Den goda atomkärnan

För 60 år sedan bildades FN:s internationella atomenergiorgan, IAEA. Syftet var att begränsa utvecklingen av kärnvapen men också att främja en fredlig användning av atomkärnans inneboende krafter. Nu har många av den tidens visioner blivit verklighet, utan att vi kanske egentligen tänker på det.

– Kärntekniken har så många tillämpningsområden som man lätt glömmer bort, säger kärnfysikern Imre Pázsit, professor vid Chalmers tekniska högskola.

Makarna Marie och Pierre Curie bidrog tidigt till studier av strålterapi mot cancer. Det grundämne som de lyckades isolera år 1898, radium, utstrålade ett mystiskt sken som tydde på att atomkärnan innehöll en energikälla – som kanske kunde tämjas bli till nytta. Upptäckten skapade även en mer allmänt spridd förtjusning för olika former av strålning. Företagsamma personer tog till sig nymodigheten och började sälja radioaktiva varor: ansiktskräm, choklad, cigaretter, potensmedel och mycket annat. En del av de här produkterna innehöll ingen påtaglig mängd radioaktiva ämnen, men andra var direkt skadliga. Imre Pázsit berättar om ett tidningsklipp från början av 1900-talet som finns uppsatt på hans institution, med en annons för ”Europas starkaste radioaktiva bords- och hälsovatten”.

Redan tidigt hade forskare som sysslade med joniserande strålning förstått att den kunde ha farliga effekter, men det tog tid innan det blev allmänt känt. Under 1920-talet rullades en industriskandal upp i USA: unga kvinnor som målade urtavlor med självlysande radiumfärg blev svårt sjuka och dog. För att göra penseln tillräckligt spetsig hade de format penselhåren med munnen – samtidigt som ledningen på fabriken var noga med att skydda sig mot radiumfärgen.

Förmågan att klyva atomkärnor kastade nytt ljus över både förhoppningar och farhågor. Atombomberna över Hiroshima och Nagasaki 1945 spred en världsomspännande skräck för de krafter som finns inuti atomkärnan. Samtidigt stod det klart att dessa enorma krafter nu stod till mänsklighetens förfogande. Mitten av 1900-talet kallas ibland för atomåldern, och ”atomen” förknippades med framsteg och vetenskap – trots hotet från bomben. Ambivalensen visade sig i kulturen. Inom populärkulturen skapades superhjältar som fick sina krafter genom radioaktiv strålning, till exempel Spindelmannen. Men det dök också upp monster. Det japanska filmvidundret Godzilla kan ses som en metafor för kärnvapenhotet.

År 1953 höll den amerikanske presidenten Dwight D. Eisenhower ett tal inför FN:s generalförsamling som fick titeln Atoms for peace (atomer för fred). Där uppmanade han världens länder att verka för en fredlig användning av kärntekniken, samtidigt som kärnvapnen skulle begränsas. I den andan bildades fyra år senare det internationella atomenergiorganet IAEA.

I början av 1957 sändes också det Disneyproducerade tv-programmet Vår vän atomen. Där utmålades atomkärnan som en kraftfull ande, som skulle kunna uppfylla mänsklighetens önskemål om bland annat elkraft, hälsa och bättre jordbruk.

Allt har inte blivit precis som i dessa visioner. Imre Pázsit berättar att han bor i ett hus som byggdes under en tid då många förväntade sig att elektriciteten skulle bli nästan gratis tack vare kärnkraften. Därför installerades värmeslingor under trädäcket ute på gården, för att smälta bort snön om vintern. Så billig blev dock aldrig elen. Men av de andra idéerna om atomkärnans möjligheter har de flesta slagit in – och mer därtill.

– Rent allmänt skulle jag säga att de olika tillämpningarna ökar hela tiden, säger Imre Pázsit.

Radioaktiva ämnen är viktiga verktyg inom forskning, vård och industri – så länge de används på rätt sätt. Här kommer nio exempel.

