Was wäre, wenn es eine Möglichkeit gäbe, eines der größten Hindernisse für die Nutzung der Kernenergie zu lösen – die Entsorgung hochradioaktiven Atommülls (HLW)? Dauren Sarsenbayev, ein Doktorand im dritten Jahr am MIT Division of Nuclear Science and Engineering (NSE), stellt sich dieser Herausforderung im Rahmen seiner Forschung.
Sarsenbayev konzentriert sich auf eines der Hauptprobleme im Zusammenhang mit HAW: die Zerfallswärme, die durch radioaktive Abfälle freigesetzt wird. Die Grundvoraussetzung seiner Lösung besteht darin, die Wärme aus abgebrannten Brennelementen zu gewinnen, was gleichzeitig zwei Zielen dient: mehr Energie aus einer vorhandenen kohlenstofffreien Ressource zu gewinnen und gleichzeitig die Herausforderungen im Zusammenhang mit der Lagerung und Handhabung von HAW zu verringern. „Der Wert kohlenstofffreier Energie steigt jedes Jahr weiter und wir wollen so viel wie möglich davon gewinnen“, erklärt Sarsenbayev.
Während bei der sicheren Verwaltung und Entsorgung von HAW erhebliche Fortschritte erzielt wurden, gibt es möglicherweise kreativere Möglichkeiten, den Abfall zu verwalten oder zu nutzen. Ein solcher Schritt wäre besonders wichtig für die Akzeptanz der Kernenergie in der Bevölkerung. „Wir definieren das Downside des Atommülls neu und verwandeln ihn von einer Belastung in eine Energiequelle“, sagt Sarsenbajew.
Die Nuancen der Atomkraft
Sarsenbajew musste seine Wahrnehmung der Kernenergie etwas überdenken. Als ich in Almaty, der größten Stadt Kasachstans, aufwuchs, prägte das kollektive Trauma der sowjetischen Atomtests das öffentliche Bewusstsein. Das Land, das einst Teil der Sowjetunion conflict, trägt nicht nur die Narben der Atomwaffentests, Kasachstan ist auch der weltweit größte Uranproduzent. Es ist schwer, der kollektiven Psyche eines solchen Erbes zu entkommen.
Gleichzeitig sah Sarsenbajew, wie seine Heimatstadt Almaty jeden Winter unter starkem Smog erstickte, weil fossile Brennstoffe zur Wärmegewinnung verbrannt wurden. Sarsenbayev conflict fest entschlossen, seinen Teil zur Beschleunigung des Prozesses der Dekarbonisierung beizutragen, und entschied sich für ein Grundstudium der Umweltingenieurwissenschaften an der Kasachisch-Deutschen Universität. In dieser Zeit erkannte Sarsenbajew, dass praktisch jede Energiequelle, auch die vielversprechenden erneuerbaren, mit Herausforderungen verbunden conflict, und entschied, dass Atomkraft der richtige Weg für eine zuverlässige, kohlenstoffarme Energieversorgung sei. „Seit meiner Kindheit conflict ich der Luftverschmutzung ausgesetzt; der Horizont conflict einfach nur schwarz. Der größte Anreiz für mich bei der Kernenergie conflict, dass die Menschen sauberere Luft atmen konnten, solange wir sie richtig machten“, sagt Sarsenbajew.
Untersuchung des Transports von Radionukliden
Ein Teil der „richtigen Kernenergie“ besteht darin, das langfristige Verhalten von Radionukliden in geologischen Endlagern zu untersuchen und zuverlässig vorherzusagen.
Während eines Praktikums am Lawrence Berkeley Nationwide Laboratory als Juniorstudent entdeckte Sarsenbayev sein Interesse am Studium der Entsorgung nuklearer Abfälle.
Während seiner Zeit in Berkeley konzentrierte sich Sarsenbayev auf die Modellierung des Transports von Radionukliden vom Barrierensystem des Atommülllagers zum umgebenden Wirtsgestein. Er entdeckte, wie man die Werkzeuge des Handels nutzt, um langfristiges Verhalten vorherzusagen. „Als Pupil conflict ich wirklich fasziniert davon, wie weit man etwas in der Zukunft vorhersagen kann. Es ist so, als würde man vorhersehen, was zukünftige Generationen erleben werden“, sagt Sarsenbajew.
Der Zeitpunkt des Berkeley-Praktikums conflict zufällig. Es conflict das Labor, mit dem er zusammenarbeitete Haruko Murakami Wainwrightdie selbst am MIT NSE angefangen hat. (Wainwright ist Mitsui Profession Growth Professor für zeitgenössische Technologie und Assistenzprofessor für NSE sowie für Bau- und Umweltingenieurwesen).
Auf der Suche nach einem weiterführenden Studium im Bereich der Entsorgung nuklearer Abfälle folgte Sarsenbayev Wainwright zum MIT, wo er sich weiter mit der Modellierung des Radionuklidtransports beschäftigte. Er ist der erste Autor auf einem Papier Darin werden Mechanismen zur Erhöhung der Robustheit von Modellen beschrieben, die den Transport von Radionukliden beschreiben. Die Arbeit erfasst die Komplexität der Wechselwirkungen zwischen technischen Barrierekomponenten, einschließlich zementbasierter Materialien und Tonbarrieren, dem typischen Medium, das für die Lagerung und Entsorgung abgebrannter Kernbrennstoffe vorgeschlagen wird.
