att utvecklingsarbete skall ske för transmutation, som en möjlig alternativ lösning. kräver dessutom uttryckligen att alternativa meto- der skall utredas och redovisas i miljökonsekvensbeskrivningen, Transmutation ett alternativ till slutförvaring. som ska höra till ansökan om tillstånd enligt och kärntekniklagen. Remissinstanser till SKB:s forskningsprogram (myndigheter, kommuner, universitet och högskolor, miljöorganisationer m.fl.) har varit eniga om att det krävs att SKB studerar alternativ till KBS-3. De skäl som framförts för detta är både formella (t.ex. krav på alternativredovisning enligt ) och allmänna uttryck för osäkerhet om att KBS-3-metoden kommer att kunna genomföras. Detaljer och sättet att argumentera skiljer sig men slutsatsen är dock att SKB måste redovisa alternativ till KBS-3 och att transmutation här ses som ett av dem. Transmutation, som ju betyder omvandling, skulle i sin mest perfekta form innebära att man helt eliminerar de delar av bränslet som är radioaktiva . Tekniken som krävs för att tillämpa metoden har genom forskarinsatser utvecklats inom flera väsentliga områden. Dock återstår fortfarande omfattande tekniska problem att lösa, vilka har genererat forskningsprogram inom EU och i , , , m.fl. nationer men också nationella program i flera europeiska länder. Tekniken måste också testas i alla dess delar i demonstrationsanläggningar innan driftegenskaper, säkerhets- frågor, ekonomi m.m. kan bedömas. Om man är framgångsrik räknar man med att få en hundra- faldig reduktion av volymen och av strålningsfarligheten hos det resterande bränslet, som efter behandling skulle avklinga till en ofarlig strålningsnivå på 500 1 . En liten del av mycket långlivade ämnen (några tiondels procent av samma långlivade ämnen som i det använda kärnbränslet) måste deponeras i ett slutförvar beroende på att separationen av de olika ämnena inte kan göras fullt ut. Ett sådant slutförvar blir väsentligt mindre och behöver inte fungera under alls lika som ett förvar med direktdeponerat använt kärnbränsle. Transmutation har förespråkare även bland grupper och indi- vider som motsätter sig slutförvaring av använt kärnbränsle. I en del skildringar framställs transmutation, som ett sätt att helt bli kvitt ett farligt avfall i nutid. Så förhåller det sig alltså inte. SOU 2004:67 Transmutation ett alternativ till slutförvaring. I den svenska diskussionen om transmutation har de tekniska och andra problem, som är förknippade med separation av ämne- na i det använda kärnbränslet, stått i bakgrunden. Det är också väl känt att utsläppen till omgivningen kan bli betydande i samband med den typ av separationsprocesser som krävs i sam- band med transmutationen. Transmutationstekniken förutsätter en fortsatt kärnteknisk verksamhet med stor bredd i . Vid de utvärderingar, som gjorts i och EU av transmutationstekniken, räknar man med att det krävs 20 till för att realisera tekniken, dvs. det krävs uthålliga forsknings- och utvecklingsprogram. I avsnitt 8.2 ges en beskrivning av vad transmutation är och vilka typer av anläggningar som krävs för att genomföra pro- cessen. I avsnitt 8.3 sammanfattas kunskapsläget rörande trans- mutation och i avsnitt 8.4 finns en översikt över pågående och planerad forskning internationellt. Tre scenarier ges i avsnitt 8.5 om vad tekniken skulle innebära för svenskt vidkommande. I avsnitt 8.6 slutligen sammanfattas hela kapitlet. Läsningen av avsnitt 8.5 och 8.6 förutsätter inte avsnitt 8.3 och 8.4. Man kan alltså gå direkt från 8.2 till 8.5 om man så önskar. 