Et strålende avfall

Skrevet av Stian Christopher Simonsen

KJM3900 prosjektoppgave våren 2017

Hei bloggen!

Radioaktivt avfall er en fellesbetegnelse på stoff som inneholder radioaktive isotoper. Dette fører til at disse stoffene kan sende ut skadelige doser radioaktive stråling, og gjennom den prosessen også avgi varme. Siden dette kan være skadelig for mennesket eller miljøet må vi derfor lagre dette radioaktive avfallet. Da er det viktig at vi gjør det på en måte der det ikke kan komme til skade på tiden det bruker på å uskadeliggjøre seg selv.

Figur 1: en enkel illustrasjon av de tre typene radioaktive stråling som kommer ut fra en kjerne

Først av alt for å forstå oss på dette må vi vite litt kort om hva som gjør disse radioaktive kildene radioaktive. Dette kommer fra konseptet at en atomkjerne, som består av protoner og nøytroner, ikke nødvendigvis er ved sin laveste energitilstand, og vil for å stabilisere seg endre på kjernen til noe som er i en lavere energitilstand. Noen måter en kjerne kan gjøre dette på er ved å sende radioaktiv stråling for å bli kvitt overskuddsenergien.

Den mest energirike radioaktive strålingen er alpha-stråling, som er en heliumkjerne (eller to protoner og to nøytroner) som sendes ut. Dette gjør kjernen så den blir lettere og mer stabil.

beta-stråling er også en partikkel som sendes ut fra kjernen, men dette er et elektron som sendes ut. Denne mekanismen kan forklares (selv om det ikke er helt korrekt) gjennom at et nøytron dannet et proton og et elektron, der protonet forblir i kjernen og elektronet sendes ut med omkring 1/3 av overskuddsenergien fra denne forvandlingen. Dette blir bedre energetisk for kjernen siden det kommer til et mer stabilt forhold mellom antall protoner og nøytroner i kjernen.

Det finnes en til radioaktiv stråletype, og det er gamma-stråling. Dette er en elektromagnetisk stråling (foton) men en høy energi som kan sendes ut fra kjernen ved nukleære reaksjoner, men det kommer som regel som et biprodukt av en av de andre stråle typene.

Nå som vi vet noe om radioaktivitet kan vi gå litt mer inn på hvor vi finner det og derfra hvor vi får dannet det radioaktive avfallet. Radioaktive isotoper er noe som ligger naturlig i naturen, der dette kan være i fjell, planter og dyr og til og med noe i vann, dette vil vi kalle NORM (Naturally occurring radioactive material). Dette er ikke store konsentrasjoner av radioaktive isotoper selvfølgelig, slik at dette ikke er noe farlig, men det ligger der uansett. Siden dette ikke er store deler vil vi heller ikke kalle dette radioaktivt avfall. Det som gjør at dette blir til radioaktivt avfall derimot er hvis vi kommer i den situasjonen at det begynner å samle seg opp slik at får en høyere konsentrasjon av den radioaktive strålingen. Noen eksempler på hvordan dette kan skje er gjennom boring i fjell eller etter olje. Da vil vi få eksponert og potensielt samlet opp radioaktivt uran, som kan desintegrere til flere forskjellige radioaktive isotoper. En av disse isotopene som vi i Norge tenker mye på er radon. Radon eksisterer i gassform, som gjør det mulig for den å komme opp til overflaten gjennom sprekker og annet i berg. Hvis denne gassen da får muligheten til å samle seg opp kan det føre til skader og blir derfor til radioaktivt avfall som må håndteres. Siden dette er en gass er det ikke så lett å ta den opp og lagt den på et lager, derfor vil i dette tilfellet helst bare slippe den ut slik at konsentrasjonen av denne radioaktive gassen blir å lav at den ikke lenger har noen særlig påvirkning på miljøet.

