sou · GSB367d3 · 2005-01-01 00:00:00 — Bl.a. har beräkningar gjorts på reduktionen av de radioaktiva ämnena i den högaktiva delen av det använda bränslet vid bestrålning i ett acceleratordrivet system med en underkritisk saltsmältereaktor. Beräkningarna visar att man får en relativt stor reduktion av de aktiva ämnena i bränslet efter en bestrålningscykel utan separa- tion. Om separation görs av nybildade kortlivade klyvningspro- dukter från bränslet i saltsmältan kan man uppnå en större reduktion av de aktiva ämnena än utan separation av dessa produkter. Studier har gjorts av möjligheten att utföra denna reningsprocess i en direktansluten separationsanläggning genom vilken saltsmältan från reaktorn kontinuerligt cirkuleras. Denna teknik innehåller dock flera problem som ännu inte är lösta. En väsentlig skillnad mellan transmutation i ett termiskt neutronflöde jämfört med detsamma i ett snabbt flöde är att en liten del mycket tunga ämnen byggs upp av det termiska flödet. Dessa relativt långlivade element finns kvar i restavfallet efter transmutationen och måste slutförvaras. Det mest beprövade sättet att bli kvitt plutoniet är att blanda det med utarmat eller naturligt uran till s.k. MOX-bränsle och an- vända detta som bränsle t.ex. i termiska reaktorer av den typ som Transmutation ett alternativ till slutförvaring. vi nu har i . Man slipper då köpa motsvarande mängd anrikat uran och man hushållar även bättre med det uran som man en gång brutit för tillverkningen av det ursprungliga uran- bränslet. Man kan dock inte upprepa denna process mer än ett fåtal gånger, eftersom halten av tyngre plutoniumisotoper ökar efterhand, och dessa inte kan separeras från det nyttiga plu- toniet (plutonium-239) på kemisk väg, eftersom det rör sig om samma grundämne. För en vidare förbränning av restplutoniet krävs en snabb reaktor, kritisk eller underkritisk. Förutom plutonium, som nämnts ovan, kan också de flesta klyvningsprodukterna transmuteras i reaktorer med termiskt neutronflöde. Emellertid konsumeras neutroner vid transmuta- tionen av klyvningsprodukterna till skillnad från vid förbrän- ningen transmutationen av plutonium i vilken det produceras nya neutroner. Som tidigare nämnts är neutronekonomin (antal neutroner tillgängliga för transmutationsprocesser) låg för ter- miska kritiska reaktorer dvs. för kärnkraftreaktorer av konven- tionell typ. För att inte få orimligt långa transmutationstider krävs den bättre neutronekonomin, som erbjuds av ett accelera- tordrivet system eller andra kritiska reaktorer som anpassats speciellt till transmutation. För restplutoniet från MOX-förbränningen av plutonium, men också för en effektiv förbränning av de flesta av de övriga tran- suranerna i det använda bränslet (minoritetsaktiniderna nep- tunium, americium och curium), krävs snabba reaktorer dvs. reaktorer där neutronerna har högre hastighet än den som ges av den termiska rörelsen (värmerörelsen) hos härdens atomer. Egenskaperna för transmutation hos flera olika typer av snabba kritiska reaktorer har studerats. Även om neutronekonomin för transmutation är bättre för dessa reaktorer än för de termiska kritiska reaktorerna så krävs en stor park av snabba reaktorer för att få rimlig transmutationskapacitet. Orsaken till detta är att SOU 2004:67 Transmutation ett alternativ till slutförvaring. man endast kan ha en låg inblandning av de s.k. minoritetsakti- niderna (neptunium, americium och curium) i uran-bränslet för att undvika att man tummar på reaktorns säkerhetsmarginaler. Snabba kritiska prototypreaktorer för kraftgenerering har tidigare byggts utomlands. Vanligen har dessa plutoniumbränsle och kyls med flytande natrium. Dessa reaktorer har därtill den egenskapen att man i en mantelzon bestående av naturligt eller utarmat uran och som omger reaktorhärden kan få en upp- byggnad av plutonium, som överstiger plutoniumförbrukningen i reaktorhärden. Sådana reaktorer kallas därför ofta brid-reak- torer (av engelska ordet breed, som betyder avla