Forskning och utveckling inom kärnteknikområdet
Vart är
kärnkraften på väg?
Många människors uppfattning i Sve- rige är att kärnkraften inte längre utvecklas. På ett sätt stämmer detta.
Sveriges riksdag har beslutat om stängning av Barsebäck och att inga nya reaktorer får byggas. Det finns t o m reglerat i lagen om kärnteknisk verk- samhet:
”Ingen får utarbeta konstruktionsrit- ningar, beräkna kostnader, beställa utrustning eller vidta andra sådana för- beredande åtgärder i syfte att inom lan- det uppföra en kärnreaktor.”
Men att man inte längre satsar på kärnkraft som energikälla i Sverige betyder inte att den tekniska utveck- lingen står still inom området. Tvärtom.
Det genomförs ett omfattande forsk- ningsarbete så väl i Sverige som runt om i världen i syfte att förbättra driftsäker- het, utnyttja bränslet effektivare, min- ska avfallet och se till att den senaste datatekniken utnyttjas så bra som möj- ligt.
Utvecklingen gäller också nytillverk- ning av kärnkraftverk i andra länder.
Forskningsresultaten används även
kraften som energikälla kommer att fin- nas kvar under lång tid och nya forsk- ningsresultat kommer att efterfrågas.
Transmutation – en framtida teknik?
Under senare år har transmutation bli- vit ett begrepp inom kärntekniken som står för förnyelse och framtidsopti- mism. Fördelarna med den nya tekniken ses i Sverige framför allt i att livsläng- den hos de långlivade radioaktiva
ämnena i kärnavfallet kan minskas kraf- tigt, vilket ändrar tidsperspektivet på avfallsproblemet från cirka 100 000 år till några hundra år. Tekniken kan ockå användas till att utvinna mer energi ur bränsleråvaran, eller använda andra bränslen än uran.
Kritikerna inom kärnforskningen menar att de problem som transmuta- tionstekniken ska lösa inte är så stora och att lösningarna knappast är pro- blemfria. De fördelar som tekniken skulle kunna ha anses ändå vara skäl nog för fortatt forskning.
för andra ändamål, t ex inom cancer- behandling. Antalet sysselsatta i värl- den är mer än nio gånger så stort inom icke energirelaterad kärnteknik som inom kärnkraftproduktion.
Har kärnforskningen någon framtid?
Kärnkraften finns idag i över 30 länder och de ca 440 reaktorerna svarar för 16 procent av världens elförsörjning. Ett 30-tal reaktorer är under uppbyggnad runt om i världen. Det innebär att kärn-
Så fungerar det
Transmutation betyder omvandling. I ett vanligt kärnkraftverk sker en trans- mutation när atomerna klyvs, men vad man i kärnkraftsammanhang brukar mena med ordet är acceleratordriven transmutation (ADS).
I ett sådant system kan man omvandla långlivade radioaktiva ämnen, som ingår i avfallet efter energi- produktion, till kortlivade eller stabila ämnen som inte avger strålning. Man kan också omvandla svårklyvbara ämnen till lättklyvbara som sedan blir till nytt kärnbränsle.
Accelererade protoner
För att få fram mängder med neutroner skjuts en stark ström av protoner med hög hastighet mot ett tungt ämne, t ex bly. Blykärnorna splittras då upp i lät- tare kärnor och i mängder av småparti- klar, mest neutroner. Detta kallas spal- lation. För att hastigheten på protonerna ska bli tillräckligt hög behövs en kilo- meterlång accelerator.*
I stort sett vilka atomkärnor som helst kan på detta sätt omvandlas till ett annat ämne. Vissa ämnen omvandlas till radioaktiva, andra till stabila.
Transmutation
När en neutron träffar en atomkärna kan olika saker hända; ett fåtal ämnen kan klyvas och avge både värme och nya neutroner (se sid 15), men det vanligaste är att atomkärnorna istället tar upp neutronen. Det kallas neutroninfång- ning. Med den infångade neutronen i kärnan har atomen övergått till ett nytt ämne.
En sådan kärnreaktion frigör inga neutroner som kan fortsätta processen, de måste tillföras på annat sätt.
