Thorium i Buskerud, Telemark og Vestfold fylker Sven Dahlgren Regiongeologen Buskerud Telemark Vestfold Rapport nr 1, 2008
Produksjon: Tekst og foto: Sven Dahlgren Design i Adobe Creative Suite 3 til trykkeklar pdf: Sven Dahlgren Fylkesgeologen for Buskerud, Telemark og Vestfold Rapport nr 1, 2008 Adresse: Fylkeshuset, 3126 Tønsberg Forside Forsidefotografiet viser fragmenter, (1-3 mm i tverrmål) fra en krystall av oransjefarget variant av thoritt fra Sandøya, Porsgrunn kommune. I Langesundsfjordområdet forekommer thoritt typisk som oransje, brune eller sorte krystaller i grovkornete nefelinsyenittpegmatittganger. Thoritt er ikke et vanlig mineral.
Thorium i Buskerud, Telemark og Vestfold fylker Sven Dahlgren Regiongeologen for Buskerud, Telemark og Vestfold Innhold Forord 4 Sammendrag 5 Thorium-fakta 6 Forekomst av thorium 8 Oppdagelsen av thorium 8 Thoriumfeber 9 Thoriumforekomster i Buskerud, Telemark og Vestfold fylker 10 Thorium i Fensfeltet 11 Thorium i rødberg og ankeritt-karbonatitt, Fensfeltet 14 Utfordringer ved utnyttelse av thoriumforekomster på Fensfeltet 16 Anvendelser, forbruk og prisutvikling 17 Nye forekomster 17 Thorium i kjernekraftproduksjon 18 Videre anbefalinger 18 Referanser 18 3
Forord Mandatet for å evaluere framtidspotensialet for alle typer geologiske ressurser i Buskerud, Telemark og Vestfold ble gitt av Regionrådet for BTV gjennom vedtak av programmet GeoVisjon 2300 tidlig i 2006. I dette programmet, som gjennomføres av Regiongeologen / Fylkesgeologen og Norges Geologiske Undersøkelse inngår også en evaluering av thoriumforekomstene i regionen. Resultatene fra hele dette programmet skal sammenstilles mot slutten av 2008. Når thorium i Fensfeltet nå har fått så stor oppmerksomhet i mediene er det betimelig å få gitt en faglig redegjørelse om thoriumforekomstene som finnes her slik at også utfordringene en eventuell thoriumutnyttelse på Fensfeltet vil medføre blir med i debatten. Denne rapporten forelå i en foreløpig utgave til en redegjørelse om thorium for Fylkesutvalget i Telemark Fylkeskommune den 13. februar 2008. Med unntak av noen mindre layoutsmessige endringer og korrektur for trykkfeil er denne endelige utgaven tilnærmet identisk med den som ble fremlagt for fylkesutvalget i går. Tønsberg 14. februar 2008 Sven Dahlgren Regiongeolog Buskerud Telemark Vestfold 4
Thorium i Buskerud, Telemark og Vestfold fylker Sven Dahlgren Regiongeologen for Buskerud, Telemark og Vestfold Sammendrag Fensfeltet, Nome kommune, er den en eneste forekomsten av thorium med potensiell økonomisk interesse i Buskerud, Telemark og Vestfold fylker. Thorium i Fensfeltet forekommer i bergartene rødberg og ankeritt-karbonatitt. Thoriumkonsentrasjonene er høyest i området ved Gruveåsen og kommer opp 0,4 %, men vanlige konsentrasjoner er 0,1-0,2 %. Thoriummineralene er ørsmå og finfordelt i bergartene og det finnes ikke noen kjent industrielt effektiv metode for å separere thoriummineralene fra de øvrige komponentene av bergartene. Thoriumforekomstene på Fensfeltet rangerer blant de største i verden, men det er ikke sikkert at de er praktisk og økonomisk utnyttbare. I dag har forekomstene ingen økonomisk verdi, og vil trolig heller ikke ha det på ganske lang sikt, men framtidsmulighetene er der. Mest sannsynlig vil thorium kunne utvinnes som biprodukt av utvinning av Ce, La, Nd etc. Ressursene av Th, Ce, La etc Gruveåsen på Fen bør kartlegges grundig. For en kan vurdere grunnlaget for en potensiell drift må en avklare fundamentale forhold som: Forekomstenes utbredelse i 3 dimensjoner og konsentasjonsvariasjonene innenfor området. Karakterisering av thoriummineralene og andre mineraler (av lantan, cerium etc) i det aktuelle området. Teknologiske og helsemessige aspekter ved gruvedrift. Oppredningsteknologi for uttak av thoriummineraler. Milljøaspekter ved gruvedrift, oppredning og deponering av avfallet (som blir minst 98 % av uttatt og nedknust fjell). Det vil sannsynligvis være langt rimeligere og enklere å utvinne thorium andre steder i verden med enklere geologi. Det er ingen umiddelbar grunn til å kople thoriumforekomstene på Fensfeltet med en potensiell utvikling av thoriumkjernekraft i Norge. 5
