Separation och transmutation

Som redan nämnts är syftet med upparbetning, separation och transmutation att utnyttja uranråvaran effektivt och att avsevärt minska mängden långlivade radionuklider genom att omvandla, transmutera, dem till mer kort livade eller stabila ämnen. Framförallt vill man minska mängden av de så kallade transuranerna, det vill säga ämnen tyngre än uran. Dessa bildas i kärnreaktorer genom att en eller flera neutroner infångas av uranatomer, som sedan via radioaktiva sönderfall omvandlas till neptunium, plutonium, americium eller curium. Några enstaka långlivade klyvningsprodukter (bland annat teknetium-99, jod-129) kan också vara av visst intresse för transmutation⁸.

De långlivade radionukliderna kan omvandlas till mer kortlivade eller stabila nuklider genom kärn-fysikaliska processer. I teorin och i laboratorieskala är flera sådana processer möjliga, men den enda process som hittills använts för transmutation i större skala är bestrålning med neutroner. Neutroner kan klyva kärnor i transuranatomer så att dessa omvandlas till andra nuklider. Transmutation i stor skala av transuraner från använt kärnbränsle måste ske i en anläggning som liknar en kärnreaktor och eftersom kärnklyvningsprocessen frigör stora energimängder kommer anläggningen att likna en kraftreaktor.

Vilken typ av avfall som uppkommer och i vilka mängder bestäms av separationsprocesserna, trans-mutationen och antalet återcyklingar. Innehållet av långlivade radio aktiva ämnen minskar radikalt, men det kommer alltid att kvarstå en viss mängd högaktivt, långlivat avfall som ställer likartade krav på omhändertagande som vid direktdeponering av använt kärnbränsle.

En förutsättning för transmutation genom neutronbestrålning är att de nuklider som ska transmuteras har separerats från andra nuklider i det använda bränslet. I synnerhet måste man avlägsna kvarva-rande uran för att undvika att det bildas mer plutonium och andra transuraner. Separation av de olika ämnena kan åtminstone i princip åstadkommas med mekaniska och kemiska processer. I befintliga upparbetningsanläggningar kan man separera uran och plutonium från varandra och från övriga ämnen i använt kärnbränsle. Med Purex-processen, se avsnitt 3.3.1, kan även neptunium separeras;

dock krävs en mindre modifikation av processen.

Pågående forskning om separation har därför som mål att finna och utveckla processer som är lämpliga för separation av tyngre transuraner och eventuellt även vissa klyvningsprodukter i industriell skala. Målet för pågående forskning om transmutation är att definiera, undersöka och utveckla anläggningar som är lämpliga för transmutation av de nämnda långlivade radionukliderna i industriell skala. Figur 3-2 visar ett principschema för ett system för upparbetning, separation och transmutation.

En nödvändig förutsättning för de processer och anläggningar som kan bli resultat av denna forsk-ning och utveckling är att de accepteras av samhället. De måste därför möta mycket höga krav på säkerhet, strålskydd och miljöskydd. De måste vara ekonomiskt försvarbara och ge god säkerhet mot spridning av klyvbart material. För att ekonomin ska bli försvarbar behöver de stora energimängder som frigörs i transmutations-processen utnyttjas, till exempel för elproduktion.

8 Skälet till att dessa klyvningsprodukter tilldrar sig visst intresse för transmutation är att båda är långlivade (214 000 år respektive 17 miljoner år). Vidare är framförallt jod lättrörligt – följer med grundvattnet. Även teknetium är lättrörligt eftersom det kan bilda negativa joner under oxiderande betingelser.

Figur 3-2. Upparbetning, separation och transmutation.

Kärnkraftreaktor

Använt kärnbränsle Uran- och MOX-bränsle Tas ut ur reaktorn efter 3–5 år

Lagring vid kärnkraftverket Sker tills värmeutvecklingen är

så låg att transport kan ske, vanligen cirka ett år

Centralt mellanlager Upparbetning

Plutonium

MOX-bränsle Högaktivt flytande avfall

Separation Uran

Anrikning

Uranbränsle

Ämnen som inte är lämpliga att

transmutera (de flesta fissionsprodukterna)

Ämnen som är lämpliga att

transmutera (transuraner och vissa

fissionsprodukter)

