На фоне глобального возрождения интереса к проектам в области атомной энергетики вопросы о том, где и как утилизировать ядерные отходы, остаются политически острыми. Например, в Соединенных Штатах реализация единственного проекта долгосрочного подземного хранилища ядерных отходов остановлена на неопределенный срок. Ученые активно используют методы моделирования и реальные эксперименты для изучения последствий подземного захоронения, надеясь в конечном счете укрепить общественное доверие к процессу принятия решений в этой сфере.
Новое исследование, проведенное учеными из Массачусетского технологического института (MIT), Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли и Орлеанского университета, знаменует собой важный шаг в этом направлении. Работа демонстрирует, что результаты моделирования взаимодействий в подземном хранилище ядерных отходов, полученные с помощью нового программного обеспечения для высокопроизводительных вычислений, хорошо согласуются с экспериментальными данными, собранными в исследовательском центре в Швейцарии.
Даурен Сарсенбаев, аспирант MIT и первый автор исследования, поясняет, что новые мощные вычислительные инструменты в сочетании с реальными экспериментами, подобными тем, что проводятся на исследовательской площадке Мон-Терри в Швейцарии, помогают понять, как радионуклиды будут перемещаться в сложных подземных системах. Его соавторами выступили доцент Харуко Уэйнрайт, а также Кристоф Турнасса и Карл Стифел.
Авторы надеются, что их работа укрепит уверенность политиков и общественности в долгосрочной безопасности подземного захоронения ядерных отходов. Харуко Уэйнрайт добавляет, что это исследование, объединяющее вычисления и эксперименты, имеет решающее значение для повышения уверенности в оценках безопасности захоронения отходов. Она подчеркивает, что на фоне возрождения ядерной энергетики как ключевого инструмента для борьбы с изменением климата и обеспечения энергетической безопасности крайне важно подтвердить надежность путей утилизации.
Захоронение высокоактивных радиоактивных отходов в глубоких геологических формациях в настоящее время считается самым безопасным долгосрочным решением. В связи с этим значительные усилия направлены на изучение миграции радионуклидов из отходов в различных природных и искусственных геологических материалах. С момента своего основания в 1996 году исследовательский полигон Мон-Терри на севере Швейцарии служит важной испытательной площадкой для международного консорциума ученых, изучающих такие материалы, как опалиновая глина — плотная, водонепроницаемая глинистая порода, широко распространенная в туннелях горы.
Сарсенбаев объясняет, что этот объект считается одной из самых ценных в мире экспериментальных площадок, поскольку он предоставляет данные за десятилетия о взаимодействии цемента и глины — ключевых материалов, которые предлагаются к использованию в разных странах для создания инженерных барьерных систем и геологических хранилищ ядерных отходов, или ПГЗРО.
В своем исследовании Сарсенбаев и Уэйнрайт сотрудничали с Турнасса и Стифелом, разработчиками программного обеспечения для высокопроизводительных вычислений, которое улучшает моделирование взаимодействия ядерных отходов как с инженерными, так и с природными материалами. До сих пор понимание этих реакций было ограничено несколькими факторами, включая неоднородность материалов глубоко под землей и тот факт, что существующие модели не учитывали электростатические эффекты, связанные с отрицательно заряженными минералами глины.
Новое программное обеспечение CrunchODiTi, разработанное на базе известной программы CrunchFlow и обновленное в этом году, учитывает эти электростатические эффекты. Оно предназначено для параллельной работы на множестве высокопроизводительных компьютеров. Для исследования ученые проанализировали данные 13-летнего эксперимента, в ходе которого в скважину рядом с цементной закладкой была добавлена смесь отрицательно и положительно заряженных ионов. Особое внимание было уделено зоне толщиной в один сантиметр между радионуклидами и цементно-глиняной породой, названной «кожей». Сравнив экспериментальные результаты с компьютерной симуляцией, ученые обнаружили высокое совпадение данных.
По словам Сарсенбаева, результаты весьма значительны, так как ранее подобные модели плохо согласовывались с полевыми данными. Он отмечает, как интересно, что мелкомасштабные явления на «коже» между цементом и глиной, физические и химические свойства которой меняются со временем, могут быть использованы для согласования экспериментальных и симуляционных данных. Результаты подтвердили, что модель успешно учитывает электростатические эффекты и взаимодействие материалов в Мон-Терри. Эти данные убедительно свидетельствуют о том, что на границе раздела происходит осаждение минералов и закупорка пор, как и предполагалось ранее.
Новая модель может заменить старые, которые использовались для оценки безопасности и эффективности подземных геологических хранилищ. Сарсенбаев говорит, что если США в конечном итоге решат разместить ядерные отходы в геологическом хранилище, эти модели смогут подсказать наиболее подходящие материалы. Например, сейчас глина считается подходящей средой, но соляные формации — еще один потенциальный вариант. Модели позволяют увидеть судьбу радионуклидов на протяжении тысячелетий. Он добавляет, что в будущем для создания менее ресурсоемких суррогатных моделей может быть использовано машинное обучение.
Команда планирует сравнить новые данные, которые станут доступны в ближайшее время, с дополнительными симуляциями. В заключение Сарсенбаев отмечает, что девиз факультета ядерной науки и инженерии MIT — «Наука. Системы. Общество», и это междисциплинарное исследование, по его мнению, объединяет все три области, демонстрируя способность предсказывать судьбу радионуклидов под землей.