Hur farligt är utbränt kärnbränsle?

En fråga som är högaktuell just nu är slutförvar av utbränt kärnbränsle. Alla är överens om att det är farligt, men hur farligt är det? Om vi tar en praktisk fråga som alla förstår, så lyder den så här: Vi ställer 1 kg vid vägkanten och låter en som promenerar, en kör moped och någon i bil passera, vad händer då? Dör dom direkt, eller blir sjuka av strålningsskador eller inte blir drabbade alls?

Frågan ställdes 2021-12-12 av Magnus, 54 år.

Det går att räkna ut källtermen, dvs. hur mycket strålning som kommer ur bränslet, med hjälp av olika simuleringskoder. Men det kommer också bero på flera parametrar som kan variera lite, hur länge var det i reaktorn, hur hög värmeeffekt togs ur, hur länge har det stått och klingat av? Och är därför lite olika beroende på vad vi antar. Men vi kan göra en del förenklande antaganden som gör att det går att räkna ut en ungefärlig källterm utan avancerade koder.

Kärnbränsle har olika utbränning när man är färdig med det i reaktorn. Men ett typiskt och ungefärligt värde för moderna reaktorer är att man tagit ut ca 50 MegaWatt-dagar värmeenergi från varje kg bränsle. Det är rätt mycket energi, och motsvarar förbränning av ca 100 ton diesel.

Denna utbränning motsvarar ganska nära att 5 % av det ursprungliga uranet har klyvts, så 95 % är kvar. Det finns ursprungligen ca 2,2·10²⁴ uranatomer i ett kg urandioxid-bränsle, så 5 % av det som har klyvts är ca 1,1·10²³ atomer. En mängd olika klyvningsprodukter har ersatt dessa uranatomer. Somliga av dem radioaktiva, och utav dem är somliga kortlivade och somliga långlivade. Så källtermen beror på när vi undersöker det.

Det kärnbränsle som ska slutförvaras kommer inte direkt från härden. Först kyls det en tid på kraftverket, sedan står det i mellanförvaret i CLAB i Oskarshamn, och till sist ska det ner i slutförvaret som planeras i Forsmark. Inget är ännu där, men vi har redan använt kärnbränsle i många decennier. Därför kan vi anta att det bränsle som kommer att föras till slutförvaret är flera decennier gammalt. Låt oss anta att det är 30 år gammalt, det kommer visa sig praktiskt.

Efter 30 år domineras gamma-strålningen från kärnbränsle starkt av en nuklid, vilken är Cesium-137. Vi antar för enkelhets skull att vi bara behöver ta hänsyn till den. Cesium-137 bildas i ungefär 6 % av fissionsreaktionerna. Om 6 % av de klyvna uranatomerna blev cesium-137, så fick vi ca 6,8·10²¹ cesium-atomer. Cesium råkar ha rätt nära 30 års halveringstid, så vi antar att hälften av dem är kvar vid tillfället: 3,4·10²¹ atomer.

För att beräkna aktiviteten, dvs. antalet sönderfall per sekund (Bq), så behöver vi multiplicera med söderfallskonstanten (logaritmen av 2 delat med halveringstiden). Vi får då en aktivitet av Cesium-137 på ca 5 Tera-Bq (5·10¹² sönderfall per sekund). Sönderfallets gamma-energi är medelhög, 662 keV, vilket gör det till rätt så penetrerande och skadlig strålning.

Är det farligt? Det beror på dosen man får, och därför i sin tur på skärmning och avstånd. Men jag antar nu att det inte finns någon skärmning alls. Det finns iofs alltid lite skärming från åtminstone bränslet självt, eftersom en klump på ett kg uran skulle absorbera mycket av sin egna strålning, men vi försummar det för stunden. Gamma-strålningen från cesium-137 skickas iväg endast i 85 % av sönderfallen. Det får man också ta hänsyn till. Hur nära är vi? Jag antar 2 meter från källan i ditt exempel.

I själva verket skulle en simulering med sofistikerade verktyg kunna användas igen här, för gamma-transporten från källa till person. Alla gamma-fotoner som träffar personen kommer inte att interagera, för en del går rakt igenom. Andra sprider mot elektroner i kroppen och lämnar den igen. Dessutom kan strålning träffa saker i omgivningen och spridas därifrån in i kroppen. Men vi vet inte hur miljön ser ut i ditt antagande. För enkelhets skull kan vi anta att vi träffas av alla strålar som emitteras mot vår kropp, och att kroppen absorberar hela den energin, medan vi antar att inget sprids in i våran kropp från omgivningen. Antar vidare att kroppen på personen har en massa på 80 kg och en tvärsnittsarea på 0,4 kvadratmeter som vetter mot källan.

Med hänsyn taget till allt ovanstående, kommer personens kropp att motta ungefär 160 milliJoule energi från gammastrålningen per timme. Denna enhet ger vi oftast ett annat namn, milliSievert per timme, men den återspeglar inte i sig faran. Vi behöver också ta hänsyn till hur länge hen befinner sig i denna dosrat.

Man kan ändå säga som jämförelse, att naturlig bakgrunds-dosrat är ca 1000 ggr lägre, så man får en kraftigt höjd dos-rat, och jag skulle säga rent kvalitativt att situationen i hypotesen är farlig.

Om man åker förbi på moped, och är på det effektiva avståndet i låt säga en sekund, så är det ganska liten dos, ca 45 microSievert. Det är vad man får naturligt på några dagar, beroende på var man är. Så den personen kommer klara sig bra. Men skulle man ha källan med sig så skulle man snart ha fått dödlig dos, inom några dagar. Man ska verkligen inte hantera utbränt bränsle på detta sätt.

Det finns dock betydande osäkerheter i beräkningen. Huvudsakligen att det finns en stor variabilitet som är möjlig i vilka antaganden vi gör för bränslet i fråga. Det kan skilja storleksordningar i ”farlighet” på grund av detta. Som exempel kan du se länkade filmen på youtube, där en av fysikerna i Manhattanprojektet fick lite använt bräsnle från en tidig kärnreaktor som souvenir. Detta bränsle var så låg-utbränt och hade så lång kyltid, att det var uppenbarligen inte alls så farligt längre som bränslet i min beräkning. https://www.youtube.com/watch?v=1Es4_tz7_7E&t=46s

Å andra sidan så skulle bränslet vara betydligt farligare om man fick access till det direkt efter bestrålnignen i reaktorn, på grund av andra mer kortlviade nuklider.

Jag vill också lämna en reserveration för eventuella räknefel i mitt svar.

Frågan besvarades av Peter Andersson, forskare vid avdelningen tillämpad kärnfysik vid institutionen för fysik och astronomi.