МІТ створив модель, що передбачає поведінку ядерних відходів мільйони років

Вчені Массачусетського технологічного інституту, Національної лабораторії Лоренса Берклі та Університету Орлеану зробили важливий крок у вирішенні одного з найгостріших питань атомної енергетики: куди і як безпечно зберігати високорадіоактивні відходи на тисячоліття вперед. Відповідно до публікації в журналі PNAS, дослідники розробили нову обчислювальну модель, яка вперше точно відтворила результати реального 13-річного підземного експерименту в Швейцарії — і це відкриває шлях до науково обґрунтованого вибору матеріалів для геологічних сховищ ядерних відходів по всьому світу.

Що відомо коротко

• Дослідження зосередилося на взаємодії радіонуклідів із цементно-глиняними бар’єрами у підземних сховищах.
• Ключовий об’єкт — дослідний майданчик Mont Terri у Швейцарії, де глину вивчають з 1996 року.
• Нова програма CrunchODiTi єдина у світі, що моделює електростатичні ефекти глини у тривимірному просторі.
• Симуляції збіглися з польовими даними завдяки врахуванню 1-сантиметрової перехідної зони — «шкіри» між цементом і глиною.
• Модель дозволяє простежити долю радіонуклідів на проміжках від місяців до мільйонів років.

Що це за явище

Геологічне захоронення ядерних відходів — це розміщення високорадіоактивних матеріалів у глибоких підземних сховищах, ізольованих від біосфери за допомогою кількох рівнів захисту: самого відходу, металевих контейнерів, штучних бар’єрів із цементу та глини, а також природних геологічних порід. Більшість країн, що мають ядерну енергетику, включно зі США, Францією, Швейцарією, Фінляндією та Швецією, вважають саме такий підхід єдиним реалістичним довгостроковим рішенням.

Проблема полягає в часових масштабах. Деякі ізотопи в відпрацьованому ядерному паливі залишаються небезпечними сотні тисяч років — наприклад, нептуній-237 має період напіврозпаду 2,14 мільйона років. Жоден матеріал, створений людиною, не має доведеного терміну служби навіть на десяту частину цього часу. Саме тому вчені покладаються на природні геологічні матеріали, передусім на глину, яка формувалася мільйони років і демонструє виняткову стабільність.

Деталі відкриття

Центральним об’єктом нового дослідження став підземний дослідний майданчик Mont Terri у Швейцарії — тунельна лабораторія, розташована в товщі Опалінус-глини (Opalinus clay), відкладеної близько 180 мільйонів років тому. З 1996 року тут працює міжнародний консорціум дослідників, що збирає дані про взаємодію цементу та глини у реальних підземних умовах. Цей майданчик є одним із найцінніших у світі для ядерної безпеки: десятиліття спостережень у ньому неможливо відтворити в лабораторії.

Команда під керівництвом аспіранта МІТ Даурена Сарсенбаєва та доцента Харуко Вейнрайт проаналізувала дані 13-річного польового експерименту: у свердловину в цементі, вмонтованому в Опалінус-глину, вводили суміш позитивно і негативно заряджених іонів (радіонуклідів). Дослідники зосередилися на вузькій — завтовшки лише 1 сантиметр — перехідній зоні між цементом і глиною, яку назвали «шкірою» (skin). Саме тут відбуваються найскладніші хімічні та фізичні процеси, і саме тут попередні моделі завжди давали збої.

Новизна підходу — у програмному забезпеченні CrunchODiTi, розробленому співавторами Кристофом Турнасса і Карлом Стіфелем. На відміну від усіх попередніх моделей, CrunchODiTi враховує електростатичні ефекти негативно заряджених мінералів глини. Ці ефекти суттєво впливають на те, як іони рухаються крізь бар’єр, але вся попередня генерація моделей просто ігнорувала їх. Нова програма також є першою, що виконує такі симуляції у тривимірному просторі, і розроблена для паралельного запуску на кількох потужних суперкомп’ютерах одночасно.

Що показали нові спостереження

Результат виявився переконливим: симуляції, згенеровані CrunchODiTi, збіглися з польовими даними Mont Terri, тоді як попередні моделі цього зробити не могли.

«Результати є доволі значущими, бо раніше ці моделі погано підходили до польових даних», — зазначає Сарсенбаєв. «Цікаво, як тонкомасштабні явища на “шкірі” між цементом і глиною — фізичні та хімічні властивості якої змінюються з часом — дозволили узгодити експериментальні та модельні дані».

