Hoppa direkt till innehållet
printicon
Publicerad: 26 aug, 2019

Studerar uran i bentonit för slutförvaring av kärnavfall

NYHET Sommarens skrämmande TV-serie Chernobyl har aktualiserat en diskussion om kärnkraft. Slutförvaring av kärnavfall är ännu inte en akut fråga, enligt Umeåforskaren Michael Holmboe. Han studerar tillsammans med bland annat amerikanska forskare geokemin hur uranmolekyler interagerar med den bentonitlera som Sverige och många andra länder planerar att använda som buffertmaterial mellan kärnavfallskapslarna och berggrunden.

– Forskningen behövs för att bättre kunna förstå och förutsäga hur uran kommer att bete sig om den kommer i kontakt med bentonitleran. Eftersom utbränt kärnbränslet består av cirka 95 procent urandioxid i fast form kommer eventuellt läckage av uran och andra radioaktiva ämnen från bränslet bero dels på hur snabbt urandioxid löser upp sig, transporteras iväg, samt adsorberas till bentonitleran eller andra mineralytor. Själva upplösningen samt transportprocesserna är dessutom beroende av varandra. I det här projektet fokuserar vi på själva transporten och adsorptionen av uran i bentonitbufferten, säger Michael Holmboe, som precis avslutat sin forskarassistenttjänst på Kemiska institutionen vid Umeå universitet.

Uran kan liksom dom flesta andra grundämnen förekomma i olika former, genom att bilda olika slags molekylkomplex med till exempel kalciumjoner, karbonatjoner och hydroxidjoner. Dess så kallade speciering är helt enkelt väldigt komplicerad, och kan man inte förutsäga vilken molekylform uranet föreligger i, kan man heller inte förutsäga dess kemiska egenskaper eller hur snabbt eller långsamt uranmolekylerna skulle kunna läcka och transporteras ifrån en trasig kärnavfallskapsel. Ifall uranmolekyler läcker och börjar transporteras genom bentonitleran, vars funktion är att agera som en självläkande transportbarriär, kan de fria uranmolekylernas speciering dessutom förändras, då bentonitlerans mineralpartiklar adsorberar vissa former av uranmolekyler bättre än andra.

– Vi hoppas genom både experiment och olika transport- samt molekyldynamiksimuleringar bättre kunna förutsäga hur speciering, adsorption samt transport av uranmolekyler sker i bentonitbufferten, samt hur dessa processer påverkas av grundvattnet samt andra mineral såsom kalkspat, säger Michael Holmboe.

Projektet startade för ett och ett halvt år sedan och Michael Holmboe, som är geokemist, kom in i bilden i våras då han tillbringade två veckor vid California State University samt Lawrence Berkeley National Lab i Kalifornien i USA.

– Jag ska med hjälp av molekyldynamiksimuleringar på Umeå universitetets superdator Kebnekaise vid HPC2N undersöka hur olika slags uranmolekyler interagerar med och transporteras genom de nanometerstora porerna som finns i bentonitleran. Det jag vill ta reda på är om transporten av olika uranmolekyler genom de minsta porerna som finns i leran begränsas av uranmolekylernas storlek eller av deras laddning, samt om specieringen därför kommer att bero på porstorleken, säger Michael Holmboe.

Just detta projekt finansieras av den amerikanska Energimyndigheten DOE genom deras Nuclear Engineering University Program som är ett forskningsprogram som tillåter amerikanska universitet att forska brett inom kärnenergiområdet. Projektledare är biträdande lektor Ruth Tinnacher vid California State University, som Michael Holmboe har haft kontakt med sedan sin postdoktorperiod i USA. Detta projekt är en fortsättning på tidigare studier.

Eftersom den vetenskapliga och politiska processen att ta fram slutförvar av kärnavfall i olika länder ser olika ut, är det inte helt enkelt att jämföra vem som kommit längst i processen och är närmast installation.

– Det är helt enkelt en väldigt lång process, som kräver olika slags ingående miljöprövningar, platsundersökningar, bygglov samt godkännande för installation och drift. Dock kan sägas att Finland som planerar ett likande slutförvar, verkar ha kommit längre än Sverige. Frågan är dock inte särskilt akut alls, vilket verkar vara ett vanligt missförstånd man ofta ser i media och olika debattinlägg, förmodligen grundat på det faktum att inget land i dag har påbörjat något slutförvar för högaktivt kärnavfall.  Anledningen till att det inte är akut är dock därför att allt utbränt kärnbränsle ändå måste mellanlagras i två steg, totalt sett i minst 30-40 år. Dessutom, eftersom endast en kopparkapsel (med 1,5 ton kärnavfall) planeras att installeras per dag, kommer själva installationen av allt bränsle ändå ta många år, kanske upptill 70 år enligt Svensk Kärnbränslehantering AB, SKB, som är det halvstatliga företaget som ansvarar för kärnavfallet i Sverige, säger Michael Holmboe.