Th Thorium-fakta Kjemisk symbol: Th Grunnstoff nr 90 (dvs 90 protoner i atomkjernen) 142 nøytroner i atomkjernen Atommasse ca 232 g/mol Praktisk talt alt naturlig thorium er av isotopen 232 Th (90 protoner + 142 nøytroner = 232 kjernepartikler) Metall En liter thorium metall veier 11,7 kg Radioaktivitet Thorium er i likhet med uran et radioaktivt grunnstoff. Thorium finnes i alle praktiske henseende i naturen som isotopen 232 Th. Uran finnes derimot i naturen hovedsaklig i to isotoper, 235 U og 238 U, hvor 238 U er langt vanligere enn 235 U. Thorium brytes i likhet med uran ned til bly. Blyisotopen 208 Pb dannes ved radioaktiv nedbrytning av thorium via en rekke mellomledd (datternuklider, eller thoriumdøtre ). Dette skjer ved frigivelse av alfa- og beta-partikler. (Se figur ovenfor). Frigivelse av alfa-partikler (α) er frigivelse av helium, og atomet mister 2 protoner og 2 nøytroner. Ved frigivelse av betapartikler (β - ) forsvinner et elektron ut av et nøytron i atomkjernen. Antallet partikler i atomkjernen blir da uendret, men antallet protoner øker med ett, dvs vi får en isotop av et annet grunnstoff. Ved den radioaktive nedbrytningen frigis også gammastråler (γ). Dette er en meget energirik stråling som vi kan måle med geigerteller eller annet instrument på bakken eller fra helikopter. På grunn av at 232 Th, 235 U og 238 U frigir gammastråler med ulik energi, som vi kan måle med spektrometer, kan vi også lett lage kart som viser fordelingen av thorium og uran i berggrunnen. Halveringstid Halveringstiden for et radioaktivt grunnstoff er den tiden det tar fra utgangsmengden (1,0 på figuren ovenfor) av grunnstoffet ved radioaktiv nedbrytning har blitt halvert (0,5 på figuren ovenfor). Et radioaktivt grunnstoff som har kort halveringstid i forhold til Jordas alder (som er ca 4500 millioner år) vil ha rukket flere halveringstider, og det blir lite eller ingen ting igjen av dette grunnstoffet i dag. 235 U har en relativt kort halveringstid, 704 millioner år, mens 238 U har en halveringstid på 4470 millioner år som er omtrent Jordas alder. Mengden av 235 U som var til stede ved Jordas dannelse har derfor halvert flere ganger siden, mens 238 U har halvert en gang. Langt det meste av det naturlige uranet er derfor 238 U. Thorium har en halveringstid som er ekstremt lang, hele 14010 millioner år. Mer enn 80% av det thoriumet som var i vår planet ved dannelsen er derfor fremdeles her. 6
Forekomst av thorium Fra en supernova Grunnstoffene bygges opp i stjerner, som for eksempel Sola, ved fusjon ( sammensmeltning ) av hydrogen og helium og andre lette grunnstoffer. Dette gjelder alle grunnstoffer opp til og med jern (atomnummer 26). Tyngre grunnstoffer enn jern kan imidlertid ikke dannes på denne måten. For å lage thorium og uran, og andre tunge grunnstoffer, må det en en supernova til. En supernova er en ekstrem eksplosjon som skjer når stjerner dør. Vårt sol- og planetsystem er altså bygget opp av gammelt stjernemateriale og supernovarester. Forekomst på Jorda Thorium finnes i all stein og løsmasser på Jorda. Konsentrasjonen av thorium varierer imidlertid sterkt med geologisk miljø og bergartstype. Dette skyldes at thorium, i likhet med alle andre grunnstoffer, oppfører seg geokjemisk ulikt i forskjellige geologiske prosesser. Slike prosesser er for eksempel vulkanisme, forvitring, erosjon, sedimentasjon. De største konsentrasjonene av thoriummineraler, og thoriumholdige mineraler, finnes i bergarter som er dannet under vulkaner (granitter, syenitter og karbonatitter), i sand som er avsatt fra elver og langs strender, samt i noen leiresedimenter avsatt i oksygenfattig vann. De geologiske og geokjemiske prosessene som har foregått gjenn om Jordas 4500 millioner årige liv har resultert i at thorium er spesielt oppkonsentert i den øvre kontinentale jordskorpa. Dette tilsvarer den jordskorpa de fleste menneskene bor på ned til noen få km dyp. I tabell 1 framgår det at i den øvre kontinentale jordskorpa er thorium nesten 4 ganger