Da Länder auf der ganzen Welt ein Wiederaufleben von Kernergieprojekten erleben, bleiben die Fragen, wo und wie man nuklearer Abfälle entsorgt wird, so politisch belastet wie nie zuvor. Die Vereinigten Staaten haben beispielsweise ihr einziges langfristiges unterirdisches Atomabfall-Repository auf unbestimmte Zeit eingestellt. Wissenschaftler verwenden sowohl Modellierungs- als auch experimentelle Methoden, um die Auswirkungen der Entsorgung unterirdischer Atomabfälle zu untersuchen, und hoffen letztendlich, dass sie das öffentliche Vertrauen in den Entscheidungsprozess aufbauen.
Neue Forschungen von Wissenschaftlern am MIT, Lawrence Berkeley Nationwide Lab und der College of Orléans machen Fortschritte in dieser Richtung. Die Studie zeigt, dass Simulationen von Wechselwirkungen zwischen unterirdischen Nuklearabfällen, die durch neue Hochleistungs-Komputier-Software program erzeugt wurden, intestine mit experimentellen Ergebnissen einer Forschungseinrichtung in der Schweiz ausgerichtet sind.
Die Studie, die von MIT PhD-Studentin Dauren Sarsenbayev und Assistenzprofessor Haruko Wainwright zusammen mit Christophe Tournassat und Carl Steeefel mitautorisiert wurde. erscheint in der Zeitschrift PNAs.
„Diese leistungsstarken neuen Computerwerkzeuge, verbunden mit realen Experimenten wie denjenigen auf dem Mont Terri-Forschungsort in der Schweiz, helfen uns zu verstehen, wie Radionuklide in gekoppelten Untergrundsystemen wandern werden“, sagt Sarsenbayev, der erster Autor der neuen Studie ist.
Die Autoren hoffen, dass die Forschung das Vertrauen der politischen Entscheidungsträger und der Öffentlichkeit in der langfristigen Sicherheit der Entsorgung unterirdischer Atomabfälle verbessern wird.
„Diese Forschung – die Kopplung sowohl Berechnung als auch Experimente – ist wichtig, um unser Vertrauen in Sicherheitsbewertungen von Abfällen zu verbessern“, sagt Wainwright. „Da sich die Kernenergie als wichtige Quelle für die Bekämpfung des Klimawandels und zur Gewährleistung der Energiesicherheit wieder auferlegt, ist es entscheidend, Entsorgungswege zu validieren.“
Vergleich von Simulationen mit Experimenten
Die Entsorgung von Atomabfällen in tief unterirdischen geologischen Formationen wird derzeit als die sicherste langfristige Lösung für die Behandlung von radioaktiven Abfällen auf hoher Ebene angesehen. Daher wurden viel Anstrengung in die Untersuchung des Migrationsverhaltens von Radionukliden aus Atomabfällen in verschiedenen natürlichen und konstruierten geologischen Materialien unternommen.
Seit seiner Gründung im Jahr 1996 conflict das Mont Terri-Forschungsgelände in der nördlichen Schweiz ein wichtiges Testbett für ein internationales Konsortium von Forschern, die sich für die Untersuchung von Materialien wie Opalinus-Ton interessieren-einen dicken, wasserdichten Tonstein in den Tunnelbereichen des Berges.
„Es gilt allgemein als eine der wertvollsten experimentellen Standorte in der Praxis, da es uns jahrzehntelange Datensätze rund um die Wechselwirkungen von Zement und Ton liefert, und dies sind die wichtigsten Materialien, die von Ländern auf der ganzen Welt für technische Barrieresysteme und geologische Repositories für Atomabfälle verwendet werden“, erklärt Sarsenbayev.
Für ihre Studie arbeiteten Sarsenbayev und Wainwright mit Co-Autoren Tournassat und Steeefel zusammen, die eine leistungsstarke Computersoftware entwickelt haben, um die Modellierung von Wechselwirkungen zwischen nuklearem Abfall und sowohl konstruierten als auch natürlichen Materialien zu verbessern.
Bisher haben mehrere Herausforderungen das Verständnis der Wissenschaftler, wie nuklearer Abfall mit Zement-Tonbarrieren reagiert. Zum einen bestehen die Barrieren aus unregelmäßig gemischten Materialien tief unter der Erde. Darüber hinaus berücksichtigen die vorhandene Klasse von Modellen, die üblicherweise zur Simulation von Radionuklid-Wechselwirkungen mit Zementschicht verwendet werden, elektrostatische Effekte nicht, die mit den negativ geladenen Tonmineralien in den Barrieren verbunden sind.