Зокрема, модель підтвердила гіпотезу про мінеральне осадження та закупорення пор у зоні «шкіри» — явище, яке довго залишалося теоретичним припущенням. Це означає, що перехідна зона між цементом і глиною з часом може ставати ще більш водонепроникною, ніж відразу після будівництва сховища — і це позитивна новина для безпеки.

Крім того, нова модель здатна враховувати взаємодію матеріалів на проміжках від кількох місяців до мільйонів років — вперше в науковій практиці. Це принципово важливо: радіоактивні речовини, що потрапляють у ґрунт і підземні води, зберігають небезпечні властивості протягом зовсім різних часових горизонтів залежно від конкретного ізотопу.

Чому це важливо для науки

Нові дані з’являються в момент, коли ядерна енергетика переживає глобальне відродження. Країни по всьому світу відкривають нові реактори або продовжують термін служби наявних у відповідь на кліматичну кризу та прагнення до енергетичної незалежності. Більше реакторів неминуче означає більше відходів — і питання про їхнє безпечне зберігання стає все гострішим.

«З ядерною енергетикою, що знову виходить на перший план як ключове джерело у боротьбі зі зміною клімату та забезпеченні енергетичної безпеки, вкрай важливо підтвердити шляхи утилізації відходів», — каже Вейнрайт.

США, зокрема, досі не мають жодного діючого довгострокового підземного сховища: єдиний проект — Yucca Mountain у Неваді — заморожений з політичних причин. Нова модель може суттєво допомогти регуляторам і громадськості сформувати обґрунтоване ставлення до таких сховищ. Глина наразі вважається пріоритетним матеріалом, але модель також дозволяє оцінити альтернативи, як-от соляні формації.

Водночас, якщо ядерні відходи зберігати неналежно, наслідки можуть виявитися катастрофічними — навіть без ядерного вибуху, просто через міграцію радіоактивних частинок крізь підземні води протягом тисячоліть. Саме тому перевірка моделей на реальних даних є не академічною вправою, а нагальною практичною необхідністю.

У перспективі команда планує застосувати машинне навчання для спрощення моделей, щоб зробити їх доступнішими для регуляторів і дослідників по всьому світу без потреби у суперкомп’ютерах.

Цікаві факти

• Опалінус-глина, досліджувана у Mont Terri, формувалася 180 мільйонів років тому — ще за часів юрського періоду. Вона вже пережила безліч геологічних катаклізмів, зберігаючи водонепроникність. Саме цю властивість учені вважають вирішальною для ізоляції відходів.
• Швеція наразі будує сховище ядерних відходів у Форсмарку — мережу тунелів завдовжки 60 кілометрів на глибині 500 метрів у 1,9-мільярднорічному кристалічному фундаменті. Кожен контейнер з відпрацьованим паливом буде загорнутий у 5-метрову мідну капсулу, а потім оточений пресованою бентонітовою глиною.
• Фінляндія першою у світі отримала дозвіл і розпочала будівництво постійного сховища Onkalo — глибоко в скельних породах острова Олкілуото. Саме цей проект надихнув документальний фільм «У вічності» режисера Міккеля Мадсена.
• Розмір «шкіри» між цементом і глиною, яка стала ключем до нового відкриття, становить лише 1 сантиметр — тоншу, ніж палець. Проте саме в цьому мікроскопічному шарі відбуваються хімічні реакції, від яких залежить безпека зберігання ядерних відходів протягом мільйонів років.

FAQ

Чому для ізоляції ядерних відходів обирають саме глину? Глина, особливо бентоніт і аргіліт, має надзвичайно низьку водопроникність: вода через неї практично не рухається, а проникнення відбувається лише шляхом повільної дифузії. До того ж глина має здатність до самозаліковування — при намоканні вона набухає і заповнює тріщини. Це робить її ідеальним природним бар’єром проти міграції радіонуклідів.

Чи гарантовано, що підземне сховище в глині буде безпечним через 100 000 років? Жодна технологія не може дати абсолютних гарантій на такий термін, і науковці цього не стверджують. Завдання досліджень — підвищити рівень обґрунтованої впевненості за допомогою моделей, підтверджених реальними даними. Саме це і зробила нова робота: вперше симуляція збіглася з польовими даними 13-річного реального експерименту, а не лише з лабораторними зразками.

Чи може машинне навчання в майбутньому замінити складні симуляції? Дослідники сподіваються, що так. Поточні симуляції CrunchODiTi вимагають мільйонів ступенів свободи і суперкомп’ютерного часу. Перспективний напрям — навчити спрощені моделі на результатах повних симуляцій, щоб отримувати точні прогнози набагато швидше і з доступним обладнанням.

Вчені знайшли спосіб зберігати ядерні відходи під землею мільйони років з’явилася спочатку на Цікавості.

cikavosti.com