så vanlig som uran, halvparten så vanlig som bly og flere tusen ganger vanligere enn gull. Dette skyldes blant annet at thorium er ganske vanlig i granitter som først og fremst dannes gjennom geologiske prosesser i den kontinentale jordskorpa. Jordskorpa på Island, som er en basaltisk havbunnsskorpe på land, er for eksempel til sammenlikning svært thoriumfattig. Tabell 1. Fordelingen av thorium og enkelte andre grunnstoffer i Jordas ulike deler Geologisk miljø / bergart Thorium gram / tonn Uran gram / tonn Bly gram / tonn Gull gram / tonn Hele Jorda 0,0425 0,0122 3,65 0,218 Jordskorpa gjennomsnitt 3,5 0,91 8 0,003 Øvre kontinentale jordskorpe 10,7 2,8 20 0,0018 Granitt (G1) (vanlig kontinental skorpebergart) 52 3,7 49 0,002 Basalt (W1) 2,4 0,52 8 0,005 Havbunnsskorpe (basaltisk), gjennomsnitt 0,22 0,10 0,8 0,00023 Thorium i Buskerud, Telemark og Vestfold fylker Tabell 2 viser thoriuminnholdet i de mest thoriumrike bergartene i Buskerud, Telemark og Vestfold fylker. Granittiske bergarter utgjør over 50% av landarealet i de tre fylkene og thorium finnes i relativt høye konsentrasjoner (gjennomsnittlig 26 gram thorium pr tonn bergart) i granittområdene. Thorium er også ca 5 ganger vanligere enn uran i disse granittområdene. Thorium- og uraninnholdet i granitt i Østfold er blandt de høyeste konsentrasjonene som er målt i norske granitter, men høyt innhold finnes også i deler av Drammensgranitten og ved Bessefjell (Telemark). Lokalt kan thoriuminnholdet i pegmatitter, grunnstoffsøplekassa til granitter og syenitter, være skyhøyt. Alunskiferen er i motsetning til de andre bergartene rikere på uran enn på thorium, men begge grunnstoffer har ganske høye konsentrasjoner. Larvikitt har vanligvis et langt mindre thorium- og uraninnhold enn granitter. Thoriuminnholdet i to av bergartstypene på Fensfeltet ved Ulefoss, to jernrike karbonatitter, ( rødberg og rauhaugitt; ankeritt-karbonatitt ) stiller i en klasse for seg. Se seinere avsnitt om disse bergartene. Tabell 2. Thorium og uran i forskjellige bergarter i sørøst-norge Bergartstype Thorium gram / tonn Gjennomsnitt (min-max) Uran gram / tonn Gjennomsnitt (min - max) Granitter Telemark 26,2 (12,1-59,6) 5,8 (2,9-13,3) Drammensgranitt 25,9 (13,4-63,9) 4,4 (2,0-11,6) Granitt Østfold 50,2 9,9 Alunskifer, Grenland 16 (12-19) 59 (6-101) Larvikitt 13,5 (2,5-75,0) 3,7 (0,7-16,4) Rødberg (omvandlet jernrik karbonatitt), Fen 950 (128-4032) 9 (1-26) Rauhaugitt (ankeritt-karbonatitt), Fen 539 (84-1081) 5 (2-9) 7
Oppdagelsen av Thorium På slutten av 1700-tallet, gjennom hele 1800-tallet og helt til 1920-årene var forskerne opptatt med å finne ut av hvilke grunnstoffer som finnes på Jorda. Dette førte til et nært samarbeid mellom geologer / mineraloger og kjemikere fordi en måtte finne nye grunnstoffer i ulike geologiske forekomster. Analysemetodene krevde mye stoff å analysere og derfor var steder hvor en fant mineraler (kjemiske forbindelser) i store klumper populære. Pegmatittgangene i Langesundsfjorden er et slikt område. Mange nye og sjeldne mineraler er blitt beskrevet herifra, og flere ganger trodde forskerne at de hadde funnet et nytt grunnstoff. En gang viste det seg at det ikke var falsk alarm. Et nytt grunnstoff ble påvist i et brunsvart mineral fra Løvøya utenfor Brevik, Porsgrunn kommune: Thorium. Det forekommer som mineralet thoriumsilikat (ThSiO 4 ) og fikk navnet thoritt. Bjønnes Sandøya Løvøya Thoritt 1 cm Verdens typelokalitet for grunnstoffet thorium og mineralet thoritt ligger på en liten odde øst på Løvøya i sundet mot Sandøya. Det er tydelig sprengt på lokaliteten, trolig i forbindelse med thoriumfeberen (se neste side). Thoritt er et sjeldent mineral som forekommer på pegmatittganger (ganger med grove krystaller) i deler av Langesundsfjordområdet. Det forekommer oftest som litt glassaktige brunsvarte krystallmasser. Thoritten på fotografiet over til venstre er fra en pegmatittgang i larvikittbruddene på Auenlandet. Pegmatitten på thorittens orginalfinnested på Løvøya (foto over til høyre) er nå tom for thoritt. De store grønnsvarte krystallene er pyroksen, amfibol, svart glimmer og jernoksider (magnetitt). 8
