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原文作者：Zach Winn | MIT News
随着全球核能项目复苏，核废料的处置地点和方式问题仍然是极具争议性的焦点。例如，美国已无限期搁置其唯一的长期地下核废料处理库。科学家们正通过建模和实验方法研究地下核废料处置的影响，最终希望以此建立公众对决策过程的信任。
麻省理工学院（MIT）、劳伦斯伯克利国家实验室和奥尔良大学的科学家们在这方面取得了新进展。一项研究表明，利用新的高性能计算软件生成的地下核废料相互作用模拟结果，与瑞士一研究设施的实验结果高度吻合。
这项研究由MIT博士生Dauren Sarsenbayev和助理教授Haruko Wainwright与Christophe Tournassat及Carl Steefel共同撰写，发表于《美国国家科学院院刊》（PNAS）。
新研究的第一作者Sarsenbayev表示：“这些强大的新型计算工具，结合像瑞士Mont Terri研究站这样的真实世界实验，帮助我们理解放射性核素如何在耦合的地下系统中迁移。”
作者希望这项研究能够增强政策制定者和公众对地下核废料处置长期安全性的信心。
Wainwright说：“这项结合了计算和实验的研究，对于增强我们对废料处置安全评估的信心至关重要。随着核能作为应对气候变化和确保能源安全的关键来源重新崛起，验证处置路径变得至关重要。”
对比模拟与实验结果
将核废料安全地处置在深层地下地质构造中，目前被认为是管理高放射性废料最安全的长期解决方案。因此，大量的努力被投入到研究放射性核素在各种天然和工程地质材料中的迁移行为。
自1996年成立以来，位于瑞士北部的Mont Terri研究站一直是国际研究人员研究不透水粘土石（如Opalinus clay）的重要试验平台。这种粘土石在核废料的工程屏障系统和地质处置库的隧道区域非常常见。
Sarsenbayev解释说：“它被广泛认为是最有价值的真实世界实验场地之一，因为它为我们提供了关于水泥与粘土相互作用的数十年数据集，而这正是世界各国提议用于核废料工程屏障系统和地质库的关键材料。”
在研究中，Sarsenbayev和Wainwright与合著者Tournassat和Steefel合作，他们开发了高性能计算软件，以改进核废料与工程材料和天然材料之间相互作用的建模。
迄今为止，科学界对核废料如何与水泥-粘土屏障发生反应的理解受到若干挑战的限制。首先，这些屏障由深埋地下、混合不规则的材料构成。此外，目前用于模拟放射性核素与水泥-粘土相互作用的现有模型，没有考虑屏障中带负电荷的粘土矿物所产生的静电效应。
Tournassat和Steefel的新软件考虑了静电效应，使其成为唯一能够在三维空间中模拟这些相互作用的软件。该软件名为CrunchODiTi，是从现有软件CrunchFlow发展而来，并于今年进行了最新更新。它被设计成可以同时在多台高性能计算机上并行运行。
研究人员考察了一个已有13年历史的实验，重点关注水泥-粘土岩石的相互作用。在最近几年中，一混合了带负电和带正电离子的物质被注入到位于水泥和水泥-粘土交界处钻孔的中心附近。研究人员将注意力集中在距离放射性核素和水泥-粘土之间约1厘米厚的区域，称为“皮肤层”（skin）。他们将实验结果与软件模拟进行了比较，发现两个数据集高度一致。
Sarsenbayev说：“结果非常显著，因为以前这些模型与现场数据不太吻合。有趣的是，水泥和粘土交界处的‘皮肤层’发生的精细现象，其物理和化学性质随时间变化，可以用来调和实验和模拟数据。”
实验结果表明，该模型成功地解释了与富含粘土的地层相关的静电效应，以及Mont Terri材料之间随时间推移的相互作用。
Sarsenbayev表示：“这一切都源于数十年来对这些界面处发生的事情的理解。我们一直假设在这个界面处存在矿物沉淀和孔隙堵塞，而我们的结果强烈支持了这一点。”
Sarsenbayev还指出：“这个应用需要数百万个自由度，因为多屏障系统需要高分辨率和大量的计算能力。这款软件非常适合Mont Terri实验。”
评估废料处置方案
这种新模型现在可以取代过去用于地下地质处置库安全性和性能评估的旧模型。
Sarsenbayev说：“如果美国最终决定在进行地质处置库中处置核废料，那么这些模型可以决定使用最合适的材料。例如，目前粘土被认为是合适的储存材料，但盐层也是另一种潜在介质。这些模型使我们能够观察放射性核素在数千年内的命运。我们可以用它们来理解从数月到数年再到数百万年的时间尺度上的相互作用。”
Sarsenbayev表示，该模型对其他研究人员来说是相当容易获取的，未来的工作可能侧重于使用机器学习来开发计算成本较低的替代模型。
该实验的更多数据将于本月晚些时候公布。团队计划将这些数据与额外的模拟进行比较。
Sarsenbayev说：“我们的合作者将获得这块水泥和粘土样本，他们将能够进行实验，以确定‘皮肤层’的确切厚度，以及该界面处存在的所有矿物质和过程。这是一个巨大的项目，需要时间，但我们希望尽快分享初步数据和这款软件。”
目前，研究人员希望他们的研究能够为核废料储存找到一个长期解决方案，并获得政策制定者和公众的支持。
Sarsenbayev总结道：“这是一项跨学科研究，包含了现实世界的实验，表明我们能够预测放射性核素在地下深处的迁移情况。MIT核科学与工程系的座右铭是‘科学、系统、社会’。我认为这项研究将这三个领域融合在了一起。”
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