Activity concentrations of radionuclides in energy production from peat, wood chips and straw

Sammanfattning: Popular Abstract in Swedish Joniserande strålning- en introduktion (Ionizing radiation- Introduction in Swedish) 13.1 Storheter och enheter Effekten av strålningen från ett radioaktivt ämne eller röntgenapparat kallas stråldosen, eller egentligen den effektiva dosen , och anges i enheten sievert (Sv). Aktiviteten av ett radioaktivt ämne anges i enheten becquerel (Bq) och anger antal sönderfallande kärnor per sekund eller mängden av det radioaktiva ämnet, som också kan anges i gram eller ppm . Får man det radioaktiva ämnet i sig, vilket anges i ett antal becquerel för detta ämne, genom t.ex. mat- eller luftstrupe, då blir man både internt kontaminerad, på samma sätt som man blir kontaminerad, eller nedsmutsad, av andra ämnen man får i sig och internt bestrålad. Har man en strålkälla utanför kroppen med ett visst becquerelinnehåll blir man normalt inte kontaminerad men däremot bestrålad som från en glödlampa. Detta ger en mer eller mindre stor stråldos. Normalt är aktivitetsmängden av mindre intresse vilket kan visas av följande exempel: Varje år ges, för medicinska undersökningar vid våra sjukhus, mer än 30 000 000 000 000 Bq (30 TBq) till patienter i Sverige . Patientdosen däremot är normalt mindre än 1 mSv per patient och undersökning. Ungefär samma aktivitetsmängd registreras varje år som normalt utsläpp från ett svenskt kärnkraftverk . En hypotetisk stråldos av detta utsläpp skulle bli ca 0,001 mSv. Av naturligt radioaktiva ämnen exklusive bidrag från inandade radon- och radondotterprodukter samt kol-14, har vi mer än 5 000 Bq i vår kropp vilket ger cirka 0,2 mSv per år i medeltal . Ett engångsintag av ca 15 000 Bq cesium 137, från t ex Tjernobyl, ger samma stråldos . Ca 6 Bq m-3 av radon i t.ex. vår bostad (medelvärdet i Sverige är ca 108 Bq m-3), ger också ca 0,2 mSv under ett helt år , liksom en enstaka lungröntgenundersökning kan göra. 13.2 Radiofysik och radioekologi Ett röntgenrör innehåller ej radioaktiva ämnen men avger i princip samma typ av strålning som sådana. En väsentlig skillnad är att man kan stänga av ett röntgenrör så att det inte strålar längre, på samma sätt som en släckt glödlampa ej strålar. Däremot kan man inte stänga av ett radioaktivt ämne. Det radioaktiva ämnet har däremot en väl bestämd livslängd . Dessutom kan man skärma strålkällan så att strålningsenergin, och därmed stråldosen, hamnar i skärmmaterialet istället, t ex i en behållare. Ur bl.a. strålningssynpunkt är detta viktigt att känna till, eftersom kortlivade ämnen snabbt upphör att vara radioaktiva och väldigt långlivade ämnen nästan kan betraktas som stabila och inte är särskilt strålande, t.ex. färskt uran till våra kärnkraftverk. Ur strålsäkerhetssynpunkt är då nuklider med några års halveringstid som t.ex. strontium och cesium besvärligare och stora aktivitetsmängder måste hanteras på ett speciellt reglerat sätt under lång tid och först efter kanske 400 år kan man jämställa dessa nuklider med föroreningsgraden hos t.ex. stabilt kvicksilver . Utbildning i radiofysik ger kunskaper om ovanstående ämnen. Det kan finnas andra effekter än "livslängden" hos ämnet som påverkar den slutliga stråldosen. Kemisk form, energi, typ av strålning, upptag, utsöndring m.m. är också betydelsefulla. Kalium 40 som finns naturligt runt omkring oss och i vår kropp , finns i förhållandevis stora mängder i t.ex. olika askprodukter och kan därför påvisas i luften efter utsläpp från t.ex. ett fjärrvärmeverk som eldas med biobränslen. Radioekologi eller omgivningsradiologi beskriver dessa förhållanden i naturen. Kalium 40 är annars ett mindre problem ur strålningssynpunkt eftersom kroppen eftersträvar en jämvikt av kalium 40 och därför ej kan ta upp mer utan utsöndrar överskottet. Stråldosen från kalium 40 i kroppen är därför relativt konstant och ger ca 0,2 mSv per år. Bly 210 och polonium 210 är andra ämnen som också finns i bl.a. askan från t.ex. biobränslen men som kan ge en förhållandevis hög stråldos till oss vid inandning eller när vi äter födoämnen som utsläppsprodukterna ramlat ner på eller tagits upp av. Men stråldosen är i dessa fall trots det försumbar jämfört med luftens och markens normala innehåll av dessa ämnen. Totalt får världsmedborgaren en stråldos på i medeltal 2,4 mSv per år pga naturliga strålkällor . I Sverige är medelstråldosen, inklusive bidrag från röntgenundersökningar, ca 4 mSv per år p.g.a. att vi har mer radon i våra bostäder här än vad man har i länder med mer ventilerade hus. Dessutom har vi ett större bidrag från berggrunden. 