Oppdagerne Thoritten på Løvøya ble funnet av Hans Morten Thrane Esmark. Han var sønn av Bergassessor Jens Esmark på Bergseminaret på Kongsberg, og Hans fikk tidlig stor interesse for å samle mineraler. Pussig nok utdannet han seg til prest og fikk prestekall til Brevik. Det gav ham imidlertid et enestående utgangspunkt for å farte rundt i skjærgården for å leite etter sjeldne mineraler. Det brune mineralet han fant på Løvøya sendte han til sin svenske venn kjemikeren J.J. Berzelius. Berzelius undersøkte mineralet etter alle til da kjente kjemiske regler, og han kom til at dette måtte være et nytt grunnstoff og et nytt mineral. Berzelius hadde lenge hatt en drøm om å kalle et nytt grunnstoff opp etter den norrøne guden Thor. Det fikk han nå muligheten til og det nye grunnstoffet fikk navnet thorium og det nye mineralet thoritt. Det ser imidlertid ikke ut til at det vakte veldig bestyrtelse hos finneren, som jo var prest, at mineralet fikk navn etter en hedensk gud. H. M. Thr. Esmark J.J. Berzelius Thoriumfeber Thoritt 1 cm Av og til har thoritt oransje farge. I gamle dager trodde man dette var et helt annet mineral enn den brune thoritten. Fragmentene ovenfor er fra en pegmatitt på Sandøya som ble sprengt for å bygge moloen der en gang på 1970-tallet. Thorium har spesielle geokjemiske egenskaper som gjør at thorium-mineralene har havnet i pegmatitter, som er en slags geologiske avfallsdynger etter prosesser i smeltemasser i jordens indre. Slike forekomster, med thorittklumper på valnøttstørrelse, finnes i Norge bl.a. på kyststrekningen Larvik-Langesundsfjorden-Kragerø-Tvedestrand. Fra slutten av 1880-årene til begynnelsen av 1890-årene herjet thoriumfeberen blant folk i dette området, og hele verdens produksjon kom herifra og fra Sverige. Thorium ble fra 1884 brukt i glødehetter på gasslamper ( auerlamper ) for å lage lys, og thoritt ble betalt med flere hundre kroner kiloen. Dette var en formue for folk flest og befolkningen gikk mann av huse og sprengte i vei på holmer og skjær. Den dag i dag kan vi se sprengningsgropene etter villsprengningen på slutten av 1800-tallet. Det oppsto ikke sjelden kamp om rettighetene til nye funn. Gleden og rikdommen ble imidlertid kortvarig. Store forekomster av thoriummineraler, i strandsand som lett kunne graves ut med spade ble funnet i USA (1893), Brasil (1895) og India (1911). Prisene sank drastisk og thoriumfeberen opphørte. Dessuten ble gassbelysning utkonkurrert av elektrisk lys. Forekomstene av thoriummineraler langs norskekysten er kjennetegnet ved at det er langt mellom hver klump av thoritt, og de vil neppe noen gang bli kommersielt interessante. Aner vi en viss likhet mellom thoriumfeberen i 1890-årene og feberen som har rast det drøyt siste året? 9
Thoriumforekomster i Buskerud, Telemark og Vestfold Thoriumforekomster i Buskerud, Telemark og Vestfold fylker kjenner vi fra følgende setder: 1. Vest for Eikeren 2. Langesundsfjorden-Brunlanes 3. Kragerø-Bamble området 4. Fensfeltet ved Ulefoss Bare Fensfeltet er stor nok for å kunne være en ressurs. 1. Thoritt er påvist i tilknytning til alkaligranitt ( ekeritt ) vest for Eikeren, Øvre Eiker kommune. Forekomstene er trolig ubetydelige. 1. 4. 3. 2. 2. Langesundsfjorden er allerede omtalt. Thoritt finnes på pegmatittganger flere steder øst for (til høyre for) den gule stiplede linja på fotografiet ovenfor. Thoritt er imidlertid et sjeldent mineral og det er langt mellom hver lille thoritt krystall (se nedenfor til venstre). Se også side 19. 1 cm Thoritt Thoritt (oransje) i pegmatitt fra Langesundsfjorden. I dette tilfellet forekommer thoritt sammen med eudialytt, et rødlig mineral (uten thorium) som for et utrent øye kan forveksles med thoritt. De lyse mineralene er feltspat, og de mørke er pyroksen, amfibol, glimmer og jernoksider. Kragerøskjærgården og Langesundsfjord-området er helt uaktuelle steder for utvinning av thoriummineraler. Det er for det første ikke mulig å foreta en teknologisk/økonomisk forsvarlig utvinning pga meget små og spredte forekomster. For det andre er disse områdene også oftetst tett bebygd med fritidsboliger som eksempelvis Arøyskjæra (ovenfor). 3. Thoriumholdige mineraler er også kjent fra en rekke pegmatitter i Bamble- Kragerø området (foto til venstre). Også her er thorium-mineralene sjeldne og uutnyttbare. 10
