A medida que los países de todo el mundo experimentan un resurgimiento en proyectos de energía nuclear, las cuestiones de dónde y cómo deshacerse de los desechos nucleares siguen siendo tan políticamente tensos como siempre. Estados Unidos, por ejemplo, ha estancado indefinidamente su único repositorio de desechos nucleares subterráneos a largo plazo. Los científicos están utilizando métodos de modelado y experimentales para estudiar los efectos de la eliminación de desechos nucleares subterráneos y, en última instancia, esperan, construyen confianza pública en el proceso de toma de decisiones.
Una nueva investigación de científicos del MIT, el Laboratorio Nacional de Lawrence Berkeley y la Universidad de Orléans avanzan en esa dirección. El estudio muestra que las simulaciones de interacciones subterráneas de residuos nucleares, generadas por un nuevo software de alto rendimiento-computación, alineadas bien con los resultados experimentales de una instalación de investigación en Suiza.
El estudio, que fue coautor de la estudiante de doctorado del MIT, Dauren Sarsenbayev, y el profesor asistente Haruko Wainwright, junto con Christophe Tournassat y Carl Steefel, aparece en el Journal PNAS.
«Estas nuevas y poderosas herramientas computacionales, junto con experimentos del mundo real como los del sitio de investigación de Mont Terri en Suiza, nos ayudan a comprender cómo los radionucleidos migrarán en sistemas subterráneos acoplados», dice Sarsenbayev, quien es el primer autor del nuevo estudio.
Los autores esperan que la investigación mejore la confianza entre los responsables políticos y el público en la seguridad a largo plazo de la eliminación de desechos nucleares subterráneos.
«Esta investigación, acoplando tanto el cálculo como los experimentos, es importante para mejorar nuestra confianza en las evaluaciones de seguridad de eliminación de desechos», dice Wainwright. «Con la energía nuclear resurgiendo como una fuente clave para abordar el cambio climático y garantizar la seguridad energética, es fundamental validar las vías de eliminación».
Comparación de simulaciones con experimentos
La eliminación de desechos nucleares en formaciones geológicas subterráneas profundas se considera actualmente la solución a largo plazo más segura para gestionar los desechos radiactivos de alto nivel. Como tal, se ha realizado mucho esfuerzo para estudiar los comportamientos de migración de los radionucleidos de los desechos nucleares dentro de varios materiales geológicos naturales y diseñados.
Desde su fundación en 1996, el sitio de investigación de Mont Terri en el norte de Suiza ha servido como un importante lecho de prueba para un consorcio internacional de investigadores interesados en estudiar materiales como Opalinus Clay, una arcilla gruesa y acuática abundante en las áreas túnicas de la montaña.
«Es ampliamente considerado como uno de los sitios de experimentos del mundo real más valiosos porque nos proporciona décadas de conjuntos de datos alrededor de las interacciones de cemento y arcilla, y esos son los materiales clave que se proponen ser utilizados por países de todo el mundo para sistemas de barrera de ingeniería y repositorios geológicos para desechos nucleares», explica Sarsenbayev.
Para su estudio, Sarsenbayev y Wainwright colaboraron con los coautores Tournassat y Steefel, que han desarrollado un software informático de alto rendimiento para mejorar el modelado de interacciones entre los desechos nucleares y los materiales de ingeniería y de ingeniería.
Hasta la fecha, varios desafíos tienen una comprensión limitada de los científicos de cómo reaccionan los desechos nucleares con las barreras de arcilla de cemento. Por un lado, las barreras están formadas por materiales irregulares mixtos bajo tierra. Además, la clase existente de modelos comúnmente utilizados para simular las interacciones de radionúclidos con el arcilla de cemento no tiene en cuenta los efectos electrostáticos asociados con los minerales de arcilla cargados negativamente en las barreras.
