Radioaktivt avfall från kärnkraftverk behöver lagras i tusentals år innan det upphör att avge strålning. Transmutation kan dock neutralisera det och i stor utsträckning göra det ofarligt, åtminstone principiellt. Vakuumpumpar spelar en viktig roll i denna process.
Transmutation i stället för lagring är den lovande metoden för att förvandla högradioaktivt avfall till icke-radioaktivt material, eller åtminstone förkorta halveringstiden till hanterbara perioder. Vakuum är ett av kraven för denna process.
Halveringstid på 15 miljoner år
Omkring en procent av de använda bränslestavarna består av problematiskt material, inklusive radioaktivt plutonium och andra högradioaktiva isotoper, som kan ha en halveringstid på upp till 15 miljoner år. Redan i dag återvinner upparbetningsanläggningar plutoniumet och det återstående klyvbara uranet för att tillverka nya bränslestavar. De återstående mycket farliga ämnena var tidigare kandidater för en nästan obegränsad slutförvaringsprocess. Men det är också möjligt att separera dem kemiskt och sedan utsätta dem för fysiska förändringar (transmutation).
Transmutationen sker i ett så kallat acceleratorstyrt system (ADS). Kärnan i ADS är en hundra meter lång partikelaccelerator där protoner accelereras till hastigheter nära ljusets hastighet. Partiklarna får inte kollidera med andra partiklar under denna process. Därför genererar särskilda vakuumpumpar i systemet ett ultrahögt vakuum på 10-6 till 10-10 hPa.
Medveten nedbrytning
Protonerna träffar en blandning av tungmetaller med en enorm rörelseenergi och dess kärnor sprängs. Detta frigör neutroner som nu också träffar atomavfallspartiklarna med hög energi. Denna bombning startar många sönderfallsprocesser i den radioaktiva isotopens atomkärnor. I stor utsträckning omvandlas de till stabila – icke-radioaktiva – isotoper eller till radioaktiva partiklar med betydligt kortare halveringstid. Antalet kritiska isotoper kan minskas successivt i flera omgångar.
Till skillnad från kärnklyvning kan transmutationen inte eskalera okontrollerat. Om protonstrålen stängs av, upphör kedjereaktionen. I princip kan processen fortfarande generera mer energi än den behöver. Detta har fungerat i laboratorier ett tag nu. Forskare har studerat ADS i industriell skala sedan 1990-talet. Det första pilotsystemet väntas börja fungera i Japan 2020. Ett andra väntas påbörjas 2023 i Mol, Belgien. Ett kraftverk för återvinning av kärnavfall skulle kunna behandla det högradioaktiva avfallet från tio kärnkraftverk varje år. Problemet med slutförvaring av kärnavfall skulle äntligen få hanterbara dimensioner.
Neutralisering av kärnavfall i vakuum
Transmutation kan ersätta slutförvaringsanläggningar
Hur upparbetas bränsleelement?
Förbrukade bränslestavar innehåller 95 procent uran och en procent plutonium. De krossas först mekaniskt och löses sedan upp i salpetersyra. Genom kemiska reaktioner separeras uran, plutonium och andra återstående material från varandra. Ungefär 10 procent av uranet kan anrikas på nytt för att användas i nya bränslestavar. Plutoniumet bearbetas också till kärnbränsle.
Omkring 90 procent av det material som återstår efter denna återvinningsprocess är dock avfall som består av radioaktiva isotoper av många grundämnen, från arsenik till terbium. En liten mängd material som kan användas som radioaktiva källor för medicinska eller vetenskapliga ändamål kan fortfarande utvinnas ur dessa radioisotoper. Det återstående avfallet separeras sedan i låg-, medel- och högradioaktivt material. Ungefär sju procent är högradioaktivt avfall och ungefär en procent är ”problemavfall” som i vissa fall skulle behöva lagras i miljontals år, om det inte vore för transmutation. Volymen kärnavfall som måste lagras i årtusenden minskar kraftigt genom upparbetning.
Förbrukade bränslestavar innehåller 95 procent uran och en procent plutonium. De krossas först mekaniskt och löses sedan upp i salpetersyra. Genom kemiska reaktioner separeras uran, plutonium och andra återstående material från varandra. Ungefär 10 procent av uranet kan anrikas på nytt för att användas i nya bränslestavar. Plutoniumet bearbetas också till kärnbränsle.
Omkring 90 procent av det material som återstår efter denna återvinningsprocess är dock avfall som består av radioaktiva isotoper av många grundämnen, från arsenik till terbium. En liten mängd material som kan användas som radioaktiva källor för medicinska eller vetenskapliga ändamål kan fortfarande utvinnas ur dessa radioisotoper. Det återstående avfallet separeras sedan i låg-, medel- och högradioaktivt material. Ungefär sju procent är högradioaktivt avfall och ungefär en procent är ”problemavfall” som i vissa fall skulle behöva lagras i miljontals år, om det inte vore för transmutation. Volymen kärnavfall som måste lagras i årtusenden minskar kraftigt genom upparbetning.