13.3 Radioaktiva ämnen 13.3.1 Förekomst Allt runt omkring oss och därför också i vår kropp är uppbyggt av drygt hundra olika grundämnen. Av dessa grundämnen finns det många varianter eller isotoper (totalt ca 2600 ). 90% av dessa är naturligt radioaktiva, medan 10% ej är radioaktiva. De bränslen och energikällor vi använder för energiframställning, olja, kol, uran, flis, torv, halm, gas, ja, t.o.m. vatten och luft, innehåller därför både radioaktiva (Tabell 12) och ej radioaktiva ämnen. Av de olika bränslenas avfallsprodukter är det utbränt kärnbränsle som är mest radioaktivt men även avfallshanteringen i ett biobränsleeldat fjärrvärmeverk kan behöva regleras i föreskrifter. Som ett resultat av vår hantering sprids dessa ämnen i luft och mark och kan därför påverka människor, djur och växter. Till skillnad från stabila nuklider eller ämnen som kanske "bara" är kemiskt farliga, avger radioaktiva ämnen, på samma sätt som röntgenapparater, också strålningsenergi. Dessa former av elektromagnetisk strålning kallas joniserande strålning . Eftersom det alltid funnits radioaktiva ämnen i vår omgivning har människan alltid varit bestrålad. Den första koncentrationen och spridningen i naturen av radioaktiva ämnen skedde när den första energikällan började användas för många 100 000 år sedan: eldstaden. Långt tidigare än så, för 2000 miljoner år sedan, hade naturen själv åstadkommit "kärnreaktorer" med betydligt större spridning och koncentration som följd. Erfarenheter från dessa kärnreaktorer ger oss nyttiga kunskaper om t.ex. förvaringen av vårt svenska kärnavfall och långlivade strålkällor från sjukvården. 13.3.2 Nytta eller skada Radioaktiva ämnen kan även framställas på konstgjord väg. Inom t.ex. sjukvården används de för sterilisering av medicinska produkter samt för behandling och undersökning av patienter. Användningsområden finns också inom industri, jordbruk och andra fredliga aktiviteter. Radioaktiva ämnen bildas även som biprodukter i t.ex. ett kärnkraftverk. Som mycket annat avfall hamnar en del av sjukvårdens och industrins avfall till slut i naturen under kontrollerade former t.ex. via reningsanläggningar, från isotopundersökningar, eller som slutförvar av medicinska och industriella strålkällor och avfall samt av kärnämne och kärnavfall. Man finner utsläppta ämnen både i mark, t.ex. i askdeponier och via nedfall, i luft, via ventilation av olika lokaler och system och i vatten, t.ex. från kylvattenutsläpp eller avfallshantering. Dessa ämnen kan då tas upp av växter, djur och människor. Naturen själv bidrar till spridningen t.ex. genom uran, som redan finns naturligt i berggrunden, som kan lakas ut ur omgivande mark och ge höga koncentrationer i t.ex. torvmossar eller via radon ge höga luftkoncentrationer i våra bostäder. Det finns föreskrifter för t.ex. sjukhusens användning av röntgenapparater och andra strålkällor och för den kärntekniska verksamheten vid t.ex. ett kärnkraftverk eller bränsletillverkning. Ibland vill man med avsikt ge höga stråldoser som verkligen ger en positiv eller negativ effekt, t.ex. vid behandling av tumörer eller vid ett kärnvapenkrig. I båda fallen ger strålningsenergin en skada, men i det första fallet ska patienten botas genom att tumören skadas. Risken för skada utanför tumören vägs mot chansen att bli frisk medan i det sista fallet så stor skada som möjligt ska åstadkommas. Cesium och andra luftföroreningar, från t.ex. tidigare kärnvapenprov eller kemikalieutsläpp, kan