Mycket forskning återstår
Acceleratordriven transmutation har långt kvar innan det kan bli verklighet.
Strålskyddet inom en sådan anlägg- ning kommer att bli betydligt mer kom- plicerat än inom nuvarande kärnkraft- verk, nya oprövade material kan orsaka problem och för att tekniken ska bli verklighet krävs så stora anläggningar att bara större länder eller EU skulle klara att utveckla, bygga och driva dem.
Transmutationsforskningen i värl- den förenklas inte av att de inblandade parterna vill uppnå olika mål med tek-
niken. Viss forskning syftar till en till- lämpning som kan förstöra, men även framställa vapenmaterial. En annan gren vill använda tekniken för kraft- produktion i en helt ny typ av reaktor.
I Sverige är ADS främst intressant för möjligheten att minska strålnig och värmeutveckling från kärnavfallet.
Grundforskning
Mycket av transmutationsforskningen är grundforskning. Enskilda fenomen kan därför studeras på olika laborato- rier. Internationellt samarbete är vanligt.
En stor mängd neutroner (+ andra partiklar) splittras ut från målkärnan då den träffas av en accelererad proton.
Neutron- infångning
Kärn- klyvning
Transmutation
När en neutron träffar en atomkärna omvandlas den antingen till ett nytt ämne genom att fånga upp neutronen, eller genom att klyvas i två nya kärnor (endast ett fåtal typer av atom- kärnor låter sig klyvas).
Den långlivade kär- nan teknetium-99 tar upp en neutron…
Ett fåtal ämnen kan transmuteras till lättklyvbara, därefter klyvas i samma reaktor och då alstra energi.
”Energiförstärkaren” som presenteras till höger bygger på en sådan princip.
Ett annat ämne än exemplet ovan, kan omvandlas från ett stabilt till ett radioaktivt ämne.
…och bildar teknetium- 100 som inom några sekunder avger strålning och sönderfaller till…
…rutenium- 100, en sta- bil kärna.
Accelererad proton
Frigjorda neutoner + diverse lätta kärn- partiklar
Acceleratordriven transmutation
Mål- kärna, exempelvis
bly
Spallation
Restkärna
The Svedberg-laboratoriet, vid Upp- sala Universitet, bedriver forskning med jonstrålar. Ett viktigt verktyg här är Gustaf Werner-cyklotronen, en accelerator* som tillsammans med en neutronanläggning bl a används för att producera neutronstrålar som alla har samma energi. Detta har stort värde inom forskning och gör anläggningen unik i världen.
Här kan man göra mätningar på hur
sannolikt det är att ett visst atomslag ska reagera på olika sätt när den utsätts för ett visst neutronflöde. Sådana expe- riment har betydelse för forskningen kring hur man kan få bort skadliga ämnen hos kärnavfall.
Anläggningen används också för att studera hur strålning från neutroner påverkar elektronik och datorutrust- ning. Detta vill man veta för att kunna ställa in instrument till flygplan och
Italienaren Carlo Rubbia, nobelpris- tagare 1984, arbetar vid partikel- forskningslaboratoriet CERN i Schweiz och inriktar sin forskning mot en speciell typ av reaktor som han kallar energiförstärkare.
Den ska både kunna producera energi och förbränna avfall.
I Rubbias energiförstärkare base- rar sig kärnbränslet på grundämnet
torium. Använt torium innehåller väsentligt mindre mängder av de radioaktiva ämnen som konventio- nell kärnkraft gör.
Det är dock inte helt utan pro- blem att basera bränslet på torium.
Det krävs att upparbetning, bränsle- tillverkning m m sker med delvis annan teknik än den som finns idag.
*Accelerator är en apparat där partiklar accelereras till höga hastigheter.
Cyklotron är en accelerator som är spiralformad.
ADS kräver upparbetning
**Många av de radioaktiva ämnen man vill transmutera har tendens att hamna i ”skug- gan” bakom andra kärnslag eller kärnre- aktioner vid en transmutationsprocess och inte bli träffade av neutronerna. För att komma åt även dessa, måste de separe- ras kemiskt i en sk upparbetningsan- läggning och sedan återföras i transmu- tationsprocessen.
