E se houvesse uma forma de resolver um dos obstáculos mais significativos à utilização da energia nuclear – a eliminação de resíduos nucleares de alto nível (HLW)? Dauren Sarsenbayev, estudante de doutorado do terceiro ano do Departamento de Ciência e Engenharia Nuclear (NSE) do MIT, está enfrentando o desafio como parte de sua pesquisa.
Sarsenbayev concentra-se em um dos principais problemas relacionados ao HLW: o calor de decomposição liberado pelos resíduos radioativos. A premissa básica da sua solução é extrair o calor do combustível irradiado, o que atende simultaneamente a dois objetivos: obter mais energia de um recurso existente livre de carbono e, ao mesmo tempo, diminuir os desafios associados ao armazenamento e manuseio de HLW. “O valor da energia livre de carbono continua a aumentar a cada ano e queremos extrair o máximo possível”, explica Sarsenbayev.
Embora a gestão e eliminação seguras de resíduos de alta qualidade tenham registado progressos significativos, pode haver formas mais criativas de gerir ou aproveitar os resíduos. Tal medida seria especialmente importante para a aceitação da energia nuclear pelo público. “Estamos reformulando o problema dos resíduos nucleares, transformando-os de um passivo em uma fonte de energia”, diz Sarsenbayev.
As nuances da energia nuclear
Sarsenbayev teve que se reformular um pouco na forma como through a energia nuclear. Tendo crescido em Almaty, a maior cidade do Cazaquistão, o trauma colectivo dos testes nucleares soviéticos pairou sobre a consciência pública. Não só o país, que já fez parte da União Soviética, carrega as cicatrizes dos testes de armas nucleares, como o Cazaquistão é o maior produtor mundial de urânio. É difícil escapar da psique coletiva de tal legado.
Ao mesmo tempo, Sarsenbayev through Almaty, sua terra natal, sufocar sob a forte poluição todos os invernos, devido à queima de combustíveis fósseis para obter calor. Determinado a fazer a sua parte para acelerar o processo de descarbonização, Sarsenbayev gravitou para estudos de graduação em engenharia ambiental na Universidade Cazaque-Alemã. Foi durante este período que Sarsenbayev percebeu que praticamente todas as fontes de energia, mesmo as promissoras renováveis, apresentavam desafios, e decidiu que a energia nuclear period o caminho a seguir para a sua energia fiável e de baixo carbono. “Fui exposto à poluição atmosférica desde a infância; o horizonte seria simplesmente negro. O maior incentivo para mim com a energia nuclear foi que, desde que o fizéssemos corretamente, as pessoas poderiam respirar um ar mais limpo”, diz Sarsenbayev.
Estudando o transporte de radionuclídeos
Parte de “fazer nuclear adequadamente” envolve estudar – e prever de forma confiável – o comportamento a longo prazo dos radionuclídeos em repositórios geológicos.
Sarsenbayev descobriu o interesse em estudar gestão de resíduos nucleares durante um estágio no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley quando period estudante de graduação.
Enquanto estava em Berkeley, Sarsenbayev concentrou-se na modelagem do transporte de radionuclídeos do sistema de barreira do repositório de resíduos nucleares para a rocha hospedeira circundante. Ele descobriu como usar as ferramentas do comércio para prever o comportamento a longo prazo. “Quando estudante, fiquei realmente fascinado com o quão longe no futuro algo poderia ser previsto. É como prever o que as gerações futuras encontrarão”, diz Sarsenbayev.
O momento do estágio em Berkeley foi fortuito. Foi no laboratório que ele trabalhou Haruko Murakami Wainwrightque estava começando no MIT NSE. (Wainwright é professor de desenvolvimento de carreira da Mitsui em tecnologia contemporânea e professor assistente de NSE e de engenharia civil e ambiental).
Procurando prosseguir estudos de pós-graduação na área de gestão de resíduos nucleares, Sarsenbayev seguiu Wainwright para o MIT, onde pesquisou ainda mais a modelagem do transporte de radionuclídeos. Ele é o primeiro autor de um papel que detalha mecanismos para aumentar a robustez dos modelos que descrevem o transporte de radionuclídeos. O trabalho captura a complexidade das interações entre componentes de barreira projetados, incluindo materiais à base de cimento e barreiras de argila, o meio típico proposto para o armazenamento e descarte de combustível nuclear irradiado.