också ha hamnat i en torvmosse, lav eller över en skog. Den vidare transporten från lavar är intressant. Lavar är renens huvudnäring på vintern. T. ex. kan cesium i laven upplagras i renens muskelvävnad, som sedan människan kan förtära. Människor som åt renkött efter dessa utsläpp kunde, och kan fortfarande, därför få mätbara mängder cesium i sig. Liknande kedjor i andra ekosystem finns också, ibland med höga slutkoncentrationer som följd. Även naturligt radioaktiva ämnen och stabila ämnen kan ge ej önskvärda effekter. Först vid mycket höga stråldoser mellan 500-1000 mSv kan akuta skador uppträda. Kroppen har själv möjlighet att till viss del reparera skador som strålningsenergin skapar. Detta utnyttjas t.ex. vid strålbehandling av tumörer. Strålningen från naturligt radioaktiva ämnen i naturen, samt från av människan producerade strålkällor som t.ex. brandvarnare och röntgenapparater ger dock inga akuta skador när hanteringen är reglerad och föreskrifter följs. 13.4 Även hantering med små strålkällor regleras Trots att man inte direkt kan se några negativa effekter på människa, djur eller växter vid små stråldoser ska man ändå förhindra onödiga dosbidrag. Det gör vi t.ex. genom att åtgärda koncentrationer av radon i våra bostäder. Röntgen- och isotopundersökningar ska vara berättigade och nyttan med undersökningen ska överväga risken. Vidare ska verksamhet med radioaktiva ämnen och utrustningar ge en nettonytta annars ska andra metoder användas. Det finns alltså bestämmelser som reglerar användandet av olika strålkällor. Det gäller allt från radioaktiva brand och rökvarnare, industriella nivåvakter och densitetsmätare, vid forskning, vid behandling och undersökning av patienter med radioaktiva ämnen och röntgenapparater till produktion av energi i ett kärnkraftverk. Alla dessa användningsområden skapar också olika typer av avfall, vars hantering regleras i lagar och förordningar. Det finns dock ännu ingen föreskrift som reglerar i detalj mängden radioaktiva ämnen i avfallet från biobränsleeldade anläggningar. Däremot, till skillnad från tidigare strålskyddslag (från 1958), kräver 1988 års strålskyddslag att inte bara människor utan även "djur och miljö ska skyddas mot skadlig verkan av strålning". Men det är endast vid mycket stora mängder, större än efter t.ex. Tjernobylolyckan, av radioaktiva ämnen i biobränslen som direkta åtgärder måste vidtas. Detta kan ske efter stora utsläpp på en torvmosse, utsläpp över en skog eller fält med säd, t ex från ett havererat kärnkraftverk eller störtat flygplan med kärnvapen. Men också höga naturliga koncentrationer av speciellt radium eller uran i en torvmosse kan ge strålskyddsproblem. 13.5 Alla energikällor innehåller radioaktiva ämnen I alla upphettnings- och förbränningsprocesser frigörs både radioaktiva och ej radioaktiva ämnen. Det kan gälla allt från cigarettrökning till förbränning i ett fjärrvärmeverk. Normalt är utsläppen av radioaktiva ämnen små och stråldoserna försumbara jämfört med den naturliga strålningen runt omkring oss och som vi inte kan påverka. Vid förbränning av t.ex. torv, halm och trädbränslen, fördelas och koncentreras ingående ämnen olika i botten och flygaska beroende på bl.a. förbränningstemperatur. Det mesta av askan samlas upp i containrar och deponeras sedan i en kommunal avfallsanläggning. Små mängder aska frigörs också via skorstenen (från mindre än 1 kg per timme upp till 1 000-tals kg per timme ). Typ av filter, temperatur och effekt i t.ex. ett fjärrvärmeverk är faktorer som också bestämmer hur mycket restprodukter som produceras och släpps ut utanför verket. Rökpartiklarna från skorstenen ramlar så småningom ner på marken men kan innan dess också inandas (inhalation). Detta radioaktiva damm som ger en kontamination, eller nedfall (fallout), blandas med andra utsläppsprodukter och sprids i naturen. Växter och djur som vi äter kan också överföra dessa olika ämnen till människan. Hur mycket av olika utsläpp som till slut når människan beror på en mängd faktorer såsom t.ex. hur ekosystemet