À medida que os países de todo o mundo experimentam um ressurgimento em projetos de energia nuclear, as questões de onde e como descartar os resíduos nucleares permanecem tão politicamente preocupadas como sempre. Os Estados Unidos, por exemplo, impediram indefinidamente seu único repositório de resíduos nucleares subterrâneos de longo prazo. Os cientistas estão usando métodos de modelagem e experimental para estudar os efeitos do descarte de resíduos nucleares subterrâneos e, finalmente, esperam, constroem confiança do público no processo de tomada de decisão.
Novas pesquisas de cientistas do MIT, Lawrence Berkeley Nationwide Lab e da Universidade de Orléans progredem nessa direção. O estudo mostra que simulações de interações subterrâneas de resíduos nucleares, gerados por um novo software program de computação em alto desempenho, alinhado bem com resultados experimentais de uma instalação de pesquisa na Suíça.
O estudo, co-autor do aluno de doutorado do MIT, Dauren Sarsenbayev, e pelo professor assistente Haruko Wainwright, junto com Christophe Tournassat e Carl Steefel, aparece no diário Pnas.
“Essas poderosas novas ferramentas computacionais, juntamente com experimentos do mundo actual como os do native de pesquisa de Mont Terri, na Suíça, ajudam-nos a entender como os radionuclídeos migrarão em sistemas subterrâneos acoplados”, diz Sarsenbayev, que é o primeiro autor do novo estudo.
Os autores esperam que a pesquisa melhore a confiança entre os formuladores de políticas e o público na segurança a longo prazo do descarte de resíduos nucleares subterrâneos.
“Esta pesquisa – acoplar a computação e os experimentos – é importante para melhorar nossa confiança nas avaliações de segurança de descarte de resíduos”, diz Wainwright. “Com a energia nuclear ressurgindo como uma fonte chave para combater as mudanças climáticas e garantir a segurança energética, é basic validar as vias de descarte”.
Comparando simulações com experimentos
A disposição de resíduos nucleares em formações geológicas subterrâneas profundas é atualmente considerada a solução mais segura de longo prazo para gerenciar resíduos radioativos de alto nível. Como tal, muito esforço foi feito no estudo dos comportamentos de migração dos radionuclídeos de resíduos nucleares em vários materiais geológicos naturais e projetados.
Desde a sua fundação em 1996, o native de pesquisa de Mont Terri, no norte da Suíça, serviu como um importante leito de teste para um consórcio internacional de pesquisadores interessados em estudar materiais como Opalinus Clay-uma argila espessa e à água abundante nas áreas de túneis da montanha.
“É amplamente considerado um dos websites de experimentos do mundo actual mais valiosos, porque nos fornece décadas de conjuntos de dados em torno das interações de cimento e argila, e esses são os principais materiais propostos para serem usados por países em todo o mundo para sistemas de barreira projetados e repositórios geológicos para resíduos nucleares”, explica Sarsenbayev.
Para seu estudo, Sarsenbayev e Wainwright colaboraram com os co-autores Tournassat e Steefel, que desenvolveram software program de computação de alto desempenho para melhorar a modelagem de interações entre os resíduos nucleares e os materiais naturais e projetados.
Até o momento, vários desafios têm a compreensão limitada dos cientistas de como os resíduos nucleares reagem com barreiras de argila de cimento. Por um lado, as barreiras são compostas por materiais irregulares misturados no subsolo. Além disso, a classe de modelos existente comumente usada para simular interações com radionuclídeos com argila de cimento não leva em consideração os efeitos eletrostáticos associados aos minerais de argila carregados negativamente nas barreiras.
O novo software program do Tournassat e Steefel é responsável por efeitos eletrostáticos, tornando-o o único que pode simular essas interações no espaço tridimensional. O software program, chamado Crunchoditi, foi desenvolvido a partir de software program estabelecido conhecido como Crunchflow e foi atualizado mais recentemente este ano. Ele foi projetado para ser executado em muitos computadores de alto desempenho ao mesmo tempo em paralelo.
Para o estudo, os pesquisadores analisaram um experimento de 13 anos, com um foco inicial nas interações rochosas de argila de cimento. Nos últimos anos, uma mistura de íons carregados negativamente e positivamente foi adicionada ao poço localizado próximo ao centro do cimento colocado na formação. Os pesquisadores se concentraram em uma zona de 1 centímetros de espessura entre os radionuclídeos e a argila de cimento chamado de “pele”. Eles compararam seus resultados experimentais com a simulação de software program, encontrando os dois conjuntos de dados alinhados.
“Os resultados são bastante significativos porque anteriormente, esses modelos não se encaixariam muito bem em dados de campo”, diz Sarsenbayev. “É interessante como os fenômenos em escala fina na ‘pele’ entre cimento e argila, cujas propriedades físicas e químicas mudam com o tempo, podem ser usadas para conciliar os dados experimentais e de simulação”.
Os resultados experimentais mostraram que o modelo foi responsável pelos efeitos eletrostáticos associados à formação rica em argila e à interação entre os materiais no Mont Terri ao longo do tempo.
“Tudo isso é motivado por décadas de trabalho para entender o que acontece nessas interfaces”, diz Sarsenbayev. “Foi levantada a hipótese de que há precipitação mineral e porosidade entupindo nessa interface, e nossos resultados sugerem fortemente isso.”
“Este aplicativo requer milhões de graus de liberdade, porque esses sistemas multibarrieres requerem alta resolução e muito poder computacional”, diz Sarsenbayev. “Este software program é realmente very best para o experimento Mont Terri”.
Avaliação de planos de descarte de resíduos
O novo modelo agora pode substituir os modelos mais antigos que foram usados para realizar avaliações de segurança e desempenho de repositórios geológicos subterrâneos.
“Se os EUA decidirem descartar resíduos nucleares em um repositório geológico, esses modelos poderão ditar os materiais mais apropriados para usar”, diz Sarsenbayev. “Por exemplo, agora a argila é considerada um materials de armazenamento apropriado, mas as formações de sal são outro meio potencial que pode ser usado. Esses modelos nos permitem ver o destino dos radionuclídeos ao longo de milênios. Podemos usá -los para entender as interações em tempo que variam de meses a anos a muitos milhões de anos”.
Sarsenbayev diz que o modelo é razoavelmente acessível a outros pesquisadores e que esforços futuros podem se concentrar no uso do aprendizado de máquina para desenvolver modelos substitutos menos caros computacionalmente caros.
Mais dados do experimento estarão disponíveis ainda este mês. A equipe planeja comparar esses dados com simulações adicionais.
“Nossos colaboradores basicamente obterão esse bloco de cimento e argila, e eles poderão executar experimentos para determinar a espessura exata da pele, juntamente com todos os minerais e processos presentes nesta interface”. Sarsenbayev diz. “É um projeto enorme e leva tempo, mas queríamos compartilhar dados iniciais e esse software program o mais rápido possível”.
Por enquanto, os pesquisadores esperam que seu estudo leve a uma solução de longo prazo para armazenar resíduos nucleares que os formuladores de políticas e o público podem apoiar.
“Este é um estudo interdisciplinar que inclui experimentos do mundo actual, mostrando que somos capazes de prever o destino dos radionuclídeos na subsuperfície”, diz Sarsenbayev. “O lema do Departamento de Ciência e Engenharia Nuclear do MIT é ‘Science. Techniques. Society’. Eu acho que isso mescla todos os três domínios. ”