Многие страны в наши дни планируют захоронение радиоактивных отходов, которое должно быть безопасным. Реальные подземные эксперименты в сочетании с мощными вычислительными инструментами помогли понять, как радионуклиды мигрируют в породах.
Американские ученые выполнили моделирование, сымитировав эксперимент на полигоне Мон-Терри в Швейцарии. В 1996 году там создали исследовательский центр, где изучают толщину, плотность, состав горных пород и возможные способы постоянного захоронения радиоактивных отходов.
Приоритетной для глубокого геологического хранилища радиоактивных отходов в числе первых выбрали глинистую формацию Опалинус (Opalinus Clay). Эта глина сформировалась 180 миллионов лет назад, в юрский период. Залежи обнаружили на глубинах до 900 метров, а толщина слоев достигает 100 метров. При этом глина, как хороший изоляционный материал, плохо пропускает грунтовые воды, набухая и запечатывая трещины и поры, что делает породу идеальным кандидатом для геологического стабильного захоронения радиоактивных отходов.
Там проводят эксперименты, позволяющие обрабатывать на практике десятки наборов данных о взаимодействии глины и цемента, так как в хранилищах, наряду с природными, применяются искусственные материалы, такие как бетон. До сих пор инструменты, используемые для моделирования взаимодействия радионуклидов с цементно-глиняными барьерами, не учитывали электростатические эффекты, связанные с отрицательно заряженными глинистыми минералами. Авторы статьи, опубликованной в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, исследовали этот аспект.
Ученые смоделировали процесс в трехмерном пространстве, разработав программу CrunchODiTi на основе известного программного обеспечения CrunchFlow. С ее помощью проанализировали результаты почти трехлетнего эксперимента после попадания радионуклидов в глиняно-цементную смесь. В скважину, расположенную вблизи цемента, заложенного в пласт, добавляли как отрицательные, так и положительно заряженные ионы.
В течение первых 450 дней цемент оставался изотропным, то есть с неизменными свойствами, а после этого свойства начали меняться у глины: отрицательный заряд минералов стал влиять на перенос заряженного растворенного вещества. Исследователи сравнили свои экспериментальные результаты с данными программного моделирования и увидели их соответствие.
Учитывая различную реакционную способность и транспортные свойства различных материалов, электростатическое воздействие на перенос радионуклидов (особенно анионов) в богатых глиной породах, можно предсказывать концентрацию захораниваемых отходов в недрах земли.