Ketika negara -negara di seluruh dunia mengalami kebangkitan dalam proyek -proyek energi nuklir, pertanyaan -pertanyaan tentang di mana dan bagaimana membuang limbah nuklir tetap sama porosnya secara politis seperti biasa. Amerika Serikat, misalnya, telah menghentikan satu-satunya repositori limbah nuklir bawah tanah jangka panjangnya. Para ilmuwan menggunakan metode pemodelan dan eksperimental untuk mempelajari efek pembuangan limbah nuklir bawah tanah dan pada akhirnya, mereka berharap, membangun kepercayaan publik dalam proses pengambilan keputusan.
Penelitian baru dari para ilmuwan di MIT, Lawrence Berkeley National Lab, dan University of Orléans membuat kemajuan ke arah itu. Studi ini menunjukkan bahwa simulasi interaksi limbah nuklir bawah tanah, yang dihasilkan oleh perangkat lunak komputasi kinerja tinggi baru, diselaraskan dengan baik dengan hasil eksperimen dari fasilitas penelitian di Swiss.
Studi ini, yang ditulis bersama oleh mahasiswa MIT PhD Dauren Sarsenbayev dan Asisten Profesor Haruko Wainwright, bersama dengan Christophe Tournassat dan Carl Steefel, muncul di jurnal PNA.
“Alat komputasi baru yang kuat ini, ditambah dengan eksperimen dunia nyata seperti yang ada di situs penelitian Mont Terri di Swiss, membantu kami memahami bagaimana radionuklida akan bermigrasi dalam sistem bawah tanah digabungkan,” kata Sarsenbayev, yang merupakan penulis pertama studi baru.
Para penulis berharap penelitian ini akan meningkatkan kepercayaan diri di antara para pembuat kebijakan dan masyarakat dalam keamanan jangka panjang pembuangan limbah nuklir bawah tanah.
“Penelitian ini – menggabungkan komputasi dan eksperimen – penting untuk meningkatkan kepercayaan diri kami dalam penilaian keselamatan pembuangan limbah,” kata Wainwright. “Dengan energi nuklir yang muncul kembali sebagai sumber utama untuk mengatasi perubahan iklim dan memastikan keamanan energi, sangat penting untuk memvalidasi jalur pembuangan.”
Membandingkan simulasi dengan percobaan
Membuang limbah nuklir dalam formasi geologi bawah tanah yang dalam saat ini dianggap sebagai solusi jangka panjang teraman untuk mengelola limbah radioaktif tingkat tinggi. Dengan demikian, banyak upaya telah dilakukan untuk mempelajari perilaku migrasi radionuklida dari limbah nuklir dalam berbagai bahan geologi alami dan rekayasa.
Sejak didirikan pada tahun 1996, situs penelitian Mont Terri di Swiss utara telah berfungsi sebagai tempat uji penting untuk konsorsium peneliti internasional yang tertarik untuk mempelajari bahan-bahan seperti Opalinus Clay-sebuah batupatung tanah liat tebal yang berlimpah di daerah terowongan gunung.
“Ini secara luas dianggap sebagai salah satu situs eksperimen dunia nyata yang paling berharga karena memberi kita dekade dataset di sekitar interaksi semen dan tanah liat, dan itu adalah bahan utama yang diusulkan untuk digunakan oleh negara-negara di seluruh dunia untuk sistem penghalang yang direkayasa dan repositori geologis untuk limbah nuklir,” jelas Sarsenbayev.
Untuk studi mereka, Sarsenbayev dan Wainwright berkolaborasi dengan rekan penulis Tournassat dan Steefel, yang telah mengembangkan perangkat lunak komputasi berkinerja tinggi untuk meningkatkan pemodelan interaksi antara limbah nuklir dan bahan rekayasa dan alami.
Sampai saat ini, beberapa tantangan memiliki pemahaman para ilmuwan terbatas tentang bagaimana limbah nuklir bereaksi dengan hambatan semen-tanah liat. Untuk satu hal, penghalang terdiri dari bahan campuran yang tidak teratur di bawah tanah. Selain itu, kelas model yang ada yang biasa digunakan untuk mensimulasikan interaksi radionuklida dengan tanah liat semen tidak memperhitungkan efek elektrostatik yang terkait dengan mineral tanah liat bermuatan negatif di hambatan.