El nuevo software de Tournassat y Steefel explica los efectos electrostáticos, lo que lo convierte en el único que puede simular esas interacciones en el espacio tridimensional. El software, llamado Crunchoditi, se desarrolló a partir de software establecido conocido como Crunchflow y se actualizó más recientemente este año. Está diseñado para ejecutarse en muchas computadoras de alto rendimiento a la vez en paralelo.
Para el estudio, los investigadores analizaron un experimento de 13 años, con un enfoque inicial en las interacciones de roca de arcilla de cemento. En los últimos años, se agregaron una mezcla de iones cargados negativamente y positivamente al pozo ubicado cerca del centro del cemento emplazado en la formación. Los investigadores se centraron en una zona de 1 centímetro de espesor entre los radionucleidos y el arcilla de cemento denominada «piel». Compararon sus resultados experimentales con la simulación de software, encontrando los dos conjuntos de datos alineados.
«Los resultados son bastante significativos porque anteriormente, estos modelos no se ajustarían muy bien a los datos de campo», dice Sarsenbayev. «Es interesante cómo los fenómenos de escala fina en el ‘piel’ entre el cemento y la arcilla, las propiedades físicas y químicas que cambian con el tiempo, podrían usarse para conciliar los datos experimentales y de simulación».
Los resultados experimentales mostraron que el modelo explicó con éxito los efectos electrostáticos asociados con la formación rica en arcilla y la interacción entre los materiales en Mont Terri con el tiempo.
«Todo esto está impulsado por décadas de trabajo para comprender lo que sucede en estas interfaces», dice Sarsenbayev. «Se ha planteado la hipótesis de que existe la precipitación mineral y la obstrucción de la porosidad en esta interfaz, y nuestros resultados sugieren fuertemente».
«Esta aplicación requiere millones de grados de libertad porque estos sistemas multibarrieres requieren alta resolución y mucha potencia computacional», dice Sarsenbayev. «Este software es realmente ideal para el experimento Mont Terri».
Evaluar los planes de eliminación de desechos
El nuevo modelo ahora podría reemplazar modelos más antiguos que se han utilizado para realizar evaluaciones de seguridad y rendimiento de repositorios geológicos subterráneos.
«Si Estados Unidos finalmente decide eliminar los desechos nucleares en un repositorio geológico, entonces estos modelos podrían dictar los materiales más apropiados para usar», dice Sarsenbayev. «Por ejemplo, en este momento, la arcilla se considera un material de almacenamiento apropiado, pero las formaciones de sal son otro medio potencial que podría usarse. Estos modelos nos permiten ver el destino de los radionucleidos durante milenios. Podemos usarlas para comprender las interacciones en los pasos de tiempo que varían de meses a años a muchos millones de años».
Sarsenbayev dice que el modelo es razonablemente accesible para otros investigadores y que los esfuerzos futuros pueden centrarse en el uso del aprendizaje automático para desarrollar modelos sustitutos menos costosos.
Más datos del experimento estarán disponibles a finales de este mes. El equipo planea comparar esos datos con simulaciones adicionales.
«Nuestros colaboradores básicamente obtendrán este bloque de cemento y arcilla, y podrán ejecutar experimentos para determinar el grosor exacto de la piel junto con todos los minerales y procesos presentes en esta interfaz». Sarsenbayev dice. «Es un gran proyecto y lleva tiempo, pero queríamos compartir los datos iniciales y este software tan pronto como pudiéramos».
Por ahora, los investigadores esperan que su estudio conduzca a una solución a largo plazo para almacenar desechos nucleares que los responsables políticos y el público pueden apoyar.
«Este es un estudio interdisciplinario que incluye experimentos en el mundo real que muestran que podemos predecir el destino de los radionuclides en el subsuelo», dice Sarsenbayev. “El lema del Departamento de Ciencia e Ingeniería Nuclear del MIT es ‘Ciencia. Sistemas. Sociedad’. Creo que esto fusiona los tres dominios «.