eller alstra). ansågs att bridreaktorer efterhand skulle komma att ersätta dagens reaktorer, inte minst för att de hus- hållar effektivt med jordens tillgångar av uran. Men den verkliga utvecklingen har inte blivit sådan, åtminstone inte . Tekniken är svårare än med dagens reaktorer, inte minst genom att kylningen sker med flytande natrium, som bl.a. är explosivt vid kontakt med syre. Eftersom det finns gott om uran på världsmarknaden och även gott om anrikningskapacitet är efterfrågan på plutonium som reaktorbränsle mycket låg. I stället har plutonium blivit något som vi vill bli kvitt. Detta hänger även samman med det faktum att bränslekostnaden i ett kärnkraftverk utgör en mycket liten andel av produktionskostnaden för elkraften. Det är den höga anläggningskostnaden som slår igenom på priset. Man kan säga att ett kärnkraftverk är dyrt att bygga men billigt att köra. Därför skall det helst gå för fullt så mycket som möjligt. Med t.ex. ett oljeeldat kraftverk är det tvärtom. Det är jämförelsevis billigt att bygga men dyrt att köra, eftersom oljan är dyr liksom rening av rökgaser m.m. Därtill kommer i nuvarande tider av nedrustning att en stor mängd plutonium blir tillgängligt i samband med att kärn- vapen nedmonteras. Detta bidrar ytterligare till att plutonium blivit en överskottsvara, som vi helst vill oskadliggöra för att nedrustningen skall bli bestående och att plutoniet inte på nytt skall kunna tas i anspråk för kärnvapenladdningar. Transmutation ett alternativ till slutförvaring. Någon större utbyggnad av snabba kritiska reaktorer, i vilka man skulle kunna förbränna plutonium och minoritetsaktinder, är därför inte sannolik. Man är hänvisad till acce- leratordrivna underkritiska system för denna förbränning, even- tuellt kombinerad med en inledande förbränning av plutonium, i form av MOX-bränsle, i termiska reaktorer. Kombinationer av ADS och kritiska reaktorer För att uppnå bästa möjliga förbränning av den radioaktiva delen av det använda bränslet och därtill ekonomi i hanteringen av detsamma studeras också kombinationer av nämnda transmuta- tionsmetoder inom de nationella och internationella forsknings- programmen. Två huvudlinjer särskiljs beroende på om bestrål- ningen av det radioaktiva avfallet sker via ett steg (single strata), med eller utan återgång av avfallsbränslet efter separation av klyvningsprodukterna, eller via två steg (double strata), där t.ex. plutonium förbränns i en termisk reaktor åtföljt av transmuta- tion av det resterande avfallet i ett acceleratordrivet system eller i en för ändamålet anpassad kritisk reaktor. De nationella forskningsprogrammen är inriktade mot trans- mutationsmetoder som passar in i respektive lands kärnenergi- program, så till vida att tvåstegsprincipen (double strata) prio- riteras i länder där förbränning av plutonium i kraftreaktorer redan pågår (MOX bränsle) medan länder utan plutoniumför- bränning fokuserar forskningen på enstegsprincipen. Antalet ADS-anläggningar som krävs för förbränningen av kärnavfallet från en grupp av lättvattenreaktorer varierar med transmuta- tionsmetod. Om alla transuraner skall förbrännas i ADS-anlägg- ningar uppskattas behovet av sådana anläggningar till av antalet kärnkraftsreaktorer dvs. en ADS-anläggning per fem kärnkraftreaktorer) medan i tvåstegsalternativet, med endast för- bränning av MA i ADS-anläggningar, behovet är (dvs. en ADS-anläggning per sju kärnkraftreaktorer). En beskrivning av forskningsläget i några tongivande länder ges i avsnitt 8.4. SOU 2004:67 Transmutation ett alternativ till slutförvaring. Direktdeponering, enstegs och tvåstegs transmutations- system (Pu plutonium. MA minoritetsaktiniderna: Neptunium, americium och curium). Var står vi rent kunskapsmässigt för att kunna tillämpa transmu- tationsmetoden i syfte att minska strålningsfarligheten (radio- toxiteten) och livslängden för använt kärnbränsle? Transmutationstekniken bygger på kända principer och veten- skapliga fakta. De processer (kärnreaktioner) i