Ydinjätteet: 1.3 Säteily ja sen haitat

Olen kirjoittamassa yleistajuiseksi tarkoitettuja tekstejä ydinjätteiden loppusijoituspaikan todennäköisistä ja vähemmän todennäköisistä tapahtumista. Jaan osan tekstinpätkistä blogissani, toivoen kommentteja ja kritiikkiä ymmärrettävyydestä. Ja mikä ettei korjaukset myös väärinkäsityksistä, joita sattuu vuosienkin opiskelun ja työn jälkeen.

Yleistä

Säteilyn lajit opittiin tuntemaan 1800- ja 1900-luvun taitteessa. Säteilyä on kahta perustyyppiä: sähkömagneettista ja hiukkassäteilyä. Sähkömagneettista säteilyä on myös valo, mutta eliöille haitallista ovat vain ionisoivat lajit: ultravioletti-, röntgen- ja gammasäteily. Ultravioletille säteilylle altistumme kaikki ulkona aurinkoisena päivänä, mutta ydinjätteiden sähkömagnetismi on röntgen- ja gammasäteilyä.

Hiukkassäteilyn lajit ovat alfa-, beeta- ja neutronisäteily. Alfasäteilyn hiukkanen on heliumatomin (sähköisesti) varattu ydin, beeta koostuu elektroneista tai niiden antihiukkasista positroneista ja neutronisäteily nimensä mukaisesti neutroneista. Hiukkassäteily voi koostua myös muista varatuista tai neutraaleista alkeishiukkasista kuten protoneista, pioneista ja kaoneista (kosminen säteily) tai jopa kokonaisista atomien ytimistä, mutta näitä ei esiinny ydinjätteiden yhteydessä. Pioneissa ja kaoneissa on vain kaksi kvarkkia kolmen sijasta.

Hajoamisessa atomiytimen massa tai varaus tai molemmat muuttuvat. Varauksen muuttuessa vaihtuu myös radionuklidin alkuaine, ja tällä on iso vaikutus radionuklidin käyttäytymiseen. Hajoaminen tapahtuu sillä tavoin satunnaisesti, että tietyn ajan kuluessa aina puolet ytimistä hajoaa. Tätä aikaa kutsutaan puoliintumisajaksi, ja se vaihtelee alle sekunnista aina miljooniin tai miljardeihin vuosiin. Kaikki säteily vaimenee myös nopeasti, kun etäisyys säteilyn lähteeseen kasvaa.

Alfasäteily

Alfasäteily koostuu heliumatomin ytimistä, joten kyseessä on lähes 10 000 kertaa raskaampi hiukkanen kuin elektroni, lisäksi varaus on kaksinkertainen. Täten alfahiukkanen vuorovaikuttaa aineen (elektronien ja ytimien) kanssa varsin tehokkaasti, sillä se osuu voimalla kaikkeen matkalla olevaan. Sen kantama on tästä syystä lyhyt, vain muutama senttimetri ilmassa ja noin 100 mikrometriä ihossa, joten ulkopuolella elimistön haitat ovat vähäiset, mutta vastaavasti alfasäteily elimistön sisällä on tuhoisaa (esimerkiksi radonin tytärytimet keuhkoihin päästyään). Jos säteilylajien vaikutusta vertaa, niin alfasäteilyä voisi ajatella vasaraniskuna: vahinko on suurta, muttei mene kovin syvälle.

Beetasäteily

Beetasäteily koostuu joko elektroneista tai niiden vastahiukkasista positroneista, joten ero röntgen- ja gammasäteilyyn on selvä. Beetasäteily vuorovaikuttaa aineessa olevien elektronien kanssa tehokkaasti, joten säteilyn läpäisy on vähäisempää kuin röntgensäteilyn ja paljon vähäisempää kuin gammasäteilyn. Tämä helpottaa säteilyltä suojautumista, mutta toisaalta säteilevän aineen päästessä eliön sisään lähes kaikki säteilyn energia (ja vahingot soluille) vapautuu riittävän ison eliön sisällä. Jos säteilylajien vaikutusta vertaa, niin beetasäteilyä voisi ajatella puukoniskuna, joka menee syvälle ja aiheuttaa siellä paljon vahinkoa.

Gammasäteily

1800-luvun suurimpia keksintöjä oli yhdistää sähkö ja magnetismi saman teorian alle. Tämän teorian suora seuraus oli ennustaa sähkömagneettinen säteily, joka etenee valonnopeudella – valon ollessa yksi osa-alue tätä säteilylajia. Muut lajit ovat radioaallot, mikroaallot, infrapunasäteily, ultraviolettisäteily, röntgensäteily ja gammasäteily. Nämä säteilylajit erottaa toisistaan aallonpituus (siis myös taajuus ja energia), joka radioaalloilla voi olla kilometrejä, valolla hiukan alle mikrometrin ja gammasäteilyllä vain 1 pm (tai vähemmän, jolloin aallonpituus on noin 10 kertaa ison atomiytimen halkaisija.