Sarsenbayev ist mit den Ergebnissen der Modellvorhersage zufrieden, die den am Institut durchgeführten Experimenten sehr nahe kommen Forschungsstandort Mont Terri in der Schweiz, bekannt für Studien zu den Wechselwirkungen zwischen Zement und Ton. „Ich hatte das Glück, mit Doktor Carl Steefel und Professor Christophe Tournassat zusammenzuarbeiten, führenden Experten für computergestützte Geochemie“, sagt er.
An realen Transportmechanismen sind viele physikalische und chemische Prozesse beteiligt, deren Komplexität die Größe des Rechenmodells dramatisch erhöht. Die reaktive Transportmodellierung – die die Simulation von Flüssigkeitsströmungen, chemischen Reaktionen und dem Transport von Stoffen durch unterirdische Medien kombiniert – hat sich in den letzten Jahrzehnten erheblich weiterentwickelt. Die Durchführung genauer Simulationen ist jedoch mit Kompromissen verbunden: Auf parallel laufenden Hochleistungsclustern kann die Software program Tage bis Wochen Rechenzeit in Anspruch nehmen.
Um durch Einsparung von Rechenzeit schneller zu Ergebnissen zu gelangen, entwickelt Sarsenbayev ein Framework, das KI-basierte „Ersatzmodelle“ integriert, die auf simulierten Daten trainieren und die physikalischen Systeme annähern. Die KI-Algorithmen machen Vorhersagen über das Verhalten von Radionukliden schneller und weniger rechenintensiv als das herkömmliche Äquivalent.
Schwerpunkt der Doktorandenforschung
Sarsenbayev nutzt seine Modellierungskompetenz auch in seiner primären Doktorarbeit – bei der Bewertung des Potenzials abgebrannter Kernbrennstoffe als anthropogene geothermische Energiequelle. „Tatsächlich ist Erdwärme größtenteils auf den natürlichen Zerfall von Radioisotopen in der Erdkruste zurückzuführen, daher ist die Nutzung der Zerfallswärme abgebrannter Brennelemente konzeptionell ähnlich“, sagt er. Ein Kanister mit Atommüll kann unter konservativen Annahmen das Energieäquivalent von 1.000 Quadratmetern (etwas weniger als einem Viertel Acre) Solarpaneelen erzeugen.
Da das Wärmepotenzial eines Kanisters beträchtlich ist – ein typischer Kanister (je nachdem, wie lange er im Lager für abgebrannte Brennelemente gekühlt wurde) hat eine Temperatur von rund 150 Grad Celsius –, aber nicht riesig ist, nutzt die Wärmegewinnung aus dieser Quelle einen Prozess, der als binäres Kreislaufsystem bezeichnet wird. In einem solchen System wird die Wärme indirekt entzogen: Der Kanister erwärmt einen geschlossenen Wasserkreislauf, der diese Wärme wiederum an eine sekundäre Flüssigkeit mit niedrigem Siedepunkt überträgt, die die Turbine antreibt.
Sarsenbayevs Arbeit entwickelt ein konzeptionelles Modell eines geothermischen Methods mit binärem Kreislauf, das mit Wärme aus hochradioaktivem Abfall betrieben wird. Frühe Modellierungsergebnisse wurden veröffentlicht und sehen vielversprechend aus. Während sich das Potenzial für eine solche Energiegewinnung in der Modellierung im Stadium des Machbarkeitsnachweises befindet, hofft Sarsenbayev, dass es bei der Umsetzung in die Praxis zum Erfolg führen wird. „Wir wollen eine Verbindlichkeit in eine Energiequelle umwandeln, und diese Lösung erfüllt dies“, sagt er.
Obwohl die Arbeit alles in Anspruch nimmt – „ich bin quick besessen von meiner Arbeit und liebe sie“ – findet Sarsenbajew Zeit, reflektierende Gedichte sowohl auf Kasachisch, seiner Muttersprache, als auch auf Russisch zu schreiben, das er als Type gelernt hat. Er ist auch von der Astrofotografie begeistert und fotografiert Himmelskörper. Den richtigen Nachthimmel zu finden, kann eine Herausforderung sein, aber die Schluchten in der Nähe seines Zuhauses in Almaty passen besonders intestine dazu. Wann immer er in den Ferien zu Hause ist, macht er Fotosessions und seine Liebe zu Almaty kommt zum Vorschein. „Almaty bedeutet ‚der Ort, an dem die Äpfel ihren Ursprung haben‘. Dieser Teil Zentralasiens ist sehr schön; Obwohl wir unter Umweltverschmutzung leiden, ist dies ein Ort mit einer reichen Geschichte“, sagt Sarsenbayev.
Sarsenbayev ist besonders daran interessiert, Wege zu finden, um künftigen Generationen sowohl die Künste als auch die Wissenschaften zu vermitteln. „Natürlich muss man technisch anspruchsvoll sein und die Modellierung richtig machen, aber man muss auch das umfassendere Bild davon verstehen und vermitteln, warum man die Arbeit macht und was das Endziel ist“, sagt er. Aus dieser Perspektive ist die Wirkung von Sarsenbajews Doktorarbeit erheblich. Das Endziel? Beseitigung des Engpasses für die Einführung der Kernenergie durch die Erzeugung von kohlenstofffreiem Strom und die Gewährleistung der sicheren Entsorgung radioaktiver Abfälle.