1 | Gammakameran – en arbetshäst

Sönderfall: gamma

Gammakameran är ett viktigt instrument inom vården. Bara på Sahlgrenska universitetssjukhuset i Göteborg finns nio gammakameror, och varje dag undersöks i genomsnitt 25 patienter. Det vanligaste är att undersöka skelettet för att upptäcka förändringar som inte syns på röntgenbilder, till exempel cancermetastaser.

En radioaktiv isotop, oftast teknetium-99m, kopplas till en bestämd molekyl som söker sig till det ställe i kroppen som ska undersökas. Gammastrålarna som bildas när ämnet sönderfaller lämnar kroppen och fångas upp i en gammakamera. Eftersom kameran är så effektiv behövs bara en liten mängd av radioisotopen.

I datorn sätts gammasignalerna ihop till en bild som visar var i kroppen ämnet som märkts med den gammastrålande isotopen har samlats. På så vis går det att se hur ett organ arbetar och hanterar just det ämnet.

Metoden kallas också scintigrafi, eller SPECT när det handlar om att göra tredimensionella bilder.

2 | PET – skapar bilder med hjälp av antimateria

Sönderfall: beta+

PET (positronemissionstomografi) är en avbildningsteknik som utnyttjar ett sönderfall som avger en positron, elektronens antipartikel.

En positronstrålande isotop fästs vid en molekyl som injiceras i kroppen och tas upp i vävnaderna, till exempel en glukosmolekyl. När positronen sänds ut kommer den genast att stöta ihop med en elektron. Positronen och elektronen förintar då varandra och ger upphov till två gammafotoner, som är ljuspartiklar med hög energi. Dessa lämnar kroppen i motsatta riktningar och fångas upp av detektorer, som på så vis från två håll kan peka ut var sönderfallet skedde. Med hjälp av många sådana signaler kan en bild skapas i datorn som visar var det märkta ämnet samlas. Det kan till exempel ge information om vilka delar av hjärnan som är extra aktiva, och då förbrukar extra mycket glukos.

De isotoper som används till PET har ganska korta halveringstider, så de brukar produceras på plats på sjukhuset. En liten partikelaccelerator, en cyklotron, skickar in protoner mot en lämplig typ av atomer, som under rätt förutsättningar kan fånga in protonerna och bilda en ny isotop av det önskade slaget.

3 | Jod och sköldkörteln

Sönderfall: beta

Sköldkörteln tar upp och lagrar grundämnet jod. I kärnreaktorer bildas den radioaktiva jodisotopen jod-131. Vid en kärnkraftsolycka är det ett av de ämnen som kan komma ut i omgivningen. Eftersom radioaktiv jod tas upp på exakt samma sätt som vanlig jod finns risken att sköldkörteln då skadas av den betastrålning som skapas då isotopen sönderfaller. Därför delas jodtabletter ut till befolkningen i riskzonen efter en olycka, så att sköldkörteln ska mättas med vanlig jod och inte ta upp den radioaktiva isotopen. Isotopen jod-131 används också för behandling av sjukdomar i sköldkörteln. Det är en av de äldsta medicinska användningarna av joniserande strålning som har använts sedan 1940-talet.

Om sköldkörteln är överaktiv får patienten en mängd jod-131 som dämpar funktionen. Isotopen kan också ges som en del av behandlingen av cancer i sköldkörteln, för att döda tumörcellerna.

4 | Isotopterapi mot cancer

Vid strålterapi mot cancer används joniserande strålning som förstör dna-molekylerna i tumörcellerna så att de dör. Med noggranna strålplaner siktas strålen in för att träffa tumören maximalt, utan att skada den friska vävnaden i onödan.

Strålbehandling utifrån fungerar dock dåligt när cancern har spritt sig i många små tumörer som är svåra att kartlägga. Då kan det i stället bli fråga om isotopterapi. En lämplig radioaktiv isotop kopplas ihop med ett ämne som tas upp och koncentreras i tumörerna. På så vis söker isotopen själv upp cancern och strålar lokalt där det behövs.