Akun perangkat lunak baru Tournassat dan Steefel untuk efek elektrostatik, menjadikannya satu-satunya yang dapat mensimulasikan interaksi tersebut dalam ruang tiga dimensi. Perangkat lunak, yang disebut Crunchoditi, dikembangkan dari perangkat lunak mapan yang dikenal sebagai Crunchflow dan baru -baru ini diperbarui tahun ini. Ini dirancang untuk dijalankan di banyak komputer berkinerja tinggi sekaligus secara paralel.
Untuk penelitian ini, para peneliti melihat eksperimen berusia 13 tahun, dengan fokus awal pada interaksi rock semen-Clay. Dalam beberapa tahun terakhir, campuran ion bermuatan negatif dan positif ditambahkan ke lubang bor yang terletak di dekat pusat semen yang ditempatkan dalam formasi. Para peneliti fokus pada zona setebal 1 sentimeter antara radionuklida dan lempung semen yang disebut sebagai “kulit.” Mereka membandingkan hasil eksperimen mereka dengan simulasi perangkat lunak, menemukan dua dataset yang selaras.
“Hasilnya cukup signifikan karena sebelumnya, model ini tidak akan cocok dengan data lapangan dengan sangat baik,” kata Sarsenbayev. “Sangat menarik bagaimana fenomena skala halus di ‘kulit’ antara semen dan tanah liat, sifat fisik dan kimia yang berubah dari waktu ke waktu, dapat digunakan untuk mendamaikan data eksperimental dan simulasi.”
Hasil eksperimen menunjukkan model berhasil menyumbang efek elektrostatik yang terkait dengan pembentukan yang kaya tanah liat dan interaksi antara bahan di Mont terri dari waktu ke waktu.
“Ini semua didorong oleh beberapa dekade kerja untuk memahami apa yang terjadi di antarmuka ini,” kata Sarsenbayev. “Sudah dihipotesiskan bahwa ada curah hujan mineral dan penyumbatan porositas pada antarmuka ini, dan hasil kami sangat menyarankan itu.”
“Aplikasi ini membutuhkan jutaan derajat kebebasan karena sistem multibarrier ini membutuhkan resolusi tinggi dan banyak kekuatan komputasi,” kata Sarsenbayev. “Perangkat lunak ini sangat ideal untuk percobaan Mont Terri.”
Menilai rencana pembuangan limbah
Model baru sekarang dapat menggantikan model lama yang telah digunakan untuk melakukan penilaian keselamatan dan kinerja repositori geologi bawah tanah.
“Jika AS akhirnya memutuskan untuk membuang limbah nuklir dalam repositori geologis, maka model -model ini dapat menentukan bahan yang paling tepat untuk digunakan,” kata Sarsenbayev. “Misalnya, sekarang tanah liat dianggap sebagai bahan penyimpanan yang tepat, tetapi formasi garam adalah media potensial lain yang dapat digunakan. Model -model ini memungkinkan kita untuk melihat nasib radionuklida selama ribuan tahun. Kita dapat menggunakannya untuk memahami interaksi pada rentang waktu yang bervariasi dari bulan hingga bertahun -tahun hingga jutaan tahun.”
Sarsenbayev mengatakan model ini dapat diakses secara wajar oleh peneliti lain dan bahwa upaya di masa depan dapat fokus pada penggunaan pembelajaran mesin untuk mengembangkan model pengganti yang lebih mahal secara komputasi.
Data lebih lanjut dari percobaan akan tersedia akhir bulan ini. Tim berencana untuk membandingkan data tersebut dengan simulasi tambahan.
“Kolaborator kami pada dasarnya akan mendapatkan blok semen dan tanah liat ini, dan mereka akan dapat menjalankan eksperimen untuk menentukan ketebalan kulit yang tepat bersama dengan semua mineral dan proses yang ada di antarmuka ini,” Sarsenbayev berkata. “Ini adalah proyek besar dan butuh waktu, tetapi kami ingin berbagi data awal dan perangkat lunak ini sesegera mungkin.”
Untuk saat ini, para peneliti berharap studi mereka mengarah pada solusi jangka panjang untuk menyimpan limbah nuklir yang dapat didukung oleh para pembuat kebijakan dan masyarakat.
“Ini adalah studi interdisipliner yang mencakup eksperimen dunia nyata yang menunjukkan kami dapat memprediksi nasib radionuclides di bawah permukaan,” kata Sarsenbayev. “Moto Departemen Ilmu dan Teknik Nuklir MIT adalah ‘Sains. Sistem. Masyarakat.’ Saya pikir ini menggabungkan ketiga domain. “