fungerar. Med bra avskiljningsteknik och med de normalt låga koncentrationer av radioaktiva ämnen som finns i askan så borde inga påvisbara skador från reglerade utsläpp av radioaktiva ämnen kunna ske vid energiframställning. Olika ämnen är alltså mer eller mindre riskfyllda ur strålningssynpunkt och ur kemisk toxicitet. Att energiproduktion inte är ofarlig vet vi alla. Det är inte bara naturen som får synbara skador av människans energiutbyggnad. Omkring 15 000 personer dog t.ex. i Indien 1979 vid en dammolycka. Kanadensiska forskares hypotes är att t o m vattenreservoirer skulle kunna bidra till hög produktion av växthusgaserna koldioxid, CO2 och metan, CH4, vilket är anmärkningsvärt eftersom vattenkraft tillsammans med kärnkraft och vindkraft brukar anses som koldioxidfri. 1986 dog 29 personer och många hundra barn skadades efter ett kärnkraftshaveri i Sovjet. Olje , kol- och gas utvinning har hittills krävt 1000 tals civila liv och stora synliga skador på naturen sker dagligen. 13.5.1 Bioenergi Torv och flis, som bränsle i fjärrvärmeanläggningar, började användas i Sverige i större skala först efter 1980. I början av 1900-talet användes dock mycket torv i Sverige som strö i stallar. På 1910-talet nämns både bränntorv, vind- och hydroelektricitet för att ersätta den dyra mänskliga arbetskraften och slippa den dyra importen på över 100 miljoner kronor för stenkol, fotogen, bensin och sprit . Rekordåret 1915 skördades lika mycket torv som idag. Men redan för 2000 år sedan nämnde historikern Gajus Plinius torv som bränsle på Irland och ved har använts sedan människan lärde sig göra upp eld. Andra biobränslen används i mindre utsträckning i Sverige. För närvarande ger tillförseln av biobränslen och torv ca 70 TWh (14%) om året i Sverige enligt utredningen "Biobränslen för framtiden" och "Energy in Sweden" . En stor del, eller 60%, av detta används inom industrin medan fjärrvärmeverken och småhus använder ca 20% vardera. Figur 2. Olika typer av bioenergibränslen. Standardiseringskommissionen definierar biobränsle som bränsle bestående av biomassa, d.v.s. material med biologiskt ursprung som inte eller endast i ringa grad har omvandlats kemiskt, vilket då utesluter torv. Torv ligger alltså mellan biobränslen och fossila bränslen. Ett vidare begrepp än biobränslen är bioenergi, dit t.ex. torv hör20. Förbränning av biobränslen ger inget nettotillskott av koldioxid om emission och upptag är i jämvikt. I torv anser man att koldioxiden ackumuleras långsammare jämfört med trädbränslen. Biomassan bildas av solenergi genom växternas fotosyntes. 13.5.1.1 Torv Torv är en organisk jordart som bildas genom att växter på grund av syrebrist inte förmultnar helt. Av torv framställs frästorv och stycketorv som kan förädlas till briketter, pelletar eller pulver. Torv har ungefär samma miljöpåverkan som kol. Förbränningsutrustning och reningsteknik bestämmer till stor del restprodukternas utseende. Det finns olika typer av förbränningsanläggningar: rosteldning, pulvereldning och fluidiserad bädd. Torvflygaskor är normalt finkorniga restprodukter med oregelbunden kornstruktur. Rostflygaskor består till stor del av porösa ofta sfäriska partiklar medan fluidförbränning ger flygaskor med mer kompakta korn. Askornas kemiska sammansättning domineras av oxider av kisel, aluminium, kalcium och järn . Skillnader mellan olika askor beror bl.a. på olika förbränningstemperaturer. Torvaskor kan innehålla höga halter av järnoxid medan biomasseaskor har låga halter men däremot högre halter av kalciumoxid. Biomasseaskor har genomgående högre alkalinitet än torvaskor . Bildat stoft kan avskiljas i elektrostatiska eller textila spärrfilter, samt cykloner. Alla dessa faktorer påverkar koncentrationen av radioaktiva ämnen i askan och därför också i utsläppen. 