Thorium i Fensfeltet 4. Fensfeltet ligger ved Norsjø øst for Ulefoss i Telemark fylke (se kart forrige side). For 580 millioner år siden var det her en vulkan som besto av meget spesielle kalksteiner. I dag er alt som kan minne om en vulkan erodert og vi finner bare Fensfeltets bergarter i restene av tilførselssystemet til den tidligere vulkanen. Fensfeltet er geologisk meget komplekst, og det er raske skift i bergartstyper over svært korte avtander. Enkelte av de radioaktive, thoriumrike bergartene forekommer som årer bare noen få cm tykke. Det geologiske kartet over Fensfeltet (til høyre) er svært forenklet. Likevel viser det hovedutbredelsen av bergartene som er rike på thorium: 1. Rødberg (brun farge på kartet) 2. Ankeritt-karbonatitt ( rauhaugitt ; mørk blå farge på kartet) Begge disse bergartstypene vil bli beskrevet i et seinere avsnitt. Søvitt, fenitt, damtjernitt, vipetoitt, melteigitt og silikokarbonatitt er alle bergartstyper som ikke har noen interesse mht thorium. Det impliserer at bergartene med thoriumforekomstene ligger øst i Fensfeltet (se nedenfor og på neste side). Kart som viser gammastråling fra thorium (til høyre), målt fra helikopter i 2006 av NGU. Dette nye kartet er i stor grad overensstemmende med gammastrålingskart fra 1983. Høy radioaktivitet fra thorium er vist med fiolett og meget høy med sort. Dette viser at thoriumforekomstene er begrenset til de østlige delene av Fensfeltet. Det kan også være thoriumrike bergarter under Fensmyra og ved Fen. I disse områdene er det tykk leire og jord oppå berggrunnen som bremser strålingen fra thorium og derved ikke synes på kartet. Ulefoss Norsjø Fen Torsnes Fensbukta Rullekoll Fen Gruveåsen Utsnitt av kart over gammastråling målt i 2006 (til venstre) over området nordøst i Fensfeltet. Mørkere farger indikerer høyere gammastråling og mer thorium. Kartet viser at thoriumforekomstene er høyest i den delen av Fensfeltet som er det gamle jerngruvefeltet. Dette ligger mellom Fensbukta, Fen skole og Gruveåsen. Bergartene i dette området har et høyere thoriuminnhold enn tilsvarende bergarter i området Rullekoll- Rauhaug selv om også sistnevnte området har høye konsentrasjoner av thorium. Se også foto på neste side. 11
Ulefoss Søve Holla Vipeto Melteig 12
Thorium i Fensfeltet Norsjø Gruveåsen Fen Fensmyra Spesielt thoriumrik sone Område med thorium-anrikede bergarter (flekkvis) Omtrentlig avgrensning av Fensfeltet 13
Thorium i Rødberg og Ankeritt-karbonatitt, Fensfeltet Thoriumreservene på Fensfeltet finnes i bergartene rødberg og ankeritt-karbonatitt ( rauhaugitt ). Disse bergartene er meget finkornete og thorium-mineralene ligger finfordelt i ytterst små krystaller. Den kjemiske sammensetningen på disse små mineralkornene er ikke alltid like lett å fastslå sikkert selv i elektronmikroskop. 1 cm 1 cm Overflate i typisk rødberg fra Gruveåsen (foto ovenfor). Det er åpentbart hvorfor gruvearbeiderne ved de gamle jerngruvene gav bergarten dette navnet. Den er dannet ved at varmt vann surkla rundt på sprekker og i porøse bergarter nede i den gamle Fenvulkanen. Jern, thorium og lantanide-elementer ble værende igjen, mens andre elementer ble løst opp og fraktet bort med det varme vannet og derved ble thorium oppkonsentrert. Forvitret overflate (foto ovenfor) av ankeritt-karbonatitt ( rauhaugitt ). Rustfargen skyldes forvitring av jern-karbonat (ankeritt). Det var hovedsaklig denne bergarten som var utgangspunktet for dannelsen av rødberget. Thorium-konsentrasjonen i ankeritt-karbonatittene er lavere enn i rødberget. 