Andra ämnen vill man få bort vid uppar- betning därför att de är stabila och en trans- mutering skulle omvandla dem till sådana radioaktiva former man vill bli av med.
För att ha nytta av ADS-tekniken krävs alltså att man kan bestämma vilka ämnen som ska omvandlas och då måste bränslet först upparbetas.
Geologiskt slutförvar ofrånkomligt
Transmutation kan inte ta bort alla långlivade ämnen i kärnavfallet. En liten del kommer fortfarande att behöva långtidsförvaras.
**Upparbetning är en kemisk process där man separerar klyvbart material från klyv- ningsprodukter som finns i använt kärn- bränsle, för att återanvända i kärnkraftverk.
Kommersiella upparbetningsfabriker finns i Storbritannien, Frankrike och Ryssland.
Dessa anses tillhöra världens mest kompli- cerade kemiska anläggningar. Bränsle från svenska reaktorer upparbetas numera inte.
”Energiförstärkaren” kan bli en första forskningsprototyp med ADS-teknik. Så här är den tänkt att se ut:
rymdstationer, eftersom deras utrust- ning kan påverkas av den högre strål- ningen från kosmos som de utsätts för.
Genom studierna kan man mäta hur känsliga instrumenten är och kalibrera dem.
Andra studier på laboratoriet syftar till att utveckla metoderna för cancer- behandling med neutroner.
Neutronstrålar testar atomer och datorer
Bilden finns endast i den tryckta versionen, får ej publiceras på Internet.
En kärnreaktor i medicinens tjänst
Stora bilden: Positionering av hel- kroppsfantom i BNCT-anläggningen i Studsvik*, där man utvecklar en metod för att behandla elakartad cancer i hjär- nan. Fantomen ska bestrålas med neu- troner i enlighet med patientbestrålning.
Bilden är tagen vid iordningställande av anläggningen för att ta emot patienter under våren 2001.
Lilla bilden: Test av avancerat patient- positioneringssystem, som utvecklats i samarbete med Lunds universitet. Sys- temet ska användas i BNCT-anlägg- ningen.
*Studsvikkoncernen är en grupp tjänste- företag med kunder inom främst kärn- kraftindustri och nukleärmedicin.
Arbetsplatsen Studsvik omfattar ett antal olika företag; förutom Studsvik- koncernens företag även KSU (Kärn- kraftsäkerhet och Utbildning) med flera. KSU utbildar operatörerna i våra kärnkraftverk och ägs av kraftbolagen.
En neutron (n) fångas upp av kärnan i en boratom (B-10). Borkärnan klyvs spontant i två delar som slungas ut med hög hastighet åt var sitt håll.
Om neutron-borreaktionen sker inne i en cell kommer de två reaktionsfrag- menten att slå sönder DNA-molekyler i tumörcellen och i närmast liggande cel- ler medan celler på längre avstånd sko- nas.
Strålen från reaktorn passerar först ett filter som tar bort de snabbaste neutro- nerna och därefter ett filter som tar bort de långsammaste neutronerna. De neu- troner som träffar patienten har en has- tighet som är avpassad så att de brom- sas ner på ett avstånd i vävnaden som svarar mot tumörens djup.
Vid Studsvik AB* vidareutvecklar man en befintlig strålbehandlingsmetod för att kunna bota cancer i hjärnan.
Metoden bygger på att man tillför ämnet bor till cancervävnad, som sedan bestrålas med neutroner som produce- ras i en ombyggd forskningsreaktor i Studsvik.
Att man använder just bor beror på att detta ämne har extremt stor sanno- likhet att absorbera neutroner. När området sedan bestrålas med neutroner åstadkommer man en nukleär reaktion (en kärnreaktion) med boret inne i can- cervävnaden, så att den intilliggande cancercellen skadas och därmed slutar att växa.
Omgivande vävnader skonas, efter- som räckvidden av den strålning som uppstår är begränsad till en cellstorlek.
Metoden kallas för Boron Neutron Capture Therapy (BNCT).
Ett problem med denna teknik har varit att neutronstrålen på sin väg mot tumören skadar frisk vävnad. Studsvik har utvecklat ett filter som gör att neu-
ronstrålen kan anpassas så att effekten av strålningen är störst på ett förut- bestämt djup i vävnaden, det vill säga där tumören finns, inte på ytligare eller djupare belägen frisk vävnad. I och med denna utveckling kan man behandla exempelvis elakartade hjärntumörer.