13.5.1.2 Trädbränslen Trädbränsle räknas till biobränsle och kan indelas i skogsbränsle, energiskogsbränsle och återvunnet trädbränsle . Flis får fjärrvärmeverken från t.ex. skogsavfall, industriavfall, energiskog, bark och massaindustrins avlutar. Energiskog består av snabbväxande arter av pil, sälg och vide som odlas på vanlig åkermark. Främst används olika kloner av korgpil (Salix viminalis) och vattenpil (Salix dasyclados). Även poppelhybrider, hybridasp och al kan användas. Den skördas och flisas på vinterhalvåret efter 3-5 år. Livslängden på en odling är mellan 20 och 30 år. 13.5.1.3 Halm och energigräs Halm är en restprodukt vid spannmålsodling av t.ex. vete (Triticum) och korn (Hordeum). Energigräs kallas olika grässlag, t.ex. rörflen (Phalaris arundinacea), foderlosta (Bromus inérmis) och timotej (Pleum pratense). 13.5.2 Miljöeffekter Hänsyn till natur och människor regleras av framförallt miljöskyddslag och miljöskyddsförordning. Enligt miljöskyddsförordningen är anläggning för förbränning med en totalt installerad, tillförd effekt av mer än 0,5 MW, miljöfarlig verksamhet. Ur utsläppssynpunkt är normala utsläpp av radioaktiva ämnen av mindre betydelse än t.ex. tungmetaller. Förslag på föreskrifter för begränsning av radioaktiva ämnen vid torvförbränning finns dock och preliminära gränser för cesium-137 i utsläpp och aska har nyligen getts för fliseldning . Regler för deponering av avfall från kol och torveldning finns väl beskrivna men gäller framför allt icke-radioaktiva ämnen. För en kärnteknisk anläggning är gränsen för avfall till kommunalt avfallsupplag 5000 Bq per kg eller i vissa fall 500 Bq per kg, samt maximalt 1 GBq per år. För fri användning är gränsen 500 Bq per kg eller i vissa fall 100 Bq per kg. I en rapport från Statens energiverk , har arbetsskadebelastningen vid användningen av olika energislag jämförts med varandra. Naturgas och olja ligger då gynnsammast till med ca 1 arbetsskada per TWh, torv och skogsbränsle ger ca 10 arbetsskador och kol 35 arbetsskador per TWh. Betydelsen av urlakning och spridning av tungmetaller med lakvatten från avfallsupplag betonas men även risker med radonavgång beaktas. Miljöeffekter, karaktär och egenskaper hos olika restprodukter finns beskrivna i flera rapporter . Biobränslekommissionen har bedömt att miljöpåverkan från användningen av biobränslen är små medan en så självklar och positiv verksamhet som t.ex. småskalig vedeldning uppskattas ge 250 500 cancerfall i Sverige varje år . I en annan rapport uppskattas antalet dödsfall i Sverige vid förbränning av biobränslen till ca 200 per år i jämförelse med 6 dödsfall per år för kärnkraft. 13.6 Varför dessa undersökningar på torv, flis och halm? Vad tjänar då våra undersökningar till? Jo vi vill bl.a. veta mer om fördelning och koncentration av de radioaktiva ämnena, dvs hur de omlagras och transporteras i naturen, för att få mer kunskap om den strålmiljö vi lever i och var eventuella strålsäkerhetsproblem kan uppträda. Många små strålkällor kan totalt ge ett stort och oacceptabelt stråldosbidrag, vilket vi vill förhindra. Effekten av stora radioaktiva utsläpp efter en kärnkraftsolycka känner vi väl till, däremot är de normala utsläppen av radioaktiva ämnen från andra energianläggningar mindre kända. I Statens strålskyddsinstituts budgetunderlag till regeringen för 1998 påtalas behovet av radioekologisk forskning i samband med ökad användning av biobränslen för energiproduktion . Denna undersökning visar att utsläppen av radioaktiva ämnen från torv-, flis- och halmförbränning och därmed också stråldoserna vid normaldrift, är mycket små och jämförbara med luftutsläppen från kärntekniska anläggningar. En litteraturundersökning har gjorts för att visa på de radiologiska konsekvenser som även andra, här ej undersökta, energi och industrikällor ger. Hotet från alla dessa källor diskuteras tyvärr ej med samma intresse. Antalet dödade och skadade från t.ex. havererade dammar eller efter olje och gasutvinning, eller miljöskador orsakade av förbränningsanläggningar och transportolyckor ger inte samma tidningsrubriker eller påverkar politikers och allmänhetens intresse som händelser och risker vid kärntekniska anläggningar. Normalutsläppen av radioaktiva ämnen är dock jämförbara mellan olika energianläggningar.