Die neue Software program von Tournassat und Steeefel berücksichtigt elektrostatische Effekte und macht sie die einzige, die diese Interaktionen im dreidimensionalen Raum simulieren kann. Die Software program namens Crunchoditi wurde aus der etablierten Software program entwickelt, die als Crunchflow bekannt ist und zuletzt in diesem Jahr aktualisiert wurde. Es ist so konzipiert, dass es auf vielen Hochleistungs-Computern gleichzeitig gleichzeitig betrieben werden kann.
Für die Studie untersuchten die Forscher ein 13-jähriges Experiment mit einem ersten Fokus auf Zement-Clay-Gesteins-Wechselwirkungen. In den letzten Jahren wurde dem Bohrloch in der Nähe des Zementes der in der Formation befindlichen Bohrloch eine Mischung sowohl negativ als auch positiv geladene Ionen hinzugefügt. Die Forscher konzentrierten sich auf eine 1-Zentimeter-dicke Zone zwischen den Radionukliden und dem Zement-Ton, der als „Haut“ bezeichnet wird. Sie verglichen ihre experimentellen Ergebnisse mit der Softwaresimulation und fanden die beiden Datensätze aus.
„Die Ergebnisse sind sehr wichtig, da diese Modelle zuvor nicht sehr intestine Felddaten passen würden“, sagt Sarsenbayev. „Es ist interessant, wie feines Maßstabphänomen am“ Haut „zwischen Zement und Ton, die physikalischen und chemischen Eigenschaften, deren sich im Laufe der Zeit ändert, verwendet werden, um die experimentellen und Simulationsdaten in Einklang zu bringen.“
Die experimentellen Ergebnisse zeigten, dass das Modell erfolgreich elektrostatische Effekte im Zusammenhang mit der Tonbildung und der Wechselwirkung zwischen Materialien in Mont Terri im Laufe der Zeit berücksichtigte.
„Dies alles wird von Jahrzehnten der Arbeit angetrieben, um zu verstehen, was an diesen Schnittstellen passiert“, sagt Sarsenbayev. „Es wurde angenommen, dass an dieser Grenzfläche mineralische Niederschläge und Porosität vorhanden sind, und unsere Ergebnisse deuten nachdrücklich darauf hin.“
„Diese Anwendung erfordert Millionen von Freiheitsgraden, da diese Multiberziersysteme eine hohe Auflösung und viel Rechenleistung erfordern“, sagt Sarsenbayev. „Diese Software program ist wirklich ideally suited für das Mont Terri -Experiment.“
Bewertung von Abfallentsorgungsplänen
Das neue Modell könnte nun ältere Modelle ersetzen, die zur Durchführung von Sicherheits- und Leistungsbewertungen von unterirdischen geologischen Repositorys verwendet wurden.
„Wenn die USA schließlich beschließen, Atomabfälle in einem geologischen Repository zu entsorgen, könnten diese Modelle die am besten geeigneten Materialien bestimmen“, sagt Sarsenbayev. „Zum Beispiel wird Ton jetzt als geeignetes Lagermaterial angesehen, aber Salzformationen sind ein weiteres potenzielles Medium, das verwendet werden könnte. Diese Modelle ermöglichen es uns, das Schicksal von Radionukliden über Jahrtausende zu erkennen. Wir können sie verwenden, um Interaktionen zu Zeitspannern zu verstehen, die von Monaten bis zu Jahren bis zu vielen Millionen Jahren variieren.“
Laut Sarsenbayev ist das Modell für andere Forscher vernünftigerweise zugänglich und zukünftige Bemühungen könnten sich auf die Verwendung von maschinellem Lernen konzentrieren, um weniger rechnerisch teure Ersatzmodelle zu entwickeln.
Weitere Daten aus dem Experiment werden später in diesem Monat verfügbar sein. Das Staff plant, diese Daten mit zusätzlichen Simulationen zu vergleichen.
„Unsere Mitarbeiter erhalten im Grunde genommen diesen Zement- und Tonblock und können Experimente durchführen, um die genaue Hautdicke zusammen mit allen an dieser Grenzfläche vorhandenen Mineralien und Prozessen zu bestimmen.“ Sarsenbayev sagt. „Es ist ein riesiges Projekt und es braucht Zeit, aber wir wollten die ersten Daten und diese Software program so schnell wie möglich teilen.“
Derzeit hoffen die Forscher, dass ihre Studie zu einer langfristigen Lösung zur Speicherung von Atomabfällen führt, die die politischen Entscheidungsträger und die Öffentlichkeit unterstützen können.
„Dies ist eine interdisziplinäre Studie, die Experimente der realen Welt umfasst, die zeigen, dass wir das Schicksal von Radionukliden im Untergrund vorhersagen können“, sagt Sarsenbayev. „Das Motto des Abteilung für Nuklearwissenschaften und -technik des MIT ist ‚Science. Systeme. Society.‘ Ich denke, das verschmilzt alle drei Domänen. “