1 mm 1 mm En 30 mikrometer tykk bergartsskive ( tynnslip ) av rødberg sett i vanlig bergartsmikroskop. De lyse partiene består av kvarts og kalkspat, mens de røde og svarte er jernoksider (hematitt). Thoriummineralene er bitte små korn som ofte ligger i områdene med jernoksider. Se neste side. Tynnslip av ankeritt-karbonatitt. Det grønne mineralet er kloritt (et silikatmineral), de lys grå partiene er ankeritt (jernkarbonat), kvarts og feltspat. De fleste av de svarte kornene er jernoksider, men noen få av de aller minste sorte flekkene er mineraler som inneholder thorium. Thoriumreserver på Fensfeltet Fen Bolladalen Gruveåsen Torsnes Fensbukta Thoriumreservene på Fensfeltet blir flere steder oppgitt til å være ca 170.000 til 180.000 tonn og reservene blir rangert til å være blant verdens 5 største. Reserveanslaget er imidlertid temmelig usikkert. De thoriumrikeste partiene befinner seg innenfor området Bolladalen- Gruveåsen (gul stiplet kurve på foto til venstre), men det er høyst uklart hva som befinner seg under Fensmyra og Fenbukta. Innenfor det rikeste området varierer også thoriuminnholdet mye. Innholdet er opptil 0,4%, men gjennomsnittsverdiene ligger rundt 0,2%. Fensmyra 14
0,1 mm Thorianitt Monazitt-Ce Rødberg sett i elektronmikroskop Utsnitt av samme rødberg-prøve som på forrige side sett i elektronmikroskop. Foto ovenfor: Lyse partier er mineraler med tunge grunnstoffer. Monazitt-Ce Dette er mineralet i det lyse området oppe til venstre. Dette består av cerium (og andre lantanide-elementer) og fosfor, samt litt thorium. Thorianitt Thorianitt er thorium-oksid (ThO 2 ). Det meste thorium i rødberget finnes i thorianitt som i tillegg til thorium også inneholder noe silisium, jern, kalsium, karbon og fosfor. Det er mulig disse elementene inngår i koplete substitusjoner i mineralgitteret, men det kan også være pga inneslutninger/avblandinger eller analytisk interferens med sidemineraler. Mineralaggregatet til høyre (forstørrelse av thorium-mineralet i foto ovenfor) er spesielt stort til å være fra rødberget, men likevel svært smått. Thoriumet sitter derfor i slike ørsmå, eller mindre, krystaller, og det er ikke noen enkel sak å separere disse mineralkornene ut fra bergarten. Dette er en hovedutfordring for å kunne utnytte thoriumforekomstene. De små grå mineralflaka er jernoksid (hematitt; det samme mineralet som er rødt på foregående side sett i bergartsmikroskop). 0,01 mm 15
Utfordringer ved utnyttelse av thoriumforekomstene på Fen På de foregående sidene er det vist at thorium-mineralene på Fensfeltet er ørsmå krystaller som sitter ekstremt finfordelt rundt i bergartene. Konsentrasjonene går i visse tilfeller opp i 0,4% av bergarten, men vanligvis er konsentrasjonene 0,2% eller enda lavere. Ikke i noen tilfeller er det mulig å gå ut på Fensfeltet og hente klumper med reine thoriummineraler slik som for eksempel det tidligere var mulig i Langesundsfjorden og ved Kragerø. Utfordringene står i kø for å få thorium ut av rødberget og kan summeres i 3 punkter: 1. Gruvedrift, helse og miljøaspekter Rødberget er svært radioaktivt og vil utgjøre en betydelig helserisiko for dem som måtte skulle arbeide der. Inne i gruvene er det en meget høy gammastråling, og det frigis radongass, thoron, med svært kort halveringstid (55,6 sekunder). I tillegg til å bli utstatt for høy gammastråling vil derfor arbeiderne puste inn radongass, og radioaktivt steinstøv, som vil gi meget stor risiko for forhøyet alfastråling direkte i lungevev og derved en høy kreftrisiko. En gruvedrift, eller drift i åpne brudd vil derfor etter all sannsynlighet måtte utføres med roboter. Thoriumforekomstene ligger også ved Norsjø, og det vil ved en eventuell drift nødvendigvis gå ut betydelige mengder med avgangsvann fra gruveområdet ut i Norsjø som er nedre Telemarks drikkevann. Thorium løses dårlig i vann, men en mengde andre stoffer vil kunne løses i vannet eller fraktes rundt i vannmassene som små partikler og farge vannet rødt. Gravitativ mineralseparasjon av tunge mineraler ved Søve gruver i 1960-årene. 