det använda kärn- bränslet, som leder till önskat resultat, är tillräckligt väl kända för att man skall kunna bedöma metodens tillämpbarhet. Där- emot krävs mer detaljkunskap för att kunna optimera de system, Transmutation ett alternativ till slutförvaring. som ingår i en transmutationsanläggning, vad gäller driftegen- skaper, säkerhet, ekonomi m.m. Den praktiska tillämpningen är emellertid komplicerad. De tekniska kunskaperna är olika väl utvecklade för de många delar, som ingår i en transmutationsanläggning. Detta gäller främst acceleratordrivna system med underkritiska reaktorer, som man avser att använda i praktiskt taget samtliga koncept för trans- mutation av hela eller delar av det använda bränslet. Den internationella utvecklingen av acceleratorer för hög- energifysiken, under , har inneburit ett teknologiskt genombrott. Denna utveckling utgjorde i själva verket incitamentet till att påbörja en mer målmedveten forskning inom transmutationsområdet: Denna idé fanns men den ansågs då tekno- logiskt svår att realisera. Den allmänna uppfattningen är emellertid att en accelerator, som uppfyller kraven för accele- ratordriven transmutation, kan byggas men med ett visst fråge- tecken för kravet på kontinuerlig, ostörd drift (utan korta eller långa strömavbrott) under långa tidsperioder. Som beskrivits i avsnitt 8.2 driver den kraftfulla jonstrålen från acceleratorn en intensiv neutronkälla placerad i centrum av en underkritisk reaktor. Neutronproduktionen, som genereras då jonstrålen stoppas av ett strålmål av tungt material (vanligtvis en blandning av bly och vismut i smält form), kan med relativt god noggrannhet beräknas för olika egenskaper hos jonstrålen och strålmålets material och utformning. De tekniska svårigheterna hänger främst samman med hållfastegenskaperna hos det fönster som skiljer acceleratorn från strålmålet. Detta fönster utsätts för höga stråldoser, som ger strålskador i materialet, men det utsätts även för termiska krafter då acceleratorn startas och stoppas. Ett annat tekniskt problem är korrosionen i väggmaterialet av den behållare som innehåller bly/vismut-smältan. Lösningen till detta problem har hämtats från konstruktionen av ryska ubåtsreak- torer, som också använde bly/vismut-smälta som kylmedel. Ett ytterligare problem som måste kunna hanteras är produktionen av en radioaktiv poloniumisotop, som bildas vid bestrålningen av SOU 2004:67 Transmutation ett alternativ till slutförvaring. vismut och har halveringstiden . Flera projekt är på gång för att lösa dessa problem där egenskaperna hos bly/vis- mut-smältor, strålningståliga material och kompletta strålmål med eller utan ingångsfönster studeras. Reaktorprogram för beräkning av driftegenskaper, säkerhets- aspekter, utbränning m.m. hos en acceleratordriven underkritisk reaktor testas i ett flertal pågående experiment. ut- vecklas metoder för att kontinuerligt mäta kriticiteten (under- kriticiteten) hos reaktorn, något som är viktigt ur säkerhets- synpunkt. Flera olika kylmedel studeras för den underkritiska reaktorn (bly/vismut-smälta, smält natrium eller heliumgas). En smälta av bly/vismut har bedömts såväl fysikaliskt som säkerhetsmässigt vara det bästa kylmedlet. Samma teknologiska problem med korrosion och poloniumproduktion, som ovan redovisats för den i reaktorn centralt placerade neutronkällan, finns också vid konstruktionen av reaktorn. Därtill kommer problemet med till- verkningen av reaktorbränslet som skall innehålla plutonium och de s.k. minoritetsaktiniderna neptunium, americium och curium från det använda kärnbränslet. Flera olika typer av bränslen stu- deras (nitrid-, oxid- och metalliska bränslen) där man efter- strävar god värmeledningsförmåga, hög smältpunkt och hög strålningsacceptans. Det senare krävs på grund av extremt höga strålningsnivåer hos nämnda bränsle som kan leda till material- skador. Inblandning av bl.a. keramiska material i bränslet studeras för att minska strålskador i bränsleelementen. Som beskrivits i