8.2Grundläggande principer för transmutation Självklart vore det av stort värde om man på något sätt kunde behandla det använda kärnbränslet så att den långlivade radio- aktiviteten kunde oskadliggöras. Mycket vore därför vunnet om de radioaktiva ämnen som har lång halveringstid vad gäller både klyvningsprodukter och transuraner (ämnen som är tyngre än uran) kunde omvandlas till kortlivade eller stabila isotoper av olika grundämnen. Då skulle den mängd radioaktivitet, som behöver placeras i ett slutförvar, kunna minskas radikalt liksom längden på den tidsperiod, som slutförvaret måste klara av att innesluta materialet. För att förstå vad som menas med transmutation måste man först veta vad det använda bränslet innehåller. Transmutation ett alternativ till slutförvaring. Alla kärnkraftreaktorer i är av s.k. lättvattentyp. Tre av aggregaten i är tryckvattenreaktorer (PWR) medan övriga åtta svenska reaktorer är kokarreaktorer (BWR). Uran i den form som det förekommer i naturen (naturligt uran) duger inte som bränsle i lättvattenreaktorer. Halten av klyvbart, och därigenom energialstrande, uran-235 i naturligt uran är endast och resten är till helt dominerande del uran-238, som inte är klyvbart i en lättvattenreaktor. Bränslet i de svenska reaktorerna är därför anrikat, dvs. man har i en anrikningsanläggning (utomlands) ökat andelen uran- 235 i uranet. Restprodukten av denna process blir uran med lägre halt än den hos naturligt uran, s.k. utarmat uran. I finns en fabrik i för tillverkning av bränsle till våra svenska kärnkraftverk och även till en del utländska sådana. Tillverkningen bygger där på anrikat uran som köps in från utlandet. Nytt anrikat bränsle för en lättvattenreaktor har vid inplace- ringen i reaktorn en uran-235-halt på . Bränslet tillbringar tre till i reaktorhärden, ofta med omflyttning till några olika positioner i härden. förbrukas ungefär två tredjedelar av det uran-235 som fanns i bränslet när det först sattes in och bränslet är därefter inte längre lämpligt för fortsatt användning i härden. Det avlägsnas därför ur reaktorn och förs över först till en lagringsbassäng för använt bränsle vid kärnkraftverket och efter något års avsvalning via fartyget till CLAB, det centrala mellanlagret för använt kärnbränsle i Simpevarp, i . SOU 2004:67 Transmutation ett alternativ till slutförvaring. Som ett alternativ till anrikat uran kan man även använda pluto- niumberikat bränsle. Klyvbart plutonium-239 bildas i reaktor- bränsle när neutroner fångas in av icke klyvbart uran-238. Vid upparbetning av använt kärnbränsle kan det bildade plutoniet separeras ut på kemisk väg. Plutoniet kan därefter blandas med naturligt eller utarmat uran för framställning av nytt reaktor- bränsle, s.k. blandoxidbränsle (Mixed Oxide Fuel, MOX). Typiskt innehåller nytt MOX-bränsle pluto- nium-239 och även i detta fall förbrukas ungefär två tredjedelar av det klyvbara materialet innan bränslet tas ut ur härden. Det använda MOX-bränslet kan på nytt upparbetas men efterhand ökar halten av tyngre plutoniumisotoper (tyngre än 239), vilket gör att det vid upparbetningen utvunna plutoniet blir mindre och mindre användbart för tillverkning av nytt reaktorbränsle. Något MOX-bränsle har veterligen inte tillverkats i , men även den tekniken finns alltså utvecklad och är i vilket fall som helst principiellt möjlig att ta hem till . Det använda kärnbränslet i CLAB består till en helt domine- rande del av uranbränsle från våra BWR- och PWR-reaktorer. En mindre mängd använt MOX-bränsle finns även i CLAB. som bränslet befunnit sig i reaktorhärden har en rad kärnreaktioner skett som lett till en uppbyggnad av radio- aktiva produkter. Produktionen av radioaktiva ämnen i reaktor- bränslet under driften av reaktorn sker väsentligen på två sätt genom kärnklyvning (fission) eller genom neutroninfångning. Vid klyvning av uran-235-kärnan delas denna i två delar, s.k. klyvningsfragment (fissionsfragment). Exakt hur kärnan klyvs varierar