Institutionen för fysik och astronomi

Mätningar av oberoende fissionsutbyten för nästa generation kärnkraft

Andreas Solders
Andreas Solders. Foto: Camilla Thulin.

Projekttitel: Mätningar av oberoende fissionsutbyten för nästa generation kärnkraft
Huvudsökande: Andreas Solders, avdelningen för tillämpad kärnfysik
Beviljade medel: 3 700 000 för perioden 2017-2020

Projektbeskrivning

Målet med projektet är att mäta fissionsutbyten, det vill säga hur mycket som skapas av olika atomkärnor vid fission, för olika fissionerande kärnor och vid olika neutronenergier. I dagens elektricitetsproducerande kärnkraftverk är det i huvudsak uranisotopen 235U som klyvs och därmed skapar värme. Ett problem med detta är att 235U är en begränsad resurs som med dagens förbrukningstakt enligt uppskattningar bara kommer räcka ungefär 100 år. Även slutförvaret av kärnavfallet, med väldigt långa förvaringstider, brukas anges som ett problem med kärnkraften ur ett hållbarhetsperspektiv.

För att klyva 235U används neutroner med låg rörelseenergi, så kallade långsamma eller modererade neutroner. I nästa generations kärnkraftverk som är under utveckling, Generation IV, kommer en större andel av energin komma från klyvning av andra kärnor, främst olika isotoper av plutonium men även andra transuraner som americium och curium. Dessa kan antingen utvinnas ur avfallet från dagens reaktorer eller från desarmerade kärnvapenstridsspetsar. Ytterligare en möjlighet är att designa reaktorer som tillverkar sitt eget klyvbara material från 238U eller 232Th, vilka båda finns i mycket stora mängder. Genom att återanvända det uttjänta bränslet och använda en mycket större del av det tillgängliga klyvbara materialet kan tillgången på kärnbränsle säkras i tusentals år. Dessutom kommer lagringstiderna och volymen på det som i slutändan ändå måste klassas som avfall att väsentligen minska. För att kunna använda dessa nya typer av bränslen är de flesta Generation IV-reaktorer designade utan moderering så att neutronerna i reaktorn har hög rörelseenergi, så kallade snabba neutroner.

Fissionsutbytet beror i hög grad på vad det är som klyvs och vilken energi neutronen som orsakar klyvningen har. Eftersom klyvning av 235U med långsamma neutroner är det som används idag är det också den reaktion som är mest välstuderad. Hur fissionsutbytet ser ut vid klyvning av andra kärnor och vida andra neutronenergier är inte särskilt väl känt.

De kärnor som bildas vid fission kallas för fissionsprodukter och eftersom de stannar kvar inne i bränslet kommer de påverka reaktorn på olika sätt. Vissa fissionsprodukter sönderfaller med så kallad betafördröjd neutronemission och bidrar på så sätt positivt till det totala antalet neutroner i härden. Förekomsten av dessa kärnor är dessutom särskilt viktig för styrningen av reaktorn. Andra fissionsprodukter är i stället så kallade rektorgifter genom att de med mycket hög sannolikhet absorberar neutroner och därmed bromsar kedjereaktionen. Förekomsten av vissa specifika fissionsprodukter används också för att övervaka hur stor del av bränslet som förbrukats. Avslutningsvis kan konstateras att många av fissionsprodukterna är starkt radioaktiva och ger genom sönderfall det största bidraget till bränslets resteffekt och radiotoxicitet. Det är därför av största vikt att kunna uppskatta kärnavfallets sammansättning för att på ett säkert sätt kunna ta hand om det och upparbeta det till nytt bränsle.

Med detta projekt vill vi bidra till kunskapen om fissionsutbyten, vid klyvning olika kärnor och med neutroner av olika energier, av relevans för Generation IV-reaktorer. Vi planerar att göra detta i samarbete med våra kollegor vid universitetet i Jyväskylä i Finland genom att använda deras anläggningar IGISOL och JYFLTRAP. Vid IGISOL kan strålmål av olika fissionerande material bestrålas med neutroner med olika rörelseenergi. Fissionsprodukterna som bildas samlas upp i en heliumgas och separeras efter masstal. Med hjälp av JYFLTRAP kan sedan ett andra urval göras som är så precist att olika element med samma masstal kan separeras från varandra och registreras i en detektor. Denna metod att mäta fissionsutbyten är världsunik i det att den verkligen ger utbytet för specifika kärnor (både A och Z) utan att det krävs kemisk separation eller kännedom om sönderfallsscheman.