5 | Strålning hjälper miljöforskare

Joniserande strålning kan mätas mycket exakt. Därför kan små mängder av radioaktiva isotoper användas inom forskningen, för att till exempel undersöka hur olika ämnen tas upp i växter och djur eller sprids i mark och vatten. Vid Sveriges lantbruksuniversitet har bland annat fosfor-33 använts för att studera hur fosfor i gödningsmedel tas upp och vart det sedan tar vägen. Klor-36 har tillsatts till vatten, vilket gör det möjligt att se hur snabbt flödet är genom marken. Vi kan också tacka de radioaktiva isotoperna för kunskap om hur svampar suger åt sig näringsämnen och hur svampar och träd samarbetar för att utbyta näring. Numera används radioaktiva isotoper mindre än tidigare inom den ekologiska forskningen, eftersom det finns metoder som i stället utnyttjar stabila isotoper. Skillnaden är att de senare är mycket svårare att mäta, och att materialet som ska undersökas måste förstöras i samband med mätningen. Joniserande strålning kan mätas direkt i en levande växt eller på plats i naturen, men för att mäta halten av en stabil isotop måste man ta prover som tas in i laboratoriet. Där delas proverna upp i sina beståndsdelar och körs genom en mycket känslig maskin som kallas masspektrometer, som kan urskilja olika isotoper.

I stället för att märka ett ämne med radioaktivt kol-14 kan den stabila isotopen kol-13 användas. Den vanligaste formen av kol som förekommer i naturen är kol-12.

6 | Brandvarnare

Sönderfall: alfa

En vanlig typ av brandvarnare innehåller americium-241. Ämnet sönderfaller med alfastrålning, som aldrig når utanför själva brandvarnaren. Alfastrålningen joniserar luften i ett litet mellanrum mellan två elektroder, så att det hela tiden går en svag elektrisk ström i brandvarnaren. När rök kommer in drar rökpartiklarna åt sig de elektriska laddningarna i luften, vilket leder till att strömmen störs, varpå larmet går (läs mer i Så fungerar en brandvarnare, F&F 7/2016).

7 | Egen el i rymden med plutonium

Sönderfall: alfa

I boken och filmen The Martian hämtar huvudpersonen Mark Watney en generator från en tidigare Marsexpedition, som han använder för att hålla sig varm och överleva. Den kallas för RTG och innehåller plutonium-238. Det är fråga om samma typ av generator som vi tidigare skrivit om i Forskning & Framsteg (Rymdsonderna har bränslebrist, F&F 7/2015). Den används för att ge el till instrumenten i rymdsonder och robotar som inte kan få tillräckligt mycket solljus för att klara sig med solpaneler.

Plutonium-238 sönderfaller med alfastrålning som inte kan tränga ut ur höljet. Däremot värms insidan av generatorn upp av energin som frigörs i sönderfallen. Temperaturskillnaden mellan den varma insidan och den kalla utsidan ger upphov till en elektrisk spänning mellan två olika material, och på så vis genereras ström.

Eftersom det inte finns några rörliga delar är en sådan generator långlivad och tillförlitlig. Rymdsonderna Voyager 1 och 2 har fungerat bra med hjälp av sina plutoniumgeneratorer sedan de lämnade jorden 1977.

8 | Dra nytta av radioaktiva utsläpp

En del radioaktiva isotoper har spridits utan avsikt, men senare har forskare kommit på sätt att utnyttja dem.

Kol-14 är en isotop som normalt bildas genom att kosmisk strålning påverkar atmosfären. Isotopen tas upp av levande organismer på samma sätt som stabilt kol-12. När organismen dör tas inget mer kol upp, och halten av kol-14 minskar i takt med sönderfallet. Genom att mäta hur mycket kol-14 som finns kvar går det att ta reda på hur länge sedan ett djur eller en växt dog.