3. Radioaktivt avfall Ved nedknusning av fast fjell til meget fine korn, som er nødvendig for å utføre mineralseparasjon, øker volumet med en faktor på ca 1,5. Ved en potensiell drift etter thorium fra rødberget vil det åpenbart være av stor interesse å ta ut mineraler med lantanideelementer som cerium, lantan, neodym, europium etc. (egentlig er det på sikt trolig større interesse for å ta ut disse elementene fra Fensfeltet enn å ta ut thorium). Muligens vil det være aktuelt å ta ut barytt (bariumsulfat) og apatitt (fosfat) som biprodukter. Uansett vil mineralmengden som tas ut neppe overstige 1-2 % av volumet. Det betyr at en vil sitte igjen med 98-99 % avfall, eller et finknust fjell med praktisk talt 1,5 ganger det volumet fjell en sprengte ut i gruvene. Det er også usannsynling at det er mulig å ta ut alt thoriumet som finnes i bergarten. Derved vil dette finknuste fjellet være radioaktivt og kreve deponering som lavradioaktivt spesialavfall. 16 Stoll i rødberg fra Bolladalen til Storgruva. Drevet i forbindelse med jernmalmutvinning (1657-1927) 2. Thorium ut av bergarten (oppredning) Etter at malmen er tatt ut av ei gruve må en utføre en industriell prosess som separerer ut de mineralene en er interessert i. Da får man et verdifullt mineralkonsentrat og avgang (avfallet). Vanlige separasjonsmetoder omfatter kraftige magneter for å fjerne magnetiske mineraler og gravitativ separasjon for å fjerne tunge mineraler. Flotasjon, som er en prosess hvor luft, vann og ulike komplekse organiske kjemikalier brukes til å ta ut bestemte mineraler er også vanlig å bruke. I alle tilfeller må bergarten i utgangspunktet knuses ned til en partikkelstørrelse som er lik størrelsen på det eller de mineralene en ønsker å ta ut. Siden thoriummineralene i rødberget bare er opptil 20 tusendels millimeter store vil bergarten måtte knuses ned til et fint pulver. Det er også usannsynlig at de nevnte separasjonsmetodene vil fungere særlig godt for å ta ut thoriummineralene i rødberget både fordi mineralkornene er så små, og at det er så stor andel andre tunge mineraler i bergarten. Thoriummineralene ser også ut til å være intimt sammenfiltret med tunge jernmineraler, og derved forsvinne i avgangen med disse. Muligens vil thorium måtte tas ut ved massiv oppløsning av hele bergarten i syrer eller andre kjemikalier. Hvor skal dette gjøres i en industriell skala? Radioaktivt deponi etter Fen Jerngruver ved Norsjø
Anvendelse, forbruk og prisutvikling Thorium fikk sin første anvendelse til glødehetter i gasslamper i slutten av 1880-årene (rød stiplet linje på figuren under). Spesielt mye thorium ble benyttet mellom 1910 og 1935 (tall foreligger ikke for årene like før og under 2. verdenskrig), og i perioden fra slutten av 1950-tallet til begynnelsen av 1990-årene. Thorium er blitt anvendt i spesielle legeringer, som katalysator, i laboratorieutstyr og diverse annet. På grunn av at thorium er radioaktivt, og derved helseskadelig, ble produkter som inneholdt thorium etterhvert (fra 1980-årene) systematisk erstattet med andre metaller / legeringer. Fra midten av 1990-årene har verdensforbruket av thorium vært tilnærmet lik null. Siden thorium i stor grad utvinnes som biprodukt av framstilling av andre metaller har thorium blitt et problemavfall eller at det har gått i avgangen (avfallet) ved oppredningen av thoriumholdige malmer. Det er derfor sannsynlig at større mengder lett tilgjengelig thorium ligger i lagre eller deponier. Tallene på figurene nedenfor er hentet fra US Geological Survey. 400 350 Verdensforbruk av thorium pr år 1880-1900 er tentativt illustrert 300 250 Tonn 200 150 100 50 0 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020 År Dollar pr kg Thoriumprisen avhenger naturligvis av etterspørselen. Prisutviklingen for de fleste metaller har de siste årene vært stigende, til dels ganske kraftig pga Kinaeffekten. Asiatiske land har de siste årene konkurrert kraftig på verdensmarkedet om leveranser av de fleste metaller. Thoriumforbruket har derimot som vist ovenfor hatt en kraftig negativ utvikling, og prisen har falt tilsvarende (figur til venstre; etter US Geological Survey). Siden 1980 har det ikke vært noe markedsbestemt pris på thorium. Pr i dag er det svært billig å kjøpe thorium, ca 50 dollar kiloen. Dette er en kilopris som ligger ekstremt langt under det som vil være uttakskostnadene for thorium på Fensfeltet. Det eneste som kan endre på