Radioaktivt avfall kommer også fra kjernereaktorer. Fisjon av uran har en mengde forskjellige bi-produkter, som er somregel kort livde fisjons nuklider. Denne reaksjonen ser da ut som følgende:

\(^1_0n+^{235}U\rightarrow^x_yA+^{235-x}_{92-y}B+3^1_0n\)

Her hvor A og B er to produktisotoper. Et av de vanligste produktene vi ender opp med etter en slik reaksjon som har en lang halveringstid er 99Tc, men dette er ikke et stoff som nødvendigvis dannes direkte fra fissionsreaksjonen men heller gjennom desintegrasjonsreaksjoner av et av produktene. Disse er da nøytrontungestoffer som ligger på 99-rekken i nuklidekartet, som har en lav halveringstid, og desintegrerer gjennom β-stråling. Grunnen til at disse da ender opp med å bli til mye 99-technesium er siden dette er det første isotope med en høy halveringstid, som er på rundt 211 000 år.

Men det er også en rekke langlivede trans-uraner som kan dannes i en slik reaktor. Dette skjer gjennom en reaksjon som følgende:

\(^1_0n+^{238}U\rightarrow^{238}U \)

Der kan 239U også desintegrere og videre ned og eventuelt få dannet nye produkter som kan motta nøytroner og danne en ekstremt lang kjede som kan føre til mange potensielle langlevde radioaktive isotoper.

\(^{239}U+\beta^-(t_{1/2}=23.5min)\rightarrow^{239}Np+\beta^-(t_{1/2}=2.355d)\rightarrow^{239}Pu+^1_0n\rightarrow ^{240}Pu+^1_0n\rightarrow...\)

Reaksjonene som da skjer innen i reaktoren avgir varme som vi utnytter til å produsere strøm. Så vi benytter oss av reaksjonene så lenge de går inne i reaktoren. Brenselet begynner først å bli oppbrukt når reaksjonene inne i reaktoren begynner å produsere for lite varme. Dette kan komme av at vi har begynt å produsere for mange nøytronslukende isotoper som bremser ned nøytrondaneslen slik at fisjonen stopper opp. Det som da er igjen av brenselet vil inneholde en bestand av langlivede radioaktive isotoper som technetium, barium, krypton, uran og mange flere. Dette blir da karakterisert som radioaktivt avfall.

Nå som vi vet litt om hvordan dette lages og litt om hva det sender ut så kan vi forstå at dette en noe som vi burde få håndtert på en ordentlig måte. Gitt at dette er stoffer som kan ha en halveringstid som er ekstremt lang. Halveringstid er hvor lang tid det tar før stoffet har halvert mengden av seg selv.  En slik halveringstid kan variere fra stoff til stoff utfra stabiliteten til isotoper. Noen eksempler på dette er 137-Cs som har en halveringstid på 30,23 år, eller 235-U som også er en radioaktiv isotop av uran som har en halveringstid på 0,7 milliarder år. Den eneste måten å håndtere dette avfallet da blir gjennom å lagre det et trygt sted som gjør at miljøet ikke kan bli påvirket av det.

Så kommer vi til hvordan vi kan lagre dette avfallet og vi starter med nær overflate lagringen. Dette er et lagringsanlegg som ligger på overflaten eller litt under, noen 10-meter under bakken. Dette er anlegg som er eksponert av miljøet vi har på overflaten og kan derfor møte diverse endringer av trykk, temperatur og eventuelle andre faktorer. Dette er noe som vi må tenke på ved konstruksjonen av disse lagrene. De lages da som hvelv som fylles opp med radioaktivt avfall. Etter hvelvet er fylt vil det bli sperret og sørges for at de blir dekket av en membran/materiale som skal stopp Det meste/all stråling som blir sendt ut fra det radioaktive avfallet. Siden dette er lagret som kan bli utsatt for endringer i omgivelsene brukes ikke slike lagre til radioaktive isotoper med en ekstremt lang halveringstid, vi kan da ikke kan regne med at lagrene holder seg i all tid.