avsnitt 8.2 studeras också ett alternativt kon- cept för den underkritiska reaktorn, där det använda kärn- bränslet är upplöst i saltsmältor dvs. fluorider bestående av beryllium- och litium- alternativt natrium- och zirkonium- fluorider. Kunskapen om denna typ av reaktor grundar sig på erfarenheten från driften av en kritisk saltsmälte-reaktor vid Oak , . Även om denna typ av underkritisk reaktor är principiellt intressant genom en enklare bränslehantering anses de tekniska svårig- heterna större än med den tidigare beskrivna bly/vismut-kylda Transmutation ett alternativ till slutförvaring. Trots detta pågår ett flertal forskningsprojekt, som inriktar sig på att öka kunskapen om saltsmältor och dess användning i reaktorsammanhang. För att transmutationen skall bli effektiv krävs som tidigare påpekats en mer eller mindre långtgående separation av ämnena i det använda kärnbränslet. I princip är det två olika metoder som studeras, där den ena baseras på vätskekemi och den andra på pyrokemi (se avsnitt 8.2). Den första metoden är beprövad och tillämpas kommersiellt i (La Hague) och Storbritan- nien () för tillverkning av MOX-bränsle. Forskning pågår för att med liknande teknik också kunna separera de övriga transuranerna (minoritetsaktiniderna) och vissa klyvningspro- dukter. Som nämnts i avsnitt 8.2, förstörs emellertid kemikalier som ingår i separationsprocesserna av höga stråldoser, varför metoden inte är användbar på färskt använt kärnbränsle, speciellt inte återcyklat transmutationsbränsle. En mångårig avklingning av aktiviteten krävs innan separationen kan genomföras med denna metod, vilket leder till en lång behandlingstid för det an- vända kärnbränslet omfattande avklingning, separation, bränsle- tillverkning och transmutation i flera cykler. Med den andra metoden, som baseras på pyrokemi, kan man hantera högaktivt material men metoden är inte lika väl utvecklad som den först- nämnda baserad på vätskekemi. Den pyrokemiska metoden har tillämpats med framgång i laboratorieskala och ett om- fattande utvecklingsarbete pågår för att lyfta separationskapa- citeten till en kommersiellt intressant nivå. Det är viktigt att separationsprocessen, som på grund av den mycket höga strål- ningsintensiteten måste ske i strålskärmade s.k. heta celler också utformas så att utsläpp till omgivningen blir så små som möjligt. Parallellt med forskningen på ovan redovisade problem inom separations- och transmutationstekniken pågår konstruktions- studier, bl.a. som ett projekt inom EU:s ramprogram, av demon- strationsanläggningar för transmutation. Även fullskaliga acce- leratordrivna transmutationsanläggningar har i några få fall offererats där Prof. C. Rubbia (nobelpristagare och tidigare chef SOU 2004:67 Transmutation ett alternativ till slutförvaring. för ) står bakom ett koncept med flytande bly/vismut som kylmedel och . Bowman (tidigare chef för transmuta- tionsforskningen vid Los , , numera med eget företag i transmutationsbranschen ()) står bakom ett annat koncept med saltsmältor som kylmedel. Inget av koncepten anses kunna realiseras på nuvarande kun- skapsnivå utan de kräver inledningsvis ett omfattande tekniskt utvecklingsarbete. Sammanfattningsvis kan sägas om kunskapsläget gällande separations- och transmutationstekniken att flera tekniska problem måste lösas innan man slutgiltigt kan bedöma trans- mutationsmetodens tillämpbarhet rent tekniskt, säkerhets- mässigt, ekonomiskt etc. Speciellt gäller detta problemen kring tillverkningen av bränsleelement och separationen av det hög- aktiva transmutationsbränslet. Arbeten pågår, som nämnts och beskrivs mer utförligt i avsnitt 8.4, för att lösa dessa problem. har den pågående forskningen inte givit resultat som motsäger att det skulle vara möjligt att tillämpa transmutation i syfte att minska strålningsfarligheten och livslängden för använt kärnbränsle. 