Mätning av neutroner för att minska kärnavfallet: Ny teknik banar väg för förbättrade anläggningar för behandling av kärnavfall

Simulering av kollision mellan neutronstjärnor. Upptäckter av gravitationsvågor från sammanslagna neutronstjärnor gav forskare här på jorden tips om att det borde vara möjligt att förutsäga hur neutroner interagerar med atomkärnor. Kredit: NASA:s Goddard Space Flight Center/CI Lab CC-BY-ND
Simulering av kollision mellan neutronstjärnor. Upptäckter av gravitationsvågor från sammanslagna neutronstjärnor gav forskare här på jorden tips om att det borde vara möjligt att förutsäga hur neutroner interagerar med atomkärnor. Kredit: NASA:s Goddard Space Flight Center/CI Lab CC-BY-ND

Kärnkraft anses vara ett av sätten att minska beroendet av fossila bränslen, men hur man ska hantera kärnkraftsavfall är en av de frågor som omgärdar kärnkraften. Radioaktiva avfallsprodukter kan omvandlas till mer stabila grundämnen, men denna process är ännu inte genomförbar i stor skala.

Ny forskning som leds av fysiker från University of Tokyo avslöjar en metod för att mer exakt mäta, förutsäga och modellera en viktig del av processen för att göra kärnavfall mer stabilt. Detta kan leda till förbättrade anläggningar för behandling av kärnavfall och även till nya teorier om hur vissa tyngre grundämnen i universum uppstod.

Själva ordet ”kärnkraft” kan vara lite av en trigger för vissa människor, vilket är förståeligt i Japan, där atombomben och Fukushima-katastrofen är några av de avgörande ögonblicken i landets moderna historia. Men med tanke på den relativa bristen på lämpligt utrymme i Japan för förnybara energiformer som sol och vind, anses kärnkraften vara en viktig del i arbetet med att minska koldioxidutsläppen från energisektorn.

Därför arbetar forskare hårt med att försöka förbättra säkerheten, effektiviteten och andra frågor som rör kärnkraft. Docent Nobuaki Imai från Center for Nuclear Study vid University of Tokyo och hans kollegor tror att de kan bidra till att förbättra en viktig aspekt av kärnkraften, nämligen hanteringen av avfall.

”I stora drag fungerar kärnkraft genom att man kokar vatten med hjälp av självunderhållande sönderfallsreaktioner. Instabila grundämnen bryts ned och sönderfaller, vilket frigör värme som kokar vatten och driver turbiner. Men denna process lämnar så småningom efter sig oanvändbart avfall som fortfarande är radioaktivt”, säger Imai.

”Detta avfall kan förbli radioaktivt i hundratusentals år, så det begravs vanligtvis djupt under jord. Men det finns en växande önskan att utforska ett annat sätt, ett sätt på vilket instabilt radioaktivt avfall kan göras mer stabilt, undvika radioaktivt sönderfall och göra det mycket säkrare att hantera. Det kallas transmutation.”

Transmutation är motsatsen till radioaktivt sönderfall: istället för att ett grundämne bryts sönder och släpper ut strålning kan en neutron läggas till ett instabilt grundämne och förvandla det till en något tyngre version av sig självt. Beroende på det ursprungliga ämnet kan den nya formen vara tillräckligt stabil för att betraktas som säker.

Problemet är att även om denna process har varit allmänt känd under en längre tid har det varit omöjligt att kvantifiera den tillräckligt noggrant för att föra idén vidare till nästa steg och i bästa fall ta fram prototyper för nya generationers anläggningar för avfallshantering.

”Idén kom faktiskt från en överraskande källa: kolliderande stjärnor, närmare bestämt neutronstjärnor”, säger Imai. ”Efter de senaste observationerna av gravitationsvågor från sammanslagningar av neutronstjärnor har forskare bättre kunnat förstå hur neutroner interagerar och deras förmåga att modifiera andra element.”

”Baserat på detta använde vi en rad olika instrument för att begränsa vårt fokus till hur grundämnet selen, en vanlig kärnavfallsprodukt, beter sig när det bombarderas av neutroner. Vår teknik gör det möjligt för oss att förutsäga hur material absorberar neutroner och genomgår transmutation. Denna kunskap kan bidra till utformningen av anläggningar för transmutation av kärnavfall.”

Det är svårt för forskare att göra den här typen av observationer; de kan faktiskt inte direkt observera transmutation. Teamet kan snarare observera hur mycket av ett prov som inte transmuterar, och genom att göra avläsningar för att veta att transmutation faktiskt har ägt rum kan de uppskatta, om än mycket exakt, hur mycket av provet som transmuterade.

”Vi är övertygade om att våra mätningar exakt återspeglar den verkliga transmutationshastigheten för instabilt selen till en mer stabil form”, säger Imai. ”Vi planerar nu att mäta detta för andra kärnavfallsprodukter. Förhoppningsvis kommer denna kunskap att kombineras med andra områden som krävs för att förverkliga anläggningar för behandling av kärnavfall, och vi kanske kan se dessa under de kommande decennierna.”

”Även om vårt mål är att förbättra kärnsäkerheten tycker jag att det är intressant att det finns ett dubbelriktat förhållande mellan denna forskning och astrofysik. Vi inspirerades av kolliderande neutronstjärnor, och vår forskning kan påverka hur astrofysiker letar efter tecken på nukleär syntes, skapandet av element i stjärnor, för att bättre förstå hur element som är tyngre än järn skapades, inklusive de som är nödvändiga för liv.”

Arbetet publiceras i tidskriften Physics Letters B.

Ytterligare information: N. Imai et al, Neutron capture reaction cross-section of 79Se through the 79Se(d,p) reaction in inverse kinematics, Physics Letters B (2024). DOI: 10.1016/j.physletb.2024.138470

Bli först med att kommentera

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte att publiceras.