Denne typen lager må også være klar over eventuelle bi-produkter som eventuelle gasser som kan bli dannet slik at de er i stand til å holde et ufarlig trykk i hvelvet gjennom gassventiler, uten at vi har skadelige mengder med radioaktivitet som blir sluppet ut.

Den andre typen langtidslagringen vi har er dyp-lagringen. Dette er basert på å lagre det radioaktive avfallet dypt ned i jordskorpen på steder der miljøet på overflaten ikke blir påvirket av det på noen måte. Dette kan være på 250 meter og nedover ned i jordskorpen. Det som er viktig å ta hensyn til ved valg av slike steder er at de er geologisk stabile og ikke vil kunne føre det radioaktive avfallet opp på noen måte før det er uskadeliggjort. Steder som kan vurderes til dette er mange, der noen er basert på å bruke brukt tomrom, som gamle miner, tome oljebrønner, osv. Vi kan også lage nye steder som kan brukes som lagringsplasser.

Fordelen med å bruke slike lagringsplasser vil være at vi på overflaten ikke vil merke noe til den radioaktive strålingen, siden den ikke vil kunne klare å bevege seg gjennom all massen som skiller lagringsplassen fra overflaten. Varmeutviklingen vil heller ikke være et problem siden den har enormt mye plass å spre seg ut over, og at ingen vil være i område som det da ligger lagret, selv som varmeutviklingen ikke er et stort problem når det kommer til dette. 

Noen steder som kan benytte seg av eksisterende tomrom dypt ned i jordskorpen er for eksempel gamle miner. Der dekker vi det radioaktive avfallet med sement eller leire for å sikre den fast i dette punktet og for å gi litt mer beskyttelse. Da vil den radioaktive strålingen stoppes i fjellet rundt.

Dette en den foretrekkende metoden å oppbevare radioaktivt avfall på (gjerne fra fisjon reaktorer). Denne metoden er så aktuell siden den ikke har en så stor kostnad, siden vi ikke trenger å bygge en fasilitet som kan være en stor kostnad.

En annen måte å lagre radioaktivt avfall på et dypt lager er ved å bore i fjell. Forskjellen mellom denne metoden ovenfor å bruke gamle miner er at det radioaktive avfallet ikke vil være mulig å hente opp igjen ved boringen. Denne metoden er da basert på at vi borer et 5000 meter dypt hull. Da kan vi benytte de dypeste 2000 meterne til oppbevaring og de øvre 3000 meterne blir fylt med asfalt eller betong eller andre gode materialer. Hullene som bores trenger ikke å være så brede, men vi får fremdeles en god masse av radioaktivt avfall ned i hullet, samtidig som det er en trygg måte å oppbevare avfallet på uten at det har noen påvirkning på miljøet på overflaten.

Dette vil være en litt større kostnad siden vi må bore dette hullet enn å bruke eksisterende miner eller andre typer allerede eksisterende potensielle lagringsplasser, men kommer også med fordelen at vi har en større frihet rundt hvor vi skal plassere disse lagringsplassene. [1]

Det finnes flere måte å oppbevare det radioaktivt avfall på, og i denne bloggen har kun tre av disse metodene blitt nevnt. Ved et ønske om mer informasjon, se kilder for linken til en artikkel om det.

 

 

 

 

Kilder:

[1]: Storage and Disposal of Radioactive Wastes, World nuclear association (hentet 28.februar 2017)

URL: http://www.world-nuclear.org/information-library/nuclear-fuel-cycle/nuclear-wastes/storage-and-disposal-of-radioactive-wastes.aspx

[2]: Long-lived fission product, wikipedia (hentet 20.april 2017)

URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Long-lived_fission_product

[3]: Karlsruher Nuklidkarte, 9th edition 2015, J. Magill, G. Pfennig, R. Dreher, Z. Sóti

Av Stian Christopher Simonsen
Publisert 27. apr. 2017 12:12 - Sist endret 28. apr. 2017 10:56