По мере того как в разных странах мира вновь активизируются проекты в области ядерной энергетики, вопросы о том, где и как утилизировать ядерные отходы, остаются столь же политически острыми, как и прежде. Например, в Соединённых Штатах Америки на неопределённый срок приостановлено создание единственного долгосрочного подземного хранилища ядерных отходов.
Учёные используют как моделирование, так и экспериментальные методы для изучения последствий подземного захоронения ядерных отходов. В конечном итоге они надеются укрепить доверие общественности к процессу принятия решений.
Новое исследование
Новое исследование, проведённое учёными из Массачусетского технологического института (MIT), Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли и Университета Орлеана, продвигает нас в этом направлении. Исследование показывает, что симуляции взаимодействия ядерных отходов под землёй, созданные с помощью нового высокопроизводительного программного обеспечения для вычислений, хорошо согласуются с экспериментальными результатами, полученными на исследовательском объекте в Швейцарии.
Исследование, соавторами которого являются докторант MIT Даурен Сарсенбаев и доцент Харуко Уэйнрайт вместе с Кристофером Турнассатом и Карлом Стифелем, опубликовано в журнале PNAS.
«Эти мощные новые вычислительные инструменты в сочетании с экспериментами в реальных условиях, такими как исследования на полигоне Мон-Терри в Швейцарии, помогают нам понять, как радионуклиды будут мигрировать в связанных подземных системах», — говорит Сарсенбаев, который является первым автором нового исследования.
Авторы надеются, что исследование повысит доверие среди политиков и общественности к долгосрочной безопасности подземного захоронения ядерных отходов.
«Это исследование, сочетающее вычисления и эксперименты, важно для повышения нашей уверенности в оценках безопасности захоронения отходов», — говорит Уэйнрайт. «Поскольку ядерная энергетика вновь становится ключевым источником для решения проблемы изменения климата и обеспечения энергетической безопасности, крайне важно подтвердить пути утилизации».
Сравнение симуляций с экспериментами
Размещение ядерных отходов в глубоких подземных геологических формациях в настоящее время считается самым безопасным долгосрочным решением для управления высокорадиоактивными отходами. Поэтому были приложены значительные усилия для изучения поведения миграции радионуклидов из ядерных отходов в различных природных и инженерных геологических материалах.
С момента своего основания в 1996 году исследовательский полигон Мон-Терри на севере Швейцарии служит важным испытательным полигоном для международного консорциума исследователей, заинтересованных в изучении таких материалов, как глина Опалинус — толстая водонепроницаемая глинистая порода, изобилующая в туннельных участках горы.
«Он широко известен как один из наиболее ценных экспериментальных площадок в реальных условиях, поскольку предоставляет нам десятилетия наборов данных о взаимодействии цемента и глины, а это ключевые материалы, которые страны мира предлагают использовать для инженерных барьерных систем и геологических хранилищ ядерных отходов», — объясняет Сарсенбаев.
Для своего исследования Сарсенбаев и Уэйнрайт сотрудничали с соавторами Турнассатом и Стифелем, которые разработали высокопроизводительное программное обеспечение для улучшения моделирования взаимодействия между ядерными отходами и инженерными и природными материалами.
До сих пор учёные сталкивались с рядом проблем, ограничивающих их понимание того, как ядерные отходы взаимодействуют с цементно-глиняными барьерами. Во-первых, барьеры состоят из неравномерно смешанных материалов, расположенных глубоко под землёй. Во-вторых, существующий класс моделей, обычно используемых для моделирования взаимодействия радионуклидов с цементом и глиной, не учитывает электростатические эффекты, связанные с отрицательно заряженными глинистыми минералами в барьерах.
Новое программное обеспечение Турнассата и Стифеля учитывает электростатические эффекты, что делает его единственным, способным моделировать такие взаимодействия в трёхмерном пространстве. Программное обеспечение под названием CrunchODiTi было разработано на основе установленного программного обеспечения, известного как CrunchFlow, и было недавно обновлено в этом году. Оно предназначено для одновременного запуска на нескольких высокопроизводительных компьютерах.
Для исследования учёные изучили 13-летний эксперимент, первоначально сосредоточив внимание на взаимодействии цементно-глиняных пород. В течение последних нескольких лет в скважину, расположенную вблизи центра цемента, заложенного в пласте, добавляли смесь как отрицательно, так и положительно заряженных ионов. Исследователи сосредоточились на 1-сантиметровой зоне между радионуклидами и цементом-глиной, называемой «кожей». Они сравнили свои экспериментальные результаты с программным моделированием, обнаружив, что два набора данных совпадают.
