A medida que países de todo el mundo experimentan un resurgimiento de proyectos de energía nuclear, las cuestiones de dónde y cómo eliminar los residuos nucleares siguen siendo tan tensas políticamente como siempre. Estados Unidos, por ejemplo, ha paralizado indefinidamente su único depósito subterráneo de residuos nucleares a largo plazo. Los científicos están utilizando métodos experimentales y de modelización para estudiar los efectos de la eliminación subterránea de residuos nucleares y, en última instancia, esperan generar confianza pública en el proceso de toma de decisiones.

Una nueva investigación de científicos del MIT, el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y la Universidad de Orleans avanza en esa dirección. El estudio muestra que las simulaciones de interacciones de residuos nucleares subterráneos, generadas mediante un nuevo software de computación de alto rendimiento, coinciden con los resultados experimentales de un centro de investigación en Suiza.

El estudio, coescrito por el estudiante de doctorado del MIT Dauren Sarsenbayev y la profesora adjunta Haruko Wainwright, junto con Christophe Tournassat y Carl Steefel, aparece en la revista 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 migrarán los radionucleidos en sistemas subterráneos acoplados”, dice Sarsenbayev, quien es el primer autor del nuevo estudio.

Los autores esperan que la investigación mejore la confianza de los responsables políticos y del público en la seguridad a largo plazo de la eliminación subterránea de residuos nucleares.

“Esta investigación, que combina computación y experimentación, es importante para mejorar nuestra confianza en las evaluaciones de seguridad de la eliminación de residuos”, afirma Wainwright. “Con el resurgimiento de la energía nuclear como fuente clave para combatir el cambio climático y garantizar la seguridad energética, es crucial validar las vías de eliminación”.

Comparación de simulaciones con experimentos

La eliminación de residuos nucleares en formaciones geológicas subterráneas profundas se considera actualmente la solución más segura a largo plazo para la gestión de residuos radiactivos de alta actividad. Por ello, se ha dedicado un gran esfuerzo al estudio del comportamiento migratorio de los radionucleidos de los residuos nucleares en diversos materiales geológicos naturales y artificiales.

Desde su fundación en 1996, el sitio de investigación de Mont Terri, en el norte de Suiza, ha servido como un importante banco de pruebas para un consorcio internacional de investigadores interesados en estudiar materiales como la arcilla Opalinus, una arcilla gruesa y resistente al agua que abunda en las zonas tuneladas de la montaña.

“Es ampliamente considerado como uno de los sitios de experimentación más valiosos del mundo real porque nos brinda décadas de conjuntos de datos sobre las interacciones del cemento y la arcilla, y esos son los materiales clave que se propone que utilicen países de todo el mundo para sistemas de barreras de ingeniería y depósitos geológicos para desechos nucleares”, explica Sarsenbayev.

Para su estudio, Sarsenbayev y Wainwright colaboraron con los coautores Tournassat y Steefel, quienes han desarrollado un software informático de alto rendimiento para mejorar el modelado de las interacciones entre los desechos nucleares y los materiales tanto artificiales como naturales.

Hasta la fecha, varios desafíos han limitado la comprensión científica sobre cómo reaccionan los residuos nucleares con las barreras de cemento y arcilla. Por un lado, las barreras están compuestas por materiales mezclados irregularmente en las profundidades del subsuelo. Además, los modelos existentes, comúnmente utilizados para simular las interacciones de radionúclidos con cemento y arcilla, no consideran los efectos electrostáticos asociados con los minerales arcillosos con carga negativa presentes en las barreras.

El nuevo software de Tournassat y Steefel tiene en cuenta los efectos electrostáticos, lo que lo convierte en el único capaz de simular dichas interacciones en un espacio tridimensional. El software, llamado CrunchODiTi, se desarrolló a partir del ya conocido CrunchFlow y se actualizó por última vez este año. Está diseñado para ejecutarse simultáneamente en varios ordenadores de alto rendimiento.

Para el estudio, los investigadores analizaron un experimento de 13 años de antigüedad, centrándose inicialmente en las interacciones entre rocas cemento-arcilla. En los últimos años, se añadió una mezcla de iones con carga negativa y positiva al pozo ubicado cerca del centro del cemento depositado en la formación. Los investigadores se centraron en una zona de un centímetro de espesor entre los radionucleidos y la arcilla-cemento, denominada "piel". Compararon los resultados experimentales con la simulación por software y encontraron que ambos conjuntos de datos coincidían.

“Los resultados son bastante significativos, ya que anteriormente estos modelos no se ajustaban bien a los datos de campo”, afirma Sarsenbayev. “Es interesante cómo los fenómenos a pequeña escala en la capa intermedia entre el cemento y la arcilla, cuyas propiedades físicas y químicas cambian con el tiempo, podrían utilizarse para conciliar los datos experimentales y de simulación”.

Los resultados experimentales mostraron que el modelo tuvo en cuenta con éxito los efectos electrostáticos asociados con la formación rica en arcilla y la interacción entre los materiales en Mont Terri a lo largo del tiempo.

“Todo esto se debe a décadas de trabajo para comprender qué sucede en estas interfaces”, afirma Sarsenbayev. “Se ha planteado la hipótesis de que en esta interfaz se produce precipitación mineral y obstrucción de la porosidad, y nuestros resultados lo sugieren firmemente”.

“Esta aplicación requiere millones de grados de libertad porque estos sistemas multibarrera requieren alta resolución y mucha potencia computacional”, afirma Sarsenbayev. “Este software es realmente ideal para el experimento de Mont Terri”.

Evaluación de planes de eliminación de residuos

El nuevo modelo podría ahora sustituir a los modelos antiguos que se han utilizado para realizar evaluaciones de seguridad y rendimiento de depósitos geológicos subterráneos.

“Si Estados Unidos finalmente decide depositar residuos nucleares en un depósito geológico, estos modelos podrían determinar los materiales más apropiados”, afirma Sarsenbayev. “Por ejemplo, actualmente la arcilla se considera un material de almacenamiento adecuado, pero las formaciones salinas son otro medio potencial. Estos modelos nos permiten observar el destino de los radionucleidos a lo largo de milenios. Podemos utilizarlos para comprender las interacciones en lapsos de tiempo que varían desde meses y años hasta 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 computacionalmente menos costosos.

A finales de este mes se dispondrá de más datos del experimento. El equipo planea compararlos con simulaciones adicionales.

“Nuestros colaboradores obtendrán básicamente este bloque de cemento y arcilla, y podrán realizar experimentos para determinar el grosor exacto de la capa, junto con todos los minerales y procesos presentes en esta interfaz”, afirma Sarsenbayev. “Es un proyecto enorme y lleva tiempo, pero queríamos compartir los datos iniciales y este software lo antes posible”.

Por ahora, los investigadores esperan que su estudio conduzca a una solución a largo plazo para almacenar residuos nucleares que los responsables políticos y el público puedan apoyar.

“Este es un estudio interdisciplinario que incluye experimentos reales que demuestran que podemos predecir el destino de los radionucleidos en el subsuelo”, afirma Sarsenbayev. “El lema del Departamento de Ciencia e Ingeniería Nuclear del MIT es ´Ciencia. Sistemas. Sociedad´. Creo que esto fusiona los tres dominios”.

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