Kommersiell kärnkraft i Sverige tog fart 1972 och för närvarande har vi enligt SKB 6 700 ton högaktivt kärnavfall, som i dag är lagrat endera i reaktorbassängerna utanför reaktorerna (steg 1, cirka 1-1.5 år efter att bränslet är utbränt), eller i vattenbassänger i mellanlagret Clab utanför Oskarshamn (steg 2, cirka 25-40 år). Anledningen till den långa mellanlagringstiden är för att radioaktiviteten samt temperaturen ska hinna avta i bränslet till mer rimliga nivåer, första tiden förvaras därför bränslet direkt utanför reaktorn i själva reaktorbassängen under drygt ett år för att bränslestavarna är för heta att enkelt hantera eller transportera.

Man vill naturligtvis att slutförvaret av kärnavfall ska vara intakt så länge som möjligt, men minst 100 000 år behövs för att radioaktiviteten ska hinna sjunka till de naturliga nivåer vi redan har i vår berggrund.

– Av den anledningen vill man främst använda sig av naturligt förekommande geologiska material som man vet kan utstå geologiska tidens tand så att säga. Det som är svårt är att förutsäga är hur slutförvarets alla olika komponenter – själva kärnavfallet, men även järninfästningen av kärnbränslestavarna, kopparkapseln, bentonitleran, berggrunden, grundvattnet med dess lösta saltjoner och all joniserande strålning – kommer att påverkas under så lång tid samt hur de kommer att påverka varandra. Själva bentonitens egenskaper kommer främst att påverkas av grundvattnets egenskaper och komposition, men även till viss del den joniserande strålning som kommer från kärnavfallet. Sen kan ju slutförvaret påverkas av yttre faktorer såsom ökad sprickbildning i berget på grund av kommande istiders glaciärer som kommer och går, vilket även kan komma att påverka grundvattnets temperatur och komposition av lösta saltjoner, säger Michael Holmboe.

Har du sett TV-serien Chernobyl och har du någon reflektion kring denna?

– Jag har sett serien, den var väldigt detaljrik och spännande. Det måste ha varit svårt att hålla en sån fin balansgång mellan att skildra händelserna kring kärnkraftsolyckan och involverade personer så sanningsenligt som möjligt samt samtidigt skapa ett spännande tv-drama. Det finns ju mer dokumentära och sanningsenliga beskrivelser av Tjernobylolyckan på annat håll… Jag har tyvärr ej läst boken ’Bön för Tjernobyl’ av Svetlana Aleksijevitj som tv-serien främst är inspirerad av, men blev ju mer sugen efter att ha sett tv-serien. Senaste tidens rapporterade kärnrelaterade olyckor i Ryssland, brand på en atomubåt med 14 döda (rapporterat av DN 2 juli) samt 5 eller fler döda vid en mindre kärnexplosion på en havsbaserad raketramp utanför Archangelsk (DN 8-19 augusti) visar ju tyvärr varför vi aldrig för glömma vad som hände i Tjernobyl.

 

Fakta bentonitlera:

Bentonit är en naturligt svällande lera som huvudsakligen består av ett nanometertjockt aluminiumskiktsilikat kallat montmorillonit, helst över 80 viktsprocent för att vara av bra industriell kvalitet. Dess flaklika och negativt laddade partiklar expanderar från varandra i kontakt med vatten, främst på grund av hydratisering av de fria positivt laddade motjoner (såsom Na+, Ca2+, Mg2+) som är adsorberade mellan flakpartiklarna.

 

För mer information, kontakta gärna:

Michael Holmboe, Kemiska institutionen vid Umeå universitet
Telefon: 090-786 68 61
E-post: michael.holmboe@umu.se

Grupphemsida: moleculargeo.chem.umu.se

 

Mer information om HPC2N-centret vid Umeå universitet:

www.hpc2n.umu.se/

Mer information om Nuclear Engineering University Program:

neup.inl.gov/

Mer information om SKB:

www.skb.se/

 

Text: Ingrid Söderbergh