dette er en enorm global thoriumetterspørsel, f.eks. til energiproduksjon. Selv da er det sannsynlig at det er meget lenge før thorium produsert på Fensfeltet prismessig kan konkurrere med thorium produsert fra andre lettere tilgjengelige kilder. Nye forekomster I all mineralleiting gjelder at den som leiter finner. Thorium er ikke noe spesielt sjeldent element, og fordi det er radioaktivt er thoriumforekomster attpåtil lette å oppdage fra fly og helikopter. Men siden markedet ikke etterspør thorium er det heller ingen som har drevet omfattende leitevirksomhet etter thorium. Det er derfor høyst sannsynlig at thorium finnes i betydelige uoppdagete forekomster. Ved en eventuell drastisk økt etterspørsel vil sannsynligvis funn av nye forekomster holde prisnivået nede. De fleste thoriumforekomster er av en geologisk enklere type enn thoriumforekomstene på Fensfeltet. Store forekomster finnes i elvesand eller strandsand som kan lastes opp med hjullastere og enkelt separeres med konvensjonelle metoder. Skulle etterspørselen øke vil det letteste naturligvis også være å hente thorium fra deponier, enten det er i lagre for radioaktivt avfall eller at det er thorium som er sendt i avgangen fra annen mineraloppredning. Økonomiske hensyn, lett tilgang på andre thoriumressurser globalt, Fensfeltets driftsutfordringer, miljø og helse tilsier at utnyttelse av thoriumressursene på Fensfeltet i beste fall ligger flere generasjoner fram i tid. Det som kan endre på dette er en enorm prisøkning på thorium som følge av en meget stor etterspørsel pga thoriumenergiproduksjon. Selv da vil det være enklere å utvinne thorium andre steder. 17
Thorium i kjernekraftproduksjon Årsaken til at thorium i det siste har fått en stor oppmerksomhet i mediene er utspillene fra Egil Lillestøl om potensialet for utvikling av en thorium-reaktor av ADS-typen (accelerator driven systems). Liknende utspill kom på 1980-tallet. Det ligger imidlertid utenfor målsetningen med denne rapporten å gå i detalj om dette. Allikevel må det gis noen kommentarer fordi et av argumentene for at Norge skulle engasjere seg i utviklingen av en ADS reaktor er fordi vi har så store thoriumressurser i Fensfeltet. Denne rapporten viser at denne koblingen mellom thorium reservene på Fensfeltet og utviklingen av en ADS reaktor ikke er reell. Thorium er langt billigere å skaffe fra andre kilder i overskuelig framtid. Videre anbefalinger Denne vurderingen av thoriumressursene på Fensfeltet kun i en innledende fase. Framtidige undersøkelser bør gå i dybden på følgende aspekter: Nøyaktig avgrensning i 3 dimensjoner og detaljkartlegging av sonene på Fensfeltet som er rikest på thorium. Detaljert mineralkarakterisering av rødberget og ankeritt-karbonatitter. Detaljerte oppredningsforsøk for ekstraksjon av thoriummineraler og andre mineraler fra rødberg og ankerittkarbonatitter i Fensfeltet. Utvinningsteknologi og helseaspekter ved gruvedrift. Miljøaspekter ved gruvedrift og oppredning. Miljøaspekter for lagring av radioaktiv avgang etter gruvedrift og oppredning. De fleste av disse utfordringene bør løses ved samarbeid mellom internasjonalt topp anerkjente fagmiljøer innen disse spesialfeltene. I mange år framover er det mest fornuftige en kan gjøre å sørge for at throiumforekomstene på Fensfeltet ikke blir bygget ned slik at potensiell framtidig utnyttelse blir vanskelig. 18
Eidanger Thorium i Langesundsfjorden Gammastrålingskart som viser fordelingen av thorium i Langesundsfjordområdet. Fiolett farge viser høy og grønn viser lav thorium i berggrunnen. Blå farge viser ekstremt lavt thoriumnivå (over vann; det er ubetydelige mengder thorium i vann). Målingene er foretatt fra helikopter av Norges Geologiske Undersøkelse (NGU) og er en samfinansiering mellom NGU og geologisamarbeidet Buskerud Telemark Vestfold. Se også side 10. Langangen Bjønnes Sandøya Langesund Helgeroa Brunlanes 19
Regiongeologen Buskerud Telemark Vestfold Samarbeidsprogrammer: 1. Geologiske ressurser 2. Geologiske attraksjoner 3. Geofarer, miljø og helse Thoriumholdig rødberg. Gruveåsen, Fensfeltet. Foto: S.Dahlgren