Tumören får 3 – 4 gånger högre stråldos
För att BNCT skall fungera är det nöd- vändigt att ha en högre koncentration av bor i tumörcellerna än i andra celler.
Därför kopplar man boratomen till ett kemiskt ämne, som tas upp speciellt i tumörcellerna.
Det har visat sig att tumörvävnad tar upp 3 – 4 gånger så mycket borfenyl- analin, eller BPA, som normal hjärn- vävnad, vilket innebär att en cancer- tumör får 3 – 4 gånger så hög stråldos som den normala hjärnvävnaden.
En del av BNCT-forskningen rör hur man skall kunna förbättra tumörceller-
nas förmåga att ta upp mer bor än vad andra celler gör. Detta arbete leds från Uppsala universitet i nära samarbete med Studsvik och med forskargrupper runt om i Europa.
Färre bieffekter
Redan i dag finns det vissa fördelar med BNCT-behandling jämfört med en van- lig behandling. Det är nu möjligt att uppnå samma resultat med bägge behandlingarna, men fördelen med BNCT är att den normala och funge- rande hjärnvävnaden endast får en fjärdedel av den stråldos som man är tvungen att ge vid den vanliga strålbe- handlingen. Detta innebär mindre ris- ker för biverkningar från hjärnan. Det innebär också att man i princip bör kunna upprepa behandlingen, vilket normalt inte kan göras efter vanlig strål- behandling mot elakartade hjärntumö- rer, eftersom det ger för hög stråldos.
n
n B-10
Alfa
Li-7
B-10
Celler
ABB Atom AB
Tillverkar bränslekutsar och reaktor- delar.
Anrikning
Koncentration av ett ämne. För bränsle till lättvattenreaktorer höjs halten av uran-235 från 0,7 procent till mellan 2,5 och 5 procent.
Avklingning
Avtagande av radioaktiviteten hos ett radioaktivt ämne. Anges ofta i ett ämnes halveringstid.
Bakgrundsstrålning
Strålningen från omgivningen, till exempel från rymden och berggrunden.
Barsebäcksverket
Två kärnkraftsreaktorer, varav en är avstängd, i Kävlinge kommun, Skåne.
Becquerel (Bq)
Enheten för radioaktivitet.
Becquerel Henri
Fransk fysiker som upptäckte radioak- tivitet. Fick Nobelpriset i fysik 1903, tillsammans med makarna Curie.
Bentonit
Lera som sväller av vatten och används till exempel vid isolering av radioaktivt avfall.
Bor
Ett ickemetalliskt grundämne. Bor kan förhindra kärnklyvningar genom sin förmåga att absorbera neutroner.
Bränsletillverkning
Brytning av uranmalm sker under jord eller i dagbrott. Malmen förs till ett uranverk där den krossas till sand. Där- efter renas det och koncentreras innan det skeppas till Sverige.
ABB Atom AB i Västerås pressar uranet, i form av det keramiska ämnet urandioxid, till 1 cm långa och breda cylindrar, så kallade kutsar, som sedan
packas i bränslestavar. Dessa monteras ihop till bränsleelement.
CLAB
Centralt mellanlager där använt kärn- bränsle från svenska reaktorer lagras i vattenbassänger i 30-40 år innan slut- förvaring.
Curie, Marie och Pierre
Franska forskare som upptäckte ämnet radium. Fick Nobelpriset i fysik 1903, tillsammans med H. Becquerel.
Einstein, Albert
Tysk-schweizisk-amerikansk fysiker.
Formulerade 1905 relativitetsteorin som säger att massa är en form av energi som kan omvandlas till andra energiformer enligt formeln E=mc2. (Energi = E, massa = m, ljusets hastig- het = c). Fick 1921 års nobelpris.
Fermi, Enrico
Italiensk-amerikansk fysiker. Fick Nobelpris 1938 för påvisandet av nya radioaktiva grundämnen. Konstruerade den första kärnreaktorn.
