核废料模拟与实验数据高度吻合

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通过新型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Mont Terri研究站点的实验结果高度吻合。这项研究发表在《PNAS》期刊上，由MIT博士生Dauren Sarsenbayev、助理教授Haruko Wainwright，以及Christophe Tournassat和Carl Steefel共同署名。

Sarsenbayev表示：“这些强大的新型计算工具，结合瑞士等地开展的实地实验，帮助我们理解核素如何在耦合的地下系统中迁移。”Wainwright指出：“这种将计算与实验结合的研究对提高废物处置安全评估的可信度非常重要。随着核能重新成为应对气候变化和保障能源安全的关键来源，验证处置途径至关重要。”作者们希望这项研究能提升政策制定者和公众对地下核废料长期处置安全的信心。

目前，将核废料深埋地下被视为管理高放射性废料的最安全长期解决方案。研究团队在天然和人工地质材料中核废料迁移行为的研究上投入了大量精力。

自1996年成立以来，位于瑞士北部的Mont Terri研究站点一直是研究Opalinus黏土等材料的重要实验平台。Opalinus黏土是一种厚实、防水的黏土岩，分布在Mont Terri的隧道区域。

Sarsenbayev称Mont Terri“被广泛认为是最有价值的实地实验站点之一，因为它提供了数十年关于水泥和黏土相互作用的数据，而这两者是全球各国用于工程屏障系统和核废料地质处置库的关键材料。”

迄今为止，科学家们对核废料与水泥-黏土屏障相互作用的认知仍面临多项挑战。一方面，屏障由地下深处不规则混合的材料构成；另一方面，现有用于模拟核素与水泥-黏土相互作用的模型未考虑屏障中带负电黏土矿物的静电效应。

共同作者Tournassat和Steefel开发了高性能计算软件，以改进核废料与人工及天然材料相互作用的建模。其新软件考虑了静电效应，成为唯一能在三维空间中模拟这些相互作用的工具。该软件CrunchODiTi基于成熟的CrunchFlow开发，并于今年更新，设计为在多台高性能计算机上并行运行。

研究人员分析了一项为期13年的实验，最初聚焦于水泥-黏土岩相互作用。近年内，他们在置于地层的水泥中心附近钻孔中添加了带正负电荷的离子混合物。研究人员重点关注了核素与水泥-黏土之间被称为‘皮肤’的1厘米厚区域，并将实验结果与软件模拟进行对比，发现两者高度吻合。

Sarsenbayev表示：“结果非常显著，因为此前这些模型与实地数据拟合效果不佳。有趣的是，水泥与黏土‘皮肤’间的微观现象（其物理和化学性质随时间变化）可用于调和实验与模拟数据。”模型成功解释了黏土丰富地层的静电效应以及Mont Terri材料随时间的相互作用。

Sarsenbayev指出：“这一切源于数十年来对界面现象的探索。我们假设该界面存在矿物沉淀和孔隙堵塞，研究结果强烈支持了这一假设。”他补充道：“这类应用需要数百万自由度，因为多屏障系统要求高分辨率和强大的计算能力。该软件非常适合Mont Terri实验。”

新模型可能取代用于地下地质处置库安全与性能评估的旧模型。Sarsenbayev说：“如果美国最终决定在地质处置库中存放核废料，这些模型可指导最合适的材料选择。例如，目前黏土被认为是适宜的存储材料，但盐层也是潜在选项。这些模型使我们能预测核素在数千年中的命运，理解从数月到数百万年时间尺度的相互作用。”

团队计划将这些数据与其他模拟进行比较。Sarsenbayev解释道：“合作者将获得水泥-黏土块，并通过实验测定‘皮肤’的精确厚度及界面处的矿物和过程。这是一项庞大的任务，但我们希望尽快分享初步数据和软件。”目前，研究人员希望研究能为政策制定者和公众支持的核废料长期储存方案提供依据。