och bland de s.k. klyvningsprodukterna (fissionsproduk- terna) finns en lång rad grundämnen representerade. De flesta av dessa har kort halveringstid eller är stabila men det finns också Transmutation ett alternativ till slutförvaring. några radioaktiva ämnen med mycket lång livslängd. Alla klyv- ningsprodukternas atomer är givetvis lättare än uranatomen som klövs. Vid neutroninfångningsprocessen fångas en fri neutron in av t.ex. en uran-238-kärna. Då bildas först uran-239, men denna sönderfaller snart i ett par steg till plutonium-239, som har lång halveringstid (24 ). Många andra ämnen som är tyngre än uran s.k. transuraner bildas även i reaktorn och flera av dessa har också lång halveringstid. tid (år) Avklingning med tiden för strålningsfarligheten hos använt kärnbränsle, uppdelat på bidrag från transuraner (TRU) och klyvningsprodukter (FP). Strålningsfarligheten jämförs med den för uranmalm. av det använda kärnbränslet är opåverkat uran medan är transuraner och är klyvningsprodukter. Den mängdmässigt största andelen av transuranerna i avfallet utgörs av plutonium (). Förutom att plutonium är strål- ningsfarligt (radiotoxiskt) utgör plutonium också ett kärnvapen- material. Det plutonium som bildats i bränslet i en lättvatten- SOU 2004:67 Transmutation ett alternativ till slutförvaring. reaktor (reaktorplutonium) har dock en sammansättning som inte lämpar sig för vapentillverkning. Materialet kan ändå efter separation från de övriga ämnena i det använda kärnbränslet användas för primitiva kärnladdningar, som i händerna på t.ex. en terroristorganisation kan utgöra ett reellt hot i en utpressnings- situation. I detta sammanhang kan också noteras att reaktor- plutonium, som ingår i det använda kärnbränslet i ett geologiskt förvar successivt, över ett 1 000-tals-års perspektiv, blir ett allt bättre vapenmaterial då plutonium-239 anrikas på grund av kortare livslängder för flera av de andra plutoniumisotoperna. 8.2.2Den grundläggande principen för transmutation Syftet med transmutationstekniken är att oskadliggöra de radioaktiva ämnena i den mening att de omvandlas transmute- ras till mer harmlösa radioaktiva produkter som strålar eller rentav är stabila. Detta kan uppnås genom att de radioaktiva ämnena i det använda bränslet bestrålas så att dessa ämnen (ämnenas atomkärnor) övergår till andra ämnen (atom- kärnor) med de önskade egenskaperna. Denna omvandling sker genom kärnreaktioner mellan de radioaktiva ämnenas atomer och partiklarna med vilka de bestrålas. Den strålning, som man avser att använda för transmutationen av de radioaktiva ämnena, är densamma som i våra reaktorer, nämligen neutronstrålning. För att uppnå önskad effekt kan dock strålningens intensitet och energifördelning behöva vara annorlunda i en transmutations- anläggning än i en kärnkraftreaktor av konventionell typ. I huvudsak är det två typer av kärnreaktioner som åstad- kommes av neutronbestrålningen, klyvning (fission) och neut- roninfångning, dvs. samma typ av reaktioner som äger rum i uran-235 och uran-238 under förbränningen av reaktorbränslet i våra reaktorer. För att oskadliggöra transuranerna eftersträvas bestrålningsförhållanden, som gör att dessa ämnen i huvudsak undergår klyvning, varvid det bildas klyvningsprodukter. Vid denna process bildas också energi, som kan tillgodogöras. Transmutation ett alternativ till slutförvaring. långlivade klyvningsprodukterna, de som redan fanns i det an- vända kärnbränslet och de nytillkomna efter förbränningen av transuranerna, omvandlas därefter genom att en neutron vid bestrålningen adderas till klyvningsproduktens atomkärna (neutroninfångning). Denna kärnreaktion leder till ämnen med andra egenskaper, oftast mera kortlivade än de ursprungliga (långlivade) klyvningsprodukterna. Schematisk beskrivning av klyvningsprocessen (fission). En neutron infångas av en uranatom, som exciteras och klyvs (fissionerar) i två delar (klyvningsprodukter). avges ett antal neutroner. 