8.4Pågående och planerad forskning De omfattande forskningsprogram som påbörjats i många länder inom separation och transmutation är av långsiktig karaktär. I huvudsak bedrivs grundläggande forskning som ger underlag att bedöma vilket transmutationskoncept som är optimalt vad be- träffar effektivitet, kapacitet, säkerhet och ekonomi under givna teknologiska men också politiska förutsättningar. Den kompe- tens och infrastruktur inom kärnenergiområdet, som krävs för att bygga upp en transmutationskapacitet för det använda kärn- bränslet, återfinns främst i de länder som har ett aktivt kärn- kraftprogram. Av denna anledning ges inledningsvis för de länder som bedriver forskning på transmutation kortfattade redogörelser för kärnkraftprogrammen i respektive land. Transmutation ett alternativ till slutförvaring. En gemensam målsättning för forskningen på transmutation av använt kärnbränsle är att på 10 20 års sikt bygga en demonstrationsanläggning. Parallellt med denna forskning pågår utveckling av separationsteknik för använt kärnbränsle, och då speciellt av den teknik som utnyttjar den tidigare omnämnda pyrokemin. I bedrivs transmutationsforskning dels med ekonomiskt stöd från EU och dels inom nationella program men också inom multinationella program med eller utan medverkan av EU. Inom EU-länderna intar , och en ledande roll vad beträffar forskningen på separation och trans- mutation. Gemensamt tog dessa länder (forskningsministrarna i respektive land) initiativ till ett planförslag för forskningen inom EU vars mål är att bygga en demonstrations- anläggning för acceleratordriven transmutation, följd av en prototypanläggning omkring 2030, som lägger grunden för industriella anläggningar omkring 2040. Medverkan i detta multinationella initiativ skedde sedermera också från , , , , , Öster- rike och EURATOM. Arbetet resulterade i en rapport, som beskriver hur en anläggning med ett acceleratordrivet system för transmutation skulle kunna byggas till omkring 2010 (Eur 01). Arbetet inom gruppen leddes av Prof. Rubbia. Rapporten beskriver de pågående projekten i som till- sammans utgör ett brett forsknings- och utvecklingsprogram kring de grundläggande principerna för ett acceleratordrivet system. SOU 2004:67 Transmutation ett alternativ till slutförvaring. Ett annat multinationellt projekt (Megawatt Pilot , MEGAPIE), som initierats av laboratorier i , , och med medverkan av laboratorier också i , och , gäller konstruktion och drift av en av huvudkomponenterna i ett acceleratordrivet system, nämligen den utrustning strålmålet som med acceleratorns hjälp leve- rerar neutroner till den underkritiska reaktorn. Utrustningen kommer att sättas upp och testas vid en kraftfull accelerator, som finns vid ett nationellt laboratorium (, PSI) i . EU:s stöd till transmutationsforskning har ökat från ca 5 M under tredje ramprogrammet (1990 1994) till 37 M för det pågående sjätte ramprogrammet (2002 2006). EU har inte officiellt tagit ställning till planförslaget från gruppen ledd av men följer ändå det föreslagna forskningsupplägget från gruppen i stort (Eur 01). Ett centralt projekt i detta upplägg är en preliminär studie av en accele- ratordriven demonstrationsanläggning, som påbörjades under det femte ramprogrammet 1998-2002. Vidare stödde EU under det femte ramprogrammet tolv pro- jekt uppdelade på fem delområden, som alla inordnades under ett paraplyprogram för forskning på avancerade tekniska lösningar för separation och transmutation (Advanced Options for Parti- tioning and Transmutation, ADOPT). Inom de tolv projekten bedrevs grundläggande forskning på separation, kärnbränsle för transmutation, kärnfysikaliska data, teknologi och material och en preliminär studie av en experimentanläggning avseende ett acceleratordrivet system. Mer än 50 institut och laboratorier, varav flera från , var engagerade i dessa projekt av vilka flera fortfarande pågår. Det sjätte ramprogrammet (2002 2006) innehåller fler projekt än under tidigare ramprogram och det täcker ett helt forsk- Transmutation ett alternativ till slutförvaring. ningsområde med preciserad målsättning. Man syftar