全球核能項目正在增加，以減少對化石燃料的依賴，轉向更清潔的能源來源。然而，隨著核能項目的增多，核廢料問題也隨之而來。
核能項目運行時，所產生的廢料量將會增加。使用過的核燃料將成為主要廢料之一，此外，反應堆中因長期暴露而變得放射性化的組件也將產生廢料。此外，退役的項目也需要以安全的方式處理其殘餘物。
地下核廢料設施已成為解決這一問題的關鍵措施。然而，這些儲存庫能夠多長時間安全地容納核廢料仍然存在疑問。
麻省理工學院（MIT）的一項新研究旨在提高政策制定者和公眾對地下核廢料處置長期安全性的信心。這項研究由麻省理工學院與洛倫斯伯克利國立實驗室及奧爾良大學共同進行。研究顯示，通過新型高性能計算軟件生成的地下核廢料相互作用模擬結果，與瑞士一研究設施的實驗結果高度一致。
研究重點在於核廢料中放射性核素在各種自然和工程地質材料中的遷移行為。麻省理工學院的博士生Dauren Sarsenbayev及助理教授Haruko Wainwright與Christophe Tournassat和Carl Steefel共同撰寫了該研究。
Sarsenbayev表示，新的計算工具與瑞士Mont Terri研究地點的實驗相結合，有助於理解放射性核素在地下系統中的遷移行為。
Wainwright指出：「這項研究——結合計算和實驗——對提高我們對廢料處置安全評估的信心至關重要。」
Mont Terri研究地點位於瑞士北部，是國際研究者聯盟的重要測試基地，專注於研究Opalinus粘土等材料，該粘土在山區隧道區域豐富且具有良好的防水性。
Sarsenbayev表示，Mont Terri被廣泛認為是最有價值的實驗場地之一，因為它提供了數十年的數據集，研究水泥與粘土之間的相互作用，而這些材料正是各國提議用於核廢料的工程屏障系統和地質儲存庫的關鍵材料。
Tournassat和Steefel開發了高性能計算軟件，以改善核廢料與工程材料和自然材料之間相互作用的建模。
然而，現有模型在模擬核廢料與水泥-粘土屏障之間的相互作用時存在多個挑戰。首先，這些屏障由不規則混合的材料組成，位於地下深處。此外，用於模擬放射性核素與水泥-粘土相互作用的現有模型並未考慮屏障中帶負電的粘土礦物所產生的靜電效應。
麻省理工學院的新模型考慮了靜電效應，根據大學的新聞稿，它是「唯一能在三維空間中模擬這些相互作用的模型」。
這個名為CrunchODiTI的模型是基於已建立的CrunchFlow軟件開發的，旨在同時在多台高性能計算機上並行運行。
該研究集中於一項已有13年的實驗，重點研究水泥-粘土岩石之間的相互作用。在這些年中，研究人員在位於水泥形成中心的鑽孔中添加了一系列帶有負電和正電的離子。
研究人員專注於放射性核素與水泥-粘土之間的1厘米厚的區域，稱為「表皮」。他們將實驗結果與軟件模擬進行比較，發現兩組數據相符。
Sarsenbayev表示：「這些結果相當重要，因為之前的模型無法很好地擬合現場數據。令人感興趣的是，水泥和粘土之間的『表皮』的細微現象，隨著時間的推移其物理和化學性質的變化，可以用來調和實驗和模擬數據。」
實驗結果顯示，該模型成功考慮了與粘土豐富的形成有關的靜電效應，以及Mont Terri中材料隨時間的相互作用。
新模型有望取代用於進行地下地質儲存庫安全性和性能評估的舊模型。
科學家們表示，這些模型可以幫助美國決定在地質儲存庫中安全處置核廢料的最佳方式。Sarsenbayev表示：「目前，粘土被認為是一種合適的儲存材料，但鹽層也是另一種潛在的介質。」
他補充道，該模型允許觀察放射性核素在千年中的命運。「我們可以用它們來理解從幾個月到幾年再到幾百萬年的相互作用。」
研究者希望這項研究能為核廢料的長期儲存提供解決方案，讓政策制定者和公眾能夠支持。該研究已發表在《PNAS》期刊上。
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