1900-luvun alussa sekä kokeellinen tutkimus että kvanttiteoria osoittivat, että sähkömagneettinen säteily esiintyy myös hiukkasina (fotoneina), joiden energia on kvantittunut eli yhden fotonin energia riippuu vain sen aallonpituudesta: mitä lyhyempi aallonpituus sitä suurempi energia. Tätä energiaa on erityisesti lyhyillä aallonpituuksilla kätevää esittää elektronivoltteina. Röntgensäteilyn energia-alue alkaa noin yhdestä kiloelektronivoltista ja kovin ydinreaktioiden aiheuttama gammasäteily on yli yhden megaelektronivoltin.

Röntgensäteily on hyvin kudoksia läpäisevää, kuten me kaikki tiedämme röntgenkuvista. Gammasäteily läpäisee kudoksia ja materiaaleja vielä paljon helpommin – koboltin kova gammasäteily läpäisee jopa 10 cm paksun lyijylevyn. Toisaalta näin läpäisevä säteily ei kudokseen osuessaan aiheuta täysimittaista haittaa, vaan yksinkertaisesti suuri osa säteilystä menee läpi vuorovaikuttamatta kudoksen kanssa. Jos säteilylajien vaikutusta vertaa, niin gammasäteily on kuin kiväärinluoti, joka aiheuttaa paljon vahinkoa, mutta kudoksen läpäistyään sillä on edelleen jopa pääosa energiastaan edelleen tallella.

Neutronisäteily ja ketjureaktiot

Neutronisäteily on täysin omintakeista edellisiin verrattuna, koska neutronit vuorovaikuttavat vain atomiydinten ei elektronien kanssa. Atomiydin voi kaapata neutronin (neutroniaktivointi), jolloin se usein muuttuu epästabiiliksi, ja seurauksena on alfa- tai betasäteilyä, jolloin uusi ydin on kokonaan toisen alkuaineen isotooppi. Erikoistapaus neutroniaktivoinnista on fissio, jossa kohdeydin halkeaa kahteen kutakuinkin yhtä suureen osaan (näitä kutsutaan fissiotuotteiksi). Tässä reaktiossa vapautuu runsaasti alkuperäisen ytimen sidosenergiaa erilaisena säteilynä ja hajoamistuotteiden liike-energiana. Lisäksi yleensä vapautuu myös uusia neutroneita, jolloin voi alkaa ketjureaktio.

Uraanin isotooppi U-235 on luonnossa ylivoimaisesti runsaiten esiintyvä fissiili ydin eli tyypillisesti se hajoaa alfahajoamisella, mutta joskus harvoin spontaanilla fissiolla, joka tuottaa keskimäärin 2,5 uutta neutronia. Jos joku näistä neutroneista reagoi U-235:n kanssa, niin reaktiossa syntyy kolme uutta neutronia. Riittävän iso massa, jossa syntyvät neutronit käytetään uusiin fissioreaktioihin eli neutronit eivät karkaa ulos massasta, synnyttää ketjureaktion. Ydinvoimaloissa ketjureaktio pidetään hallinnassa siten, että riittävän iso osa neutroneista karkaa tai sidotaan. Ydinreaktion hallinta vaatii lisäksi neutronien hidastamista, ja on siten mutkikas hallittava. Fissioydinpommissa pyritään päinvastaiseen eli mahdollisimman iso osa neutroneista pitää saada uuteen fissioreaktioon ennen pommin lopullista hajoamista sen räjähtäessä. Neutronit reagoivat myös U-238:n kanssa, sekä näiden reaktioiden tuottamien aktinidien kanssa, osa näistä on fissiokelpoisia.

Kriittisyys

Myös ydinjätteiden loppusijoituksen eri vaiheissa on huolehdittava siitä, että jäte ei missään tilanteessa muutu kriittiseksi eli ketjureaktiot pääsevät alkuun. Seurauksena olisi runsaasti säteilyä ja sitä myötä lämmöntuottoa, jolloin jätteen ja sen ympäristön olomuoto voi muuttua monimutkaisella tavalla. Radionuklidien vapautuminen pohjaveteen voisi tällöin olla hyvinkin tehokasta. Lisäksi ketjureaktio tuottaisi runsaasti lisää uusia radionuklideita, joista osa olisi joka tapauksessa jätepakkauksen ulkopuolella. Tällainen kriittisyystapahtuma on kuitenkin ydinjätteiden tapauksessa arvioitu erittäin epätodennäköiseksi, mutta tätäkin ilmiötä tutkitaan jatkuvasti lisää. Ydinvoiman tuotannossa ja ydinaseiden kehittämisessä kriittisyysonnettomuuksia on tapahtunut, enkä nyt tarkoita isoja ydinvoimalaonnettomuuksia.