också till att knyta ihop de nationella forskningsresurserna i nätverk och gynna rörligheten hos forskarna. Speciellt kan nämnas ett projekt inom sjätte ramprogrammet, som syftar till att utvärdera inverkan av nya teknologier, speciellt transmutation, på geologiska förvar både vad beträffar ekonomi och radiologiska aspekter. Projektet (Impact of Partitioning, Transmutation and on the Final Nuclear ) rymmer 20 partners från ledande orga- nisationer och forskningsinstitutioner i och koordineras av Prof. W. Gudowski, KTH, . Icke tekniska faktorer och icke tekniska frågeställningar kommer också att behandlas inom projektet liksom förmedling av resultat till allmänheten. Budget för EU:s forskningsprogram (ramprogram) för separation och transmutation från tredje ramprogrammet (1990 1994) till sjätte ramprogrammet (2002 2006). SOU 2004:67 Transmutation ett alternativ till slutförvaring. Forskning på separation och transmutation bedrivs också på nationell basis inom vissa EU-länder (Jeju 02, SKI 03). Mål- sättningen för denna forskning är beroende av respektive lands kärnenergiprogram. De experimentella utrustningar som tagits fram inom dessa nationella program erbjuds ofta för användning i multinationell forskning inom EU eller globalt. Det nationella programmet i för omhändertagande av kärnavfall omfattar tre studier specificerade i en fransk lag av . Lagen stipulerar att en slutgiltig rapport skall föreligga gällande dessa studier så att det franska parlamentet kan ta ett beslut om metod för omhändertagande av det franska kärnavfallet. Den första studien fokuserar på metoder att kraftigt reducera mängd och radiotoxitet hos kärnavfallet för en given energiproduktion. Den andra studien fokuserar på geologiskt djupförvar utan mänsklig långsiktig övervakning och den tredje på ett interimistiskt ytligt förvar som kräver en permanent över- vakning. Den första studien inkluderar utvärderingar av poten- tialen för separation och transmutation i tillgängliga reaktorer eller i innovativa reaktorer t.ex. acceleratordrivna underkritiska reaktorer. Rapporten, som skall föreläggas parlamentet, kan komma att få betydelse inte bara för ställning i dessa frågor utan även för flera andra EU-länder. Några projekt som drivs av Commissariat à lÉnergie Atomique (CEA) kan speciellt nämnas. Dels pågår i samarbete med italienska kärnenergiorganisationen per le Nuove Technologie, lEnergia e lAmbiente () två projekt för utveckling av en kraftfull accelerator för transmutation och dels studeras kopplingen mellan ett underkritiskt system drivet av en mindre accelerator och där olika bränslen och kylmedel kommer att användas. Transmutation ett alternativ till slutförvaring. har en lång tradition av forskning inom kärnenergi- området genom verksamheterna vid institutionerna för kärnfysik och kärnenergi i Jülich och . För den europeiska trans- mutationsforskningen spelar forskningen vid blylabo- ratorium (Lead Laboratory, KALLA) en viktig roll. Forskningen inriktas på att utveckla tekniken för användning av bly/vismut-smältor som kylmedel i reaktorer. Speciellt studeras korrosionsproblem och hydraulik. I finns också ett av fyra forskningsinstitut som drivs av EURATOM nämligen Insti- tutet för transurana element (ments, ITU) där forskning bedrivs angående dels tillverkning av bränsle som innehåller de s.k. minoritetsaktiniderna (neptunium, americium och curium) och dels pyrokemisk separationsteknik. Trots avsaknaden av kärnkraftreaktorer i så bedrivs en ganska omfattande forskning på transmutationsteknik. Delvis kan kanske detta förklaras av att Prof. Rubbia, som är italienare, nu är chef för . Rubbia och hans grupp vid lan- serade ett acceleratordrivet system (Energi- förstärkaren), som var tänkt att producera energi utgående från toriumbränsle i stället för uran. Fördelen med torium är att mindre mängder av transuraner (speciellt plutonium) bildas vid användningen av detta bränsle. Dessutom finns relativt gott om torium i naturen (betydligt mer än uran).