Tema

Studerar uran i bentonit för slutförvaring av kärnavfall

TV-serien Chernobyl har aktualiserat en diskussion om kärnkraft. Och även frågan om slutförvaring av kärnavfall. Umeåforskaren Michael Holmboe studerar hur uranmolekyler i förbrukat kärnbränsle interagerar med bentonitlera vid lagning i berget.

– Forskningen behövs för att bättre kunna förstå och förutsäga hur uran kommer att bete sig om avfallet kommer i kontakt med bentonitlera, som Sverige och många andra länder planerar att använda som buffertmaterial mellan kärnavfallskapslarna och berggrunden.

Eftersom utbränt kärnbränsle 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 Holmbo på Kemiska institutionen vid Umeå universitet.

Svårt att förutsäga uranets molekylform

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, eftersom bentonitlerans mineralpartiklar adsorberar vissa former av uranmolekyler bättre än andra.

Bentonitlera från vulkanaska

Bentonitlera är en naturlig minerallera från vulkanaska. Den består huvudsakligen av ett nanometertjockt aluminiumskiktsilikat kallat montmorillonit. Dess flaklika och negativt laddade partiklar expanderar från varandra i kontakt med vatten, främst på grund av hydratisering av fria positivt laddade joner (av t ex natrium, calcium och magnesium) som är adsorberade mellan flakpartiklarna.
Bentonitlera är populär inom kropps- och skönhetsvård eftersom den sägs ta bort syror, gifter och tunga metaller från kroppen med sin kraftiga negativa elektriska laddning.

– Vi hoppas genom både experiment och olika transport- och 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.

Simulerar uranets interaktion med bentonitlera

– 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.

Bentonitlera i Bentonitlaboratoriet. Foto: SKB

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 liknande 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.

Mellanlagring i två steg

Anledningen till att frågan inte är akut är att allt utbränt kärnbränsle 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.

6 700 ton högaktivt kärnavfall i Sverige

Kommersiell kärnkraft i Sverige tog fart 1972 och för närvarande har vi enligt SKB 6 700 ton högaktivt kärnavfall. Idag ligger det lagrat 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 att radioaktiviteten samt värmen 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 den 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, säger Michael Holmboe.

Själva bentonitens egenskaper kommer främst att påverkas av grundvattnets egenskaper och komposition, men även till viss del den joniserande strålning som kommer från kärnavfallet. Sedan kan 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.

Om projektet:

Projektet 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.

Kontakt:

Michael Holmboe, Kemiska institutionen vid Umeå universitet, michael.holmboe@umu.se

Vi finns där du är @forskningsnyhet

Studerar uran i bentonit för slutförvaring av kärnavfall

 lästid ~ 5 min