8.2.3Termiska eller snabba neutroner Sannolikheten för att de önskade kärnreaktionerna äger rum är beroende av energin hos neutronerna med vilka man bestrålar ett visst ämne. Man talar i detta sammanhang om två typer av be- strålning där neutronerna har olika energifördelning (eller hastighetsfördelning) nämligen termiska och snabba neutroner. Med termiska neutroner menas att neutronerna är i hastighets- mässig jämvikt med värmerörelsen hos de omgivande atomerna. Snabba neutroner har mycket högre hastighet än den som ges av den termiska rörelsen hos omgivande atomer. SOU 2004:67 Transmutation ett alternativ till slutförvaring. Generellt gäller för transuranerna att kvoten mellan sannolik- heterna att atomkärnan skall klyvas (fissionera) och att den skall infånga en neutron (neutronabsorption) är störst för snabba neutroner. Det vill säga att om man vill i huvudsak klyva transuranerna skall dessa bestrålas med snabba neutroner. Å andra sidan är sannolikheten för att en neutron skall in- fångas av en klyvningsprodukt mycket större i ett flöde av ter- miska neutroner än i ett av snabba. I vissa transmutations- koncept har man också försökt utnyttja det faktum att neutron- infångningsprocessen har särskilt hög sannolikhet att inträffa för några energier (s.k. resonansenergier) inom ett relativt smalt energiintervall ovanför det termiska energiområdet. Om transmutationen skall leda till en kraftig reducering av strålningsfarligheten (radiotoxiteten) av det radioaktiva avfallet (hundra-faldig reducering eller mer) krävs bestrålning av det använda kärnbränslet i flera omgångar (cykler) med mellan- liggande separation av ämnena i detsamma. Färdigtransmuterat material måste avlägsnas så att det inte genom fortsatt bestrål- ning blir radioaktivt på nytt. Ännu ej transmuterat material skall återföras och blandas in i nytt bränsle för transmutations- anläggningen. Vilka ämnen som måste separeras är beroende av den transmutationsmetod, som man avser att använda. Två principiellt olika separationsmetoder studeras, där man i bägge fallen eftersträvar maximal separationseffektivitet för att därigenom minska avfallsmängderna, som går till ett geologiskt förvar. Separationseffektiviteter på har uppnåtts för uran och plutonium medan för övriga transuraner och fissionsproduk- ter effektiviteten ligger på . Den ena metoden är en vidareutveckling av en metod, som är baserad på vätskekemi, och som används vid de existerande upparbetningsanläggningarna t.ex. i (La Hague) och (). Vid dessa anläggningar utvinns plu- Transmutation ett alternativ till slutförvaring. tonium ur använt kärnbränsle genom att bränslet löses upp i en stark syra, varefter man på kemisk väg skiljer ut bränslets olika beståndsdelar för tillverkning av nytt kärnbränsle (MOX- bränsle) till kommersiella termiska kärnkraftreaktorer. Som ett första steg avser man att genom en vidareutveckling av den process som används för plutoniumutvinning (PUREX) också separera uran, neptunium och de långlivade klyvningspro- dukterna jod och teknetium från övriga transuraner och klyv- ningsprodukter. Utveckling pågår av processer för att i följande steg separera de återstående transuranerna, americium och curium, som tillsammans med neptunium benämns minoritets- aktinider (MA) från de återstående klyvningsprodukterna. Problemet med denna separationsmetod är att vissa väsentliga kemikalier i separationsprocesserna blir overksamma när de utsätts för (stark) kraftig joniserande strålning. Därför måste radioaktiviteten i bränslet få avklinga under en relativt