Sarsenbayev está satisfeito com os resultados da previsão do modelo, que reflete de perto os experimentos conduzidos no Native de pesquisa Mont Terri na Suíça, famosa pelos estudos das interações entre cimento e argila. “Tive a sorte de trabalhar com o Doutor Carl Steefel e o Professor Christophe Tournassat, grandes especialistas em geoquímica computacional”, diz ele.
Os mecanismos de transporte da vida actual envolvem muitos processos físicos e químicos, cujas complexidades aumentam dramaticamente o tamanho do modelo computacional. A modelagem de transporte reativo – que combina a simulação de fluxo de fluidos, reações químicas e transporte de substâncias através de meios subterrâneos – evoluiu significativamente nas últimas décadas. No entanto, a execução de simulações precisas traz vantagens: o software program pode exigir de dias a semanas de tempo de computação em clusters de alto desempenho executados em paralelo.
Para chegar a resultados mais rapidamente e poupar tempo de computação, Sarsenbayev está a desenvolver uma estrutura que integra “modelos substitutos” baseados em IA, que treinam em dados simulados e aproximam os sistemas físicos. Os algoritmos de IA fazem previsões do comportamento dos radionuclídeos de forma mais rápida e menos intensiva em termos computacionais do que o equivalente tradicional.
Foco de pesquisa de doutorado
Sarsenbayev também está a utilizar a sua experiência em modelação no seu trabalho de doutoramento primário – na avaliação do potencial do combustível nuclear irradiado como fonte de energia geotérmica antropogénica. “Na verdade, o calor geotérmico deve-se em grande parte ao decaimento pure dos radioisótopos na crosta terrestre, pelo que a utilização do calor de decaimento do combustível irradiado é conceptualmente semelhante”, diz ele. Uma lata de lixo nuclear pode gerar, sob hipóteses conservadoras, a energia equivalente a 1.000 metros quadrados (pouco menos de um quarto de acre) de painéis solares.
Como o potencial de calor de um recipiente é significativo – um recipiente típico (dependendo de quanto tempo foi resfriado na piscina de combustível irradiado) tem uma temperatura de cerca de 150 graus Celsius – mas não enorme, a extração de calor dessa fonte utiliza um processo chamado sistema de ciclo binário. Nesse sistema, o calor é extraído indiretamente: o recipiente aquece um circuito fechado de água, que por sua vez transfere esse calor para um fluido secundário de baixo ponto de ebulição que alimenta a turbina.
O trabalho de Sarsenbayev desenvolve um modelo conceitual de um sistema geotérmico de ciclo binário alimentado por calor proveniente de resíduos radioativos de alto nível. Os primeiros resultados da modelagem foram publicado e parece promissor. Embora o potencial para tal extração de energia esteja na fase de prova de conceito na modelagem, Sarsenbayev tem esperança de que terá sucesso quando traduzido para a prática. “Converter um passivo em fonte de energia é o que queremos, e esta solução cumpre”, diz ele.
Apesar do trabalho ser exaustivo – “Sou quase obcecado e adoro o meu trabalho” – Sarsenbayev encontra tempo para escrever poesia reflexiva tanto em cazaque, a sua língua nativa, como em russo, que aprendeu enquanto crescia. Ele também é apaixonado por astrofotografia, tirando fotos de corpos celestes. Encontrar o céu noturno certo pode ser um desafio, mas os desfiladeiros perto de sua casa em Almaty são especialmente adequados. Ele participa de sessões fotográficas sempre que visita sua casa nas férias, e seu amor por Almaty transparece. “Almaty significa ‘o lugar onde as maçãs se originaram’. Esta parte da Ásia Central é muito bonita; embora tenhamos poluição ambiental, este é um lugar com uma história rica”, afirma Sarsenbayev.
Sarsenbayev está especialmente interessado em encontrar formas de comunicar as artes e as ciências às gerações futuras. “Obviamente, você precisa ser tecnicamente rigoroso e acertar na modelagem, mas também precisa entender e transmitir a imagem mais ampla do motivo pelo qual está fazendo o trabalho, qual é o objetivo last”, diz ele. Através dessa perspectiva, o impacto do trabalho de doutorado de Sarsenbayev é significativo. O objetivo last? Eliminar o gargalo para a adoção da energia nuclear, produzindo energia livre de carbono e garantindo a eliminação segura de resíduos radioativos.