«Результаты весьма значимы, поскольку ранее эти модели не очень хорошо соответствовали полевым данным», — говорит Сарсенбаев. «Интересно, как мелкомасштабные явления на «коже» между цементом и глиной, физические и химические свойства которых меняются со временем, могут быть использованы для согласования экспериментальных данных и данных моделирования».
Экспериментальные результаты показали, что модель успешно учитывает электростатические эффекты, связанные с глинозёмкой формацией, и взаимодействие между материалами в Мон-Терри с течением времени.
«Всё это основано на десятилетиях работы по пониманию того, что происходит на этих границах», — говорит Сарсенбаев. «Выдвигалась гипотеза о том, что на этой границе происходит осаждение минералов и закупорка пор, и наши результаты убедительно подтверждают это».
«Это приложение требует миллионов степеней свободы, потому что эти многобарьерные системы требуют высокого разрешения и большой вычислительной мощности», — говорит Сарсенбаев. «Это программное обеспечение идеально подходит для эксперимента на Мон-Терри».
Оценка планов по утилизации отходов
Новая модель может заменить старые модели, которые использовались для проведения оценок безопасности и производительности подземных геологических хранилищ.
«Если США в конечном итоге решат утилизировать ядерные отходы в геологическом хранилище, то эти модели могут определить наиболее подходящие материалы для использования», — говорит Сарсенбаев. «Например, в настоящее время глина считается подходящим материалом для хранения, но соляные пласты — это ещё одна потенциальная среда, которую можно использовать. Эти модели позволяют нам увидеть судьбу радионуклидов на протяжении тысячелетий. Мы можем использовать их для понимания взаимодействий в промежутки времени от месяцев до лет и до многих миллионов лет».
Сарсенбаев говорит, что модель достаточно доступна для других исследователей, и что будущие усилия могут быть сосредоточены на использовании машинного обучения для разработки менее дорогостоящих в вычислительном отношении суррогатных моделей.
Дальнейшие данные эксперимента будут доступны позже в этом месяце. Команда планирует сравнить эти данные с дополнительными симуляциями.
«Наши коллеги получат этот блок цемента и глины и смогут провести эксперименты, чтобы определить точную толщину «кожи» вместе со всеми минералами и процессами, присутствующими на этой границе», — говорит Сарсенбаев. «Это огромный проект, требующий времени, но мы хотели как можно скорее поделиться первоначальными данными и этим программным обеспечением».
На данный момент исследователи надеются, что их исследование приведёт к долгосрочному решению для хранения ядерных отходов, которое может поддержать политики и общественность.
«Это междисциплинарное исследование, включающее эксперименты в реальных условиях, показывающее, что мы можем предсказать судьбу радионуклидов в подземных условиях», — говорит Сарсенбаев. «Девиз факультета ядерной науки и инженерии MIT — «Наука. Системы. Общество». Я думаю, что это объединяет все три области».
1. Какие проблемы учёные пытались решить в исследовании, и как новое программное обеспечение помогает в этом?
В исследовании учёные пытались решить проблемы, связанные с пониманием взаимодействия ядерных отходов с цементно-глиняными барьерами. Новое программное обеспечение CrunchODiTi учитывает электростатические эффекты, что позволяет более точно моделировать взаимодействие радионуклидов с цементом и глиной в трёхмерном пространстве.
2. Почему исследование, проведённое учёными из Массачусетского технологического института (MIT), Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли и Университета Орлеана, важно для повышения доверия к долгосрочной безопасности подземного захоронения ядерных отходов?
Исследование важно, поскольку оно демонстрирует, что симуляции взаимодействия ядерных отходов под землёй, созданные с помощью нового высокопроизводительного программного обеспечения для вычислений, хорошо согласуются с экспериментальными результатами. Это повышает доверие к долгосрочной безопасности подземного захоронения ядерных отходов.
3. Какие материалы были изучены в ходе эксперимента, и почему они важны для утилизации ядерных отходов?
В ходе эксперимента были изучены цементно-глиняные породы. Эти материалы важны для утилизации ядерных отходов, поскольку они могут использоваться для создания инженерных барьерных систем и геологических хранилищ ядерных отходов.
4. Какие долгосрочные цели ставят перед собой авторы исследования?
Авторы исследования надеются, что их работа приведёт к долгосрочному решению для хранения ядерных отходов, которое может поддержать политики и общественность. Они также стремятся повысить доверие к процессу принятия решений в области утилизации ядерных отходов.
5. Какие методы использовались учёными для изучения последствий подземного захоронения ядерных отходов, и какие результаты были получены?
Учёные использовали как моделирование, так и экспериментальные методы для изучения последствий подземного захоронения ядерных отходов. Результаты показали, что модель успешно учитывает электростатические эффекты, связанные с глинозёмкой формацией, и взаимодействие между материалами в Мон-Терри с течением времени. Это подтверждает эффективность нового подхода к моделированию.