innan separationen kan genomföras. Alla typer av bearbetning och separationsprocesser innebär ökade risker för bestrålning av anställda och utsläpp till omgivningen. föreslog att en svensk upparbet- ningsanläggning byggd på vätskekemi skulle byggas vid Bohus- kusten. Dessa planer realiserades aldrig. Kärnkraftsindustrin valde istället att teckna avtal med utländska upparbetnings- anläggningar (La Hague i och i Storbritan- nien). Sedermera har dessa avtal upphört att gälla, eftersom de inte längre var meningsfulla när beslut fattats om att kärnkraften skulle avvecklas i och att man skulle direktdeponera det använda kärnbränslet som avfall. En viktig poäng med upparbet- ning är ju att det plutonium som bildats i reaktorbränslet skall tas tillvara och användas för tillverkning av nytt reaktorbränsle, dels som ett led i en effektiv hushållning med uranråvaran och dels för att förhindra att plutoniet kommer på avvägar och används som kärnvapenmaterial. Teknik för att bygga en svensk upparbetningsanläggning base- rad på vätsketeknik finns alltså tillgänglig utomlands. Erfaren- heterna från utlandet visar dock att det krävs stora anläggningar SOU 2004:67 Transmutation ett alternativ till slutförvaring. för att nå en rimlig ekonomi. De upparbetningsanläggningar som finns utomlands betjänar kärnkraftskunder i flera olika länder. Vissa väsentliga kemikalier i vätskeseparationsprocessen blir, som redan nämnts, overksamma när de utsätts för stark strål- ning. Därför pågår forskning och utveckling i ett flertal länder avseende en alternativ separationsmetod. Denna grundar sig på s.k. pyrokemiska processer, som kan arbeta också i höga strålfält och därigenom ta hand om bestrålat bränsle från transmutations- anläggningar. I den pyrokemiska metoden, som ger mer kom- pakta separationsanläggningar, utnyttjas skillnader i de elektro- lytiska egenskaperna för olika ämnen i den högaktiva delen av det använda bränslet som, vid elektrolysen, är upplösta i en saltsmälta med hög temperatur bestående av fluorider eller klo- rider. Med elektrolys menas att saltsmältan, som innehåller det radioaktiva använda kärnbränslet, placeras i ett kärl med två elektroder. Separationen sker genom att ämnena i det använda bränslet faller ut på den ena elektroden vid olika elektriska spänningar mellan elektroderna. Hur skulle en transmutationsanläggning kunna se ut? De olika lösningar, som studeras, omfattar användningen av jon-acceleratorer, kritiska och underkritiska reaktorer samt termiska och snabba reaktorer av olika konstruktion. Med en kritisk reaktor menas en reaktor där neutronproduktionen i bränslet exakt balanserar neutronförlusterna genom reaktioner i bränsle, kylmedel, konstruktionsmaterial och av läckage medan en underkritisk reaktor har större neutronförluster än produk- tion. En termisk reaktor har ett termiskt neutronflöde i härden, d.v.s. neutronerna är i hastighetsjämvikt med de omgivande atomerna i bränslet, medan en snabb reaktor har ett snabbt neutronflöde, dvs. neutroner med väsentligt högre hastighet (energi) än de omgivande bränsleatomerna. Transmutation ett alternativ till slutförvaring. kärnkraftreaktorer, som är i drift världen över, inklusive kärnkraftreaktorer av lättvattentyp, är kritiska termiska reaktorer. Ett fåtal snabba kritiska reaktorer finns i drift medan andra varianter av snabba reaktorer ännu är på prototyp- eller projektstadiet. En transmutationsanläggnings prestanda bestäms av neu- tronernas intensitet och energifördelning i härden, som påpekats tidigare, men också av neutronekonomin dvs. av hur många neutroner, som är tillgängliga för transmutationen av avfallet. Generellt kan sägas att de snabba kritiska reaktorerna har en bättre neutronekonomi för transmutation än de termiska. Bäst