Kärnkraft anses vara ett av sätten att minska beroendet av fossila bränslen, men hur man hanterar kärnavfallsprodukter hör till frågorna kring det. Radioaktiva avfallsprodukter kan omvandlas till mer stabila grundämnen, men denna process är ännu inte genomförbar i skala.
Ny forskning ledd av fysiker från Tokyos universitet avslöjar en metod för att mer exakt mäta, förutsäga och modellera en viktig del av processen för att göra kärnavfallet mer stabilt. Detta kan leda till förbättrade anläggningar för behandling av kärnavfall och även till nya teorier om hur vissa tyngre grundämnen i universum kom till.
Själva ordet "kärnkraft" kan vara lite av en utlösande faktor för vissa människor, förståeligt nog i Japan, där atombomben och Fukushima-katastrofen är några av de avgörande ögonblicken i dess moderna historia. Ändå, med tanke på den relativa bristen på lämpligt utrymme i Japan för förnybara energiformer som sol eller vind, anses kärnkraft vara en kritisk del av ansträngningen att minska koldioxidutsläppen i energisektorn.
På grund av detta arbetar forskare hårt för att förbättra säkerheten, effektiviteten och andra frågor som rör kärnkraft. Docent Nobuaki Imai från Center for Nuclear Study vid Tokyos universitet och hans kollegor tror att de kan bidra till att förbättra en nyckelaspekt av kärnkraft, avfallshanteringen.
"I stora drag fungerar kärnkraft genom att koka vatten med hjälp av självförsörjande kärnsönderfallsreaktioner. Instabila element bryts isär och sönderfaller, frigör värme, som kokar vatten, 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 är vanligtvis begravt djupt under jorden. Men det finns en växande önskan att utforska ett annat sätt, ett sätt på vilket instabilt radioaktivt avfall kan göras mer stabilt, undvika dess radioaktiva sönderfall och vilket gör det mycket säkrare att hantera det kallas transmutation."
Transmutation är som motsatsen till kärnkraftsförfall; istället för att ett element går sönder och släpper ut strålning, kan en neutron läggas till ett instabilt element och ändra det till en lite tyngre version av sig själv. Beroende på den ursprungliga substansen kan denna nya form vara tillräckligt stabil för att anses vara säker.
Problemet är att även om denna process har varit allmänt känd under en tid, har det varit omöjligt att kvantifiera tillräckligt noggrant för att föra idén vidare till nästa steg och helst producera prototyper av den nya generationens avfallshanteringsanläggningar.
"Idén kom faktiskt från en överraskande källa:kolliderande stjärnor, speciellt neutronstjärnor," sa Imai. "Efter de senaste observationerna av gravitationsvågor som härrör från sammanslagningar av neutronstjärnor, har forskare kunnat bättre förstå hur neutroner interagerar och deras förmåga att modifiera andra element."
"Baserat på detta använde vi en rad instrument för att begränsa vårt fokus på hur grundämnet selen, en vanlig kärnavfallsprodukt, beter sig när det bombarderas av neutroner. Vår teknik gör att vi kan förutsäga hur material absorberar neutroner och genomgår transmutation. Denna kunskap kan bidra till konstruktioner för anläggningar för omvandling av kärnavfall."
Det är svårt för forskare att göra den här typen av observationer; i själva verket kan de inte direkt observera transmutationshandlingar. Snarare kan teamet observera hur mycket av ett prov som inte transmuterar, och genom att ta avläsningar för att veta att transmutation faktiskt ägde rum, kan de uppskatta, om än mycket exakt, hur mycket av provet som transmuterades.
"Vi är övertygade om att våra mätningar exakt återspeglar den verkliga transmutationshastigheten av 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 kan se dessa under de kommande decennierna."
"Även om våra mål är att förbättra kärnsäkerheten, tycker jag det är intressant att det finns ett dubbelriktat samband mellan denna forskning och astrofysik. Vi inspirerades av kolliderande neutronstjärnor, och vår forskning kan påverka hur astrofysiker letar efter tecken på kärnsyntes, skapandet av grundämnen i stjärnor, för att bättre förstå hur grundämnen tyngre än järn gjordes, inklusive de som är nödvändiga för livet."
Verket publiceras i tidskriften Physics Letters B .
Mer information: N. Imai et al, Neutroninfångningsreaktionens tvärsnitt av 79Se genom 79Se(d,p)-reaktionen i invers kinematics, Physics Letters B (2024). DOI:10.1016/j.physletb.2024.138470
Tillhandahålls av University of Tokyo
