Kan forkorte levealderen på radioaktivt materiale

Resultater fra eksperimenter på syklotronen kan både bidra til å løse supernovagåten og finne den optimale måten for hvordan levetiden til radioaktivt materiale kan reduseres.

*KNUSER RADIOAKTIVITET: Eksperimentene med atomkollisjoner i Syklotronen ved Fysisk institutt har vakt internasjonal oppsikt. På bildet: Forskerne Sunniva Siem og Cecilie Sunde (bakerst). Foto: Yngve Vogt.

Forskningsresultatene, som nå er publisert i Physical Review Letter , var så uventete at forskerne på Fysisk institutt ved Universitetet i Oslo holdt dem ”hemmelige” i to år for å sjekke om de kanskje hadde gjort en målefeil. Først da resultatene var kontrollsjekket med eksperimenter i et helt annet laboratorium, med en annen detektor og med en helt annen metode, kunne de slå fast at den måten atomkjerner avgir energi på etter en kollisjon, er svært forskjellig fra teoretiske antakelser.

I syklotronen ved Fysisk institutt målte forskerne energien til en rekke atomkjerner ved å beskyte dem med heliumatomer i voldsom fart. Forskerne undersøkte da atomkjernene, som ble varmet opp av kollisjonen, og så på hvordan den tilførte energien ble avgitt i løpet av noen nanosekunder.

Hvert grunnstoff har sin helt spesielle måte å avgi energi på. Atomkjerner kan bare avgi energi i bolker. Det blir det samme som om man bare kunne redusere hastigheten til en bil til 40, 30 eller 20 kilometer i timen. Intet imellom. For å komme ned i rett fartsnivå kunne man kanskje tenke seg å bremse ned bilen med en rakett.

Atomkjernene bruker gammastråler for å bremse ned til et lavere energinivå. Forskerne har kartlagt både disse energinivåene og sannsynligheten for å havne i de enkelte energinivåene.

Supernovagåten

Forskningsresultatene på Fysisk institutt ved Universitetet i Oslo har vakt internasjonal oppsikt.

– Det viser seg at sannsynligheten for å havne i de mest energirike nivåene er ti til hundre ganger større enn antatt, forklarer Sunniva Siem , som er postdoc i kjernefysikk.

Dette kan bli en viktig brikke for å forstå hva som skjer i en gigantisk stjerneeksplosjon, også kalt supernova. For det er bare i supernovaer at tyngre grunnstoffer kan dannes. Den dagen forskerne forstår hvordan dette skjer, kan de samtidig forklare fordelingen av grunnstoffene på Jorda. Det har vært en gåte i lang tid.

Reduserer radioaktivitet

Magne Guttormsen , professor i kjernefysikk, sier at den nye kunnskapen også kan brukes til å finne den optimale metoden for å minimere levealderen på radioaktive materialer. Som eksempel nevner han det radioaktive avfallstoffet Technetium-99. Det farlige stoffet med en levealder på 200 000 år slippes i dag ut fra det skotske atomgjenvinningsanlegget Sellafield i Skottland og føres med havstrømmene til norskekysten.

– Ved å forstå hvordan partiklene oppfører seg, har man nå bedre muligheter til å forutsi hvordan man beskyter radioaktivt kjerneavfall for å redusere levetiden. Ved å bestråle Technetium-99 med nøytroner, vil stoffet kunne omdannes til den stabile Ruthenium-100-kjernen i løpet av 15,8 sekunder, påpeker Magne Guttormsen.

Levealderen på det radioaktive avfallsstoffet kan dermed reduseres 400 milliarder ganger. Forutsetningen er at man først har skilt ut det radioaktive stoffet i ren form.

Atomkollisjoner

Ingen atomkollisjoner er like. Fysikerne måtte derfor gjøre omfattende eksperimenter med billioner av atomkollisjoner for å finne en systematisk forklaring.

Forskerne har foreløpig beregnet nivåtettheten til om lag 30 grunnstoffer. Hvert forsøk tar to uker i syklotronen. Syklotronen er en partikkelakselerator som ved hjelp av elektriske felt får opp hastigheten, slik at partiklene blir slynget ut i en hastighet på 30 000 kilometer i sekundet, en tidel av lysets hastighet.

I eksperimentet med nivåtettheten slynges ett og ett heliumatom ut og treffer en 0,004 millimeter tynn folie som er laget av et nesten hundre prosent rent materiale av det grunnstoffet man vil undersøke.

Det er ikke mulig å forstå kollisjonen med klassiske, fysiske lover. Fysikerne må tenke kvantefysikk, for her dreier det seg om sannsynlighetsfordelinger og ikke deterministiske modeller.

Årsaken er at ingen atomkollisjoner er like. Hva som skjer ved hver kollisjon er tilfeldig. Oppvarmingen av atomkjernen blir derfor forskjellig fra gang til gang. Fysikerne må derfor gjennomføre flere billioner kollisjoner for å finne en systematisk forklaring.

Atomkjernen vil hurtigst mulig kvitte seg med den tilførte energien i nivåtrinn. Selv om måten det skjer på kan være forskjellig fra gang til gang, viser forsøkene at atomkjernene i snitt reduserer energien i seks nivåtrinn før atomkjernen er tilbake til normaltilstanden. For hvert trinn sendes det ut ett enkelt gammakvant. Mange gammakvanter blir til en gammastråle. Det er nettopp disse gammastrålene som forteller fysikerne hvor mye energi som er igjen i atomkjernen.

Når alle energinivåene er kartlagt får man det fysikerne kaller nivåtettheten. Nivåtettheten er en fundamental egenskap i atomkjernen.

Fysikerne har også funnet sannsynlighetene for å havne i de enkelte energinivåene. Fysikerne kaller denne sannsynlighetsfordelingen for styrkefunksjonen.

Når nivåtettheten og styrkefunksjonen er kjent, vet fysikerne hvordan energitilførselen påvirker temperaturen i atomkjernen.

Sjekket med fasiten

Fysikerne har analysert både tunge og sjeldne grunnstoffer. De har også studert silisium, som er det nest vanligste grunnstoffet på Jorda.

  • Silisium var allerede kartlagt og det eneste grunnstoffet vi hadde fasiten på. Det morsomme var at alle resultatene våre stemte, forteller postdoc Sunniva Siem ved Fysisk institutt.
Emneord: Matematikk og naturvitenskap, Fysikk, Astrofysikk, romfysikk, astronomi, Teknologi, Miljøteknologi, Kjerne- og elementærpartikkelfysikk Av Yngve Vogt
Publisert 1. feb. 2012 12:00
Legg til kommentar

Logg inn for å kommentere

Ikke UiO- eller Feide-bruker?
Opprett en WebID-bruker for å kommentere