Under den period då kärnvapen provsprängdes ovan mark bildades extra kol-14 i luften, och halten är väl uppmätt från år till år. Andelen kol-14 i en dna-molekyl kan därför tala om när en cell har blivit till. På så vis kunde den svenske neurologen Jonas Frisén för några år sedan visa i vilken omfattning som celler nybildas i den mänskliga hjärnan.

Olyckan i kärnkraftverket Fukushima gav upphov till en annan oväntad forskningsmöjlighet. Efter den omfattande katastrofen läckte radioaktiva cesiumisotoper ut i havet. Cesium-134 sönderfaller fortare än cesium-137, så genom att mäta hur mycket av vardera isotopen som fanns i en infångad tonfisk kunde forskarna mäta hur länge sedan det var som just den fisken hade lämnat Japan. Halterna innebar ingen risk för fiskätande människor, men räckte för att kartlägga tonfiskens flyttmönster i Stilla havet.

9 | Mätteknik

Inom industrin finns det flera typer av mätinstrument som utnyttjar joniserande strålning. Strålningen från ett radioaktivt preparat kan till exempel användas för att kontrollera nivån i en behållare, mäta tjockleken på en plåt eller densiteten i en vätska. Det behövs tillstånd från Strålsäkerhetsmyndigheten för att använda sådana verktyg. Principen är att olika material absorberar joniserande strålning olika väl. Genom att placera det föremål som ska mätas mellan strålkällan och en mätare går det att undersöka hur mycket strålning som kommer ut på andra sidan.

Materialet blir inte radioaktivt, och preparatet är instängt i en sluten behållare som bara släpper igenom själva strålningen.

Hotande brist på teknetium

Teknetium-99m är den vanligaste isotopen vid medicinsk avbildning med gammakamera i världen. Den användes vid närmare 80 000 undersökningar, bara i Sverige, under 2015. Isotopen har en halveringstid på bara sex timmar, så den måste produceras nära den plats där den ska användas. Sjukhusen köper in generatorer som innehåller molybden-99, som sönderfaller till teknetium-99m. Den nya isotopen kan sedan mjölkas ut ur generatorn när det är dags att använda den. Det finns bara ett fåtal forskningsreaktorer i världen som tillverkar molybden-99, vilket gör infrastrukturen sårbar. För några år sedan låg två av dessa reaktorer nere för underhåll samtidigt. Då uppstod en global brist. Sjukhusen blev tvungna att utveckla nya arbetssätt för att utnyttja det teknetium som de hade kvar.

Forskningsreaktorn i kanadensiska Chalk River har stått för nära en femtedel av jordens försörjning av teknetium-99m, men den är på väg att läggas ner. I höstas avslutades tillverkningen av medicinska radioisotoper i Chalk River. De närmaste åren måste sjukhusen lita till de få återstående och ålderdomliga forskningsreaktorer som fortfarande producerar teknetium, innan nya planerade lösningar kommer till stånd.

Flera internationella organisationer arbetar för att se till att det tillkommer nya sätt att producera molybden-99 och därmed teknetium-99m. Ett par nya forskningsreaktorer är planerade, men det finns också nya metoder för att tillverka de här ämnena med en partikelaccelerator.

Ska vi säga atomkraft eller kärnkraft?

Ett tidigt svenskt namn för en kärnreaktor var atommila, och en klassisk symbol vid demonstrationer mot svensk kärnkraft visar en leende sol och texten ”Atomkraft? Nej tack.” Men fysiker skiljer mellan atomfysik, som handlar om elektronerna, och kärnfysik, som handlar om krafter och processer inuti atomkärnan. Typiska energier i atomkärnan är en miljon gånger större än energin som är inblandad i reaktioner med atomernas elektroner. Därför är det mer korrekt att tala om kärnkraft än om atomkraft.