Högaktivt avfall Förglasning Mellanlager Slutförvar

Transmutationsbränsle Avancerad reaktor

Använt bränsle Mellanlager Upparbetning

Separation

SKB har vid fyra tillfällen under de senaste tio åren redovisat forskningsläget inom separation och transmutation. Av den senaste redovisningen /Blomgren (ed) et al. 2010/ framgår bland annat följande:

• Från 1995 fram till slutet av 2009 har SKB varit den största svenska finansiären av forskning inom separation och transmutation i Sverige. De svenska forskarna har även haft en betydande finansiering från EU-kommissionen genom medverkan i EUs ramprogram. I oktober 2009 beviljade Vetenskapsrådet 36 MSEK till forskningsprojektet GENIUS (GenerationIV-forskning i UniversitetsSverige), vilket handlar om forskning kring nästa generation kritiska⁹ reaktorer. Den första tillämpningen av sådana reaktorer bedöms allmänt vara separation och transmutation av använt bränsle från dagens kärnkraft. I och med Vetenskapsrådets satsning har alltså den svenska aktiviteten inom separation och transmutation ökat rejält och SKB är inte längre huvudfinansiär inom området.

• Den politiska situationen för kärnkraft har ändrats dramatiskt under de tre senaste åren, i Sverige, Europa och världen. Denna förändring påverkar förutsättningarna för forskning och utveckling inom separation och transmutation. Forskning inom separation och transmutation för framtida energisystem baserade på avancerade kärnreaktorer, avancerat kärnbränsle och avancerade kärn-bränslecykler tilldrar sig betydande intresse bland studenter inom kärntekniska ämnen. Intresset inom kärnenergiindustrin har varit mer begränsat, men ökar nu, huvudsakligen på grund av den ökande uppmärksamheten kring snabba reaktorer.

• Under perioden 1990–2003 skedde en gradvis ökning av EU:s insatser på forskning och utveckling av separation och transmutation. Därefter har det finansiella stödet planat ut. Det är idag oklart vilket stöd som verkligen blir tillgängligt i framtida program. Inom kommissionen synes man förvänta sig en oförändrad nivå under överskådlig tid till ADS-forskning¹⁰, medan medlen till forskning om snabba reaktorer skulle kunna öka.

• En lyckad utveckling av separation och transmutation som delsystem i koncept med avancerade bränslecykler kommer inte att ta bort behovet av slutförvar för högaktivt och långlivat avfall.

Däremot kan utvecklingen minska kraven på de tekniska barriärerna. Jämfört med avfallet från dagens reaktorer kommer de komplexa processerna att generera en större mängd klyvnings-produkter medan mängden aktinider minskar. Mängden låg- och medelaktivt avfall ökar på grund av separationsprocesserna. Detta avfall blir även mer långlivat på grund av innehållet av klyvningsprodukter.

• Tillämpning av separation och transmutation för att effektivt minska mängden långlivade ämnen som behöver slutförvaras innebär att kärntekniska anläggningar måste finnas i drift under mycket lång tid – över 100 år.

• För svensk del är det viktigt att delta i den internationella utvecklingen och upprätthålla en rimlig kompetensnivå inom landet åtminstone så länge som en väsentlig del av landets elproduktion baseras på kärnenergi. Kompetens som utvecklas vid forskning på separation och transmutation är värdefull inte enbart för att bedöma utveckling och potential inom detta område utan också för utveckling av säkerhet och bränsleförsörjning vid existerande reaktorer.

• Nyligen har de svenska universiteten genomgått en generationsväxling inom kärnteknik, och för närvarande ökar verksamheten snabbt, både på grund av ökat forskningsintresse och ökade utbildningsbehov. De ledande forskarna i den nya generationen har alla etablerat sig genom projekt stödda av SKB och SKC¹¹, och de flesta av dem har deltagit i forskning om separation och transmutation. Därmed har denna forskning redan spelat en avgörande roll för den svenska kärntekniska kompetensen.

9 Kritiska reaktorer; de flesta reaktortyper är kritiska, dvs varje kärnreaktion i reaktorn åstadkommer i medeltal en ny fission. Om färre fissioner initieras är den underkritisk och om det i medeltal sker fler fissioner kallas processen överkritisk. ADS-reaktorer är underkritiska (ADS, acceleratordrivna system för omvandling av långlivade ämnen i det använda kärnbränslet).

10 ADS, acceleratordrivna system för omvandling av långlivade ämnen i det använda kärnbränslet.

11 SKC, Svenskt kärntekniskt centrum, KTH.