Fission
Klyvning, delning. När en neutron träf- far en uran -235-kärna, klyvs den och nya neutroner frigörs. När dessa neu- troner klyver en ny kärna, uppstår en självgående kedjereaktion.
Forsmarksverket
Forsmarks Kraftgrupp AB driver de tre kärnkraftsreaktorerna i Forsmark i Uppland.
Hahn, Otto
Tysk fysiker som var först med att klyva atomkärnor (1938). Fick Nobel- pris i kemi 1944 .
Halveringstid
Den tid det tar för hälften av antalet atomer i ett radioaktivt ämne att sön- derfalla.
Ordför-
klaringar och
namn
IAEA (International Atomic Energy Agency)
Förenta Nationernas kärnenergiorgan med säte i Wien. IAEA bildades 1956, sysslar med kärnenergins fredliga användning och ska stödja medlemslän- derna med forskning, utbildning och teknisk hjälp. De utför även kontroller av kärnkraftverk och övervakar att kärnbränsle ej används till kärnvapen.
Isotoper
Olika former av samma grundämne, med lika kärnladdning men med olika masstal.
Klaproth, Martin H
Tysk apotekare som upptäckte grund- ämnet uran (1789).
Oskarshamnsverket
OKG Aktiebolag äger och driver de tre kärnkraftsreaktorerna i Simpevarp utanför Oskarshamn.
Radioaktivitet
Omvandling av icke stabila atomer till stabila samtidigt som det bildas strål- ning. Denna kan vara av olika slag t ex alfa-, beta-, gammastrålning.
Radon
Radioaktiv gas som bildas vid sönder- fall av radium.
Ringhalsverket
Ringhals kärnkraftverk i Väröbacka söder om Göteborg omfattar fyra reak- torer.
Riksgäldskonto
Riksgäldskontorets konto för företags och privatpersoners sparande.
Riksgäldskontoret
Statlig myndighet vars huvuduppgift är att förvalta och ombesörja statens upp- låning.
SFR (Slutförvar för radioaktivt driftav- fall)
Ligger vid Forsmarks kärnkraftverk.
SFR tar emot låg- och medelaktivt avfall från kärnkraftverk, sjukhus, industrier, forskningsanläggningar med mera.
Sievert Rolf
Svensk forskare inom radiofysik och strålskydd. Konstruerade världens för- sta apparatur för mätning av strålning från hela människokroppen.
Sievert (Sv)
Ett mått på den skadliga verkan strål- ning har på människor. 1 Sv är en mycket stor stråldos varför vi normalt använder måttet millisievert (mSv). 1 mSv är en tusendels sievert.
Sigyn
SKB:s specialbyggda fartyg för transpor- ter av använt kärnbränsle och annat radioaktivt avfall.
SKB (Svensk Kärnbränslehantering AB) Tar hand om Sveriges radioaktiva avfall och ägs av kärnkraftföretagen. SKB sva- rar också för forskning på avfallsområ- det.
SKI
Statens kärnkraftinspektion som har till uppgift att granska, övervaka och främja säkerheten vid de olika kärntek- niska anläggningarna.
SSI
Statens strålskyddsinstitut som överva- kar alla strålskyddsfrågor i Sverige med anknytning både till kärnkraft och annan verksamhet.
Styrstav
Används i kärnkraftverk för att reglera reaktorns värmeutveckling och effekt.
Styrstavarna innehåller bor, kadmium eller hafnium som absorberar neutroner så att kärnklyvningarna minskar, eller upphör. Vid snabbstopp, eller när en reaktor ställs av skjuts styrstavarna in helt i härden.
Sydkraft AB
Sydkraft producerar el, naturgas och värme.
TWh, terawattimma = biljoner watt per timma.
Upparbetning
Den kemiska process där man skiljer uran och plutonium från klyvnings-pro- dukterna i använt kärnbränsle.
Uran
En tungmetall där alla isotoper är radio- aktiva. Uran förekommer i många mine- ral och fyndigheterna är spridda över större delen av jorden. Används som kärnbränsle och alstrar energi i form av värme i ett kärnkraftverk.
Uranbrytning
Uran finns naturligt i berggrunden.