neutronekonomi har en typ av transmutationsanläggning, som består av en kombination av en kraftfull jon-accelerator och en underkritisk reaktor ett s.k. acceleratordrivet system (Accele- rator , ADS). Acceleratordrivet system (ADS) med snabb underkritisk reaktor Schematisk beskrivning av kärnsplittringsprocessen (spallationsprocessen). När protoner (röda klot) med hög hastighet från acceleratorn kolliderar med bly- och vismut-atomer i centrum av den underkritiska reaktorn splittras atomkärnan i flera fragment och ett stort antal neutroner (blåa klot) frigörs. SOU 2004:67 Transmutation ett alternativ till slutförvaring. Det acceleratordrivna systemet har i forskningssammanhang tilldragit sig störst intresse. En kraftfull jon-accelerator levererar sin jon-stråle (protoner, alltså väteatomkärnor) till en under- kritisk reaktor. Protonerna får träffa en kropp av tungt material (t.ex. en blandning av bly och vismut i smält form), som finns i reaktorhärdens centrum. När protoner med mycket hög energi (hastighet) träffar atomer av något tungt material som bly eller vismut, så splittras dessa i flera fragment och ett stort antal neutroner frigörs. Processen kallas spallation. Någon svensk term för detta finns inte, men kärnsplittring kan kanske vara ett alternativ. Vid varje kärnsplittring frigörs några tiotal neu- troner. Ett intensivt strålfält av neutroner byggs upp i växel- verkan med reaktorns bränsle, som utgörs av de långlivade transuranerna från det använda bränslet. Tack vare underkriti- citeten stoppas reaktorn då acceleratorstrålen stängs av. Detta gör att säkerheten mot kriticitetsolyckor blir mycket hög. För att effektivt förbränna transuranerna och då speciellt de tyngre transuranerna (MA) krävs, som ovan nämnts, en reaktor med snabba neutroner. För att undvika att de snabba neutroner- na bromsas ned (termaliseras) krävs ett medium med tunga atomer. Störst intresse har visats användningen av flytande bly/vismut som kylmedel, som man har erfarenhet av från ryska ubåtsreaktorer. En underkritisk reaktor ger säkerhetsmässiga fördelar jämfört med en kritisk reaktor. Anledningen till detta är att en hög inblandning av minoritetsaktinider (MA) på bekost- nad av uran-238 i bränslet ger sämre säkerhet mot kriticitets- olyckor eftersom uran-238:s kärnfysikaliska egenskaper bidrar till att förhindra kriticitetsolyckor i en kritisk reaktor. Som påpekats ovan krävs det termiska neutroner för att effek- tivt transmutera de långlivade klyvningsprodukterna. Av denna anledning har man tänkt sig att perifert i den snabba under- kritiska reaktorns bränslehärd åstadkomma en zon med termiska neutroner där transmutationen av klyvningsprodukterna kan äga rum. Alternativt har man studerat möjligheten att utnyttja reso- nanserna i neutroninfångningsprocessen (transmutationspro- Transmutation ett alternativ till slutförvaring. cessen för klyvningsprodukterna), som återfinns inom ett smalt energiområde ovanför det termiska området, och som neu- tronerna energimässigt passerar då de långsamt bromsas upp genom upprepade kollisioner mot de tunga atomkärnorna hos kylmedlet (bly/vismut). Schematisk bild av en acceleratordrivet transmuta- tionssytem (ADS). SOU 2004:67 Transmutation ett alternativ till slutförvaring. Acceleratordrivet system (ADS) med termisk underkritisk reaktor Acceleratordrivna system med termiska underkritiska reaktorer har också studerats. Störst intresse har ägnats system där man använder en saltsmälta (beryllium- och litiumfluorider alternativt natrium- och zirkoniumfluorider) som kylmedel, i vilken man också löser upp det aktiva avfallet som skall transmuteras. Drift- erfarenhet finns från en kritisk reaktor av saltsmältetyp för energiproduktion, som konstruerades och kördes vid Oak i .