Uranfyndigheter har påträffats i alla världsdelar. De kända tillgångarna på land kommer att räcka i minst 90 år med dagens förbrukning. Den svenska berggrunden innehåller omkring fem gram per ton berg. Den största fyndig- heten, 300 000 ton, finns i skifferlagren vid Ranstad i Skövde. Där är uranhalten 300 gram per ton skiffer, vilket är en låg och icke lönsam halt internationellt sett. Malmen i Key Lake-gruvan i Kanada innehåller 20 000 gram uran per ton malm.
Svenska kraftföretagen importerar årligen 1 500 ton uran, främst från Kanada och Australien.
Även i havet finns uran. Forskare anser att man kan fånga upp det med plastfilter, men idag är utvinningskost- naderna så höga att det inte är lönsamt.
Totalt finns 4 000 miljoner ton uran i haven.
Vattenfall AB
Vattenfall producerar idag hälften av landets el. Elen produceras främst via vattenkraft och kärnkraft.
Barsebäck Ringhals
Oskarshamn
Forsmark
Besök ett
kärnkraftverk!
Ringhals kärnkraft- verk och Kärnhuset, Värö- backa. Utställning som visar hur ett kärnkraftverk fungerar.
Minimiålder 15 år för besök inne i blocket.
Ring 020- 66 20 10.
Barsebäcks kärnkraftverk.
Minimiålder 15 år för besök inne i blocket.
Ring 046-72 40 00.
Forsmarks kärnkraftverk,
Östhammar. Minimiålder 16 år för besök inne i blocket.
Ring 0173-812 68.
Oskarshamns
Kärnkraftverk, CLAB - cen- tralt mellanlager för använt kärn- bränsle och Äspölaboratoriet - fors- knings- och demonstrationsanläggning för djupförvar.
Minimiålder 15 år för besök inne i blocket, ring 0491-
786340; 18 år för CLAB och 7 år för besök i
Äspös forskningstun- nel, ring 0491-
767805.
Kärnkraftverken tar gärna emot besök.
Ring först och boka tid för guidning.
Du kan också besöka kärnkraftverkens webbsidor:
Forsmarks kärnkraftverk www.forsmark.com
Oskarshamns kärnkraftverk www.okg.se
Ringhals kärnkraftverk www.ringhals.se
Barsebäcks kärnkraftverk www.barsebackkraft.se
Kärnkraft i Världen
Analysgruppen
www.analysgruppen.org
Kärnkraftsäkerhet och Utbildning AB, KSU
Box 1039 61129 Nyköping Tel 0155-26 35 00 Fax 0155-26 3074 E-post: info@ksu.se www.ksu.se
Statens Kärnkraftinspektion, SKI 106 58 Stockholm
Tel 08-698 84 00 Fax 08-661 90 86 www.ski.se
Statens Strålskyddsinstitut, SSI 171 16 Stockholm
Tel 08-729 71 00 Fax 08-729 71 08 E-post: ssi@ssi.se www.ssi.se
Studsvik AB www.studsvik.se
Svensk Kärnbränslehantering AB, SKB
Box 5864
102 40 Stockholm Tel 08-459 84 00 Fax 08-661 57 19 www.skb.se
Sydkraft AB 209 09 Malmö Tel 040-25 50 00 E-post: info@sydkraft.se www.sydkraft.se
Young Generation www.younggeneration.nu
Vattenfall AB www.vattenfall.se
Westinghouse
www.westinghouse.com
Högskoleutbildning KTH www.egi.kth.se
www.nuclear-tech-centre.org
1 prick på kartan repre- senterar en anläggning.
Den kan ha en eller flera reaktorer.
Fler organisationer och myndigheter
som ger information om kärnkraft
Kärnkraft ingår i en serie informationsskrifter.
Dessa kan beställas på www.svenskenergiiskolan.nu eller genom Svensk Energis skoldistribution
Telefon 020-23 00 33
Svensk Energi i skolan är ett projekt inom Svensk Energi
Andra skrifter i serien
ENERG I KÄLLOR
Utgåva
7
Utökad med FoU avsnitt
Svensk Energi/Swedenergy AB
101 53 Stockholm. Besöksadress: Olof Palmes gata 31 Telefon 08-677 25 00 Telefax 08-677 25 06
www.svenskenergi.se
