طين وأحجار وأسمنت… هكذا يصمد حاجز النفايات النووية عبر العصور
هل يمكن الوثوق بالتخلص الجيولوجي للنفايات النووية؟ نموذج جديد يجيب
مع انتعاش مشاريع الطاقة النووية في مختلف أنحاء العالم، لا تزال تساؤلات حول مكان وكيفية التخلص من النفايات النووية مثار جدل سياسي.
فعلى سبيل المثال، أوقفت الولايات المتحدة إلى أجل غير مسمى تشغيل مستودعها الوحيد طويل الأمد للنفايات النووية تحت الأرض.
ويستخدم العلماء أساليب النمذجة والتجريب لدراسة آثار التخلص من النفايات النووية تحت الأرض، ويأملون في نهاية المطاف أن يبنوا ثقة الجمهور في عملية صنع القرار.
تحرز أبحاث جديدة، أجراها علماء من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، ومختبر لورانس بيركلي الوطني، وجامعة أورليانز، تقدمًا في هذا الاتجاه.
تُظهر الدراسة أن عمليات محاكاة تفاعلات النفايات النووية تحت الأرض، المُولدة بواسطة برمجيات حاسوبية جديدة عالية الأداء، تتوافق بشكل جيد مع النتائج التجريبية الصادرة عن منشأة بحثية في سويسرا.
نُشرت الدراسة، التي شارك في تأليفها طالب الدكتوراه في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا داورين سارسينباييف، والأستاذة المساعدة هاروكو واينرايت، إلى جانب كريستوف تورناسات وكارل ستيفل، في وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم.
فهم كيفية انتقال النويدات المشعة
وقال سارسينباييف، المؤلف الأول للدراسة الجديدة: “تساعدنا هذه الأدوات الحسابية الجديدة القوية، إلى جانب التجارب الواقعية مثل تلك التي أُجريت في موقع مونت تيري للأبحاث في سويسرا، على فهم كيفية انتقال النويدات المشعة في الأنظمة الجوفية المقترنة”.
ويأمل المؤلفون، أن يساعد البحث في تعزيز الثقة بين صانعي السياسات والجمهور فيما يتعلق بالسلامة طويلة الأمد للتخلص من النفايات النووية تحت الأرض.
وقالت واينرايت: “يُعد هذا البحث، الذي يجمع بين الحوسبة والتجارب، مهمًا لتعزيز ثقتنا بتقييمات سلامة التخلص من النفايات”.
وأضافت: “مع عودة الطاقة النووية كمصدر رئيسي لمعالجة تغير المناخ وضمان أمن الطاقة، من الضروري التحقق من صحة مسارات التخلص من النفايات”.
مقارنة المحاكاة بالتجارب
يُعتبر التخلص من النفايات النووية في التكوينات الجيولوجية العميقة تحت الأرض حاليًا الحل الأمثل والأكثر أمانًا على المدى الطويل لإدارة النفايات عالية الإشعاع، لذلك، بُذلت جهود كبيرة لدراسة سلوكيات انتقال النويدات المشعة من النفايات النووية داخل مختلف المواد الجيولوجية الطبيعية والهندسية.
منذ تأسيسه في عام 1996، كان موقع مونت تيري للأبحاث في شمال سويسرا بمثابة منصة اختبار مهمة لمجموعة دولية من الباحثين المهتمين بدراسة مواد مثل طين أوبالينوس — وهو حجر طيني سميك مقاوم للماء ومتوفر بكثرة في المناطق الأنفاقية في الجبل.
وأوضح سارسينباييف قائلًا: “يُعتبر هذا الموقع على نطاق واسع أحد أكثر مواقع التجارب الواقعية قيمة لأنه يوفر لنا عقودًا من مجموعات البيانات حول تفاعلات الأسمنت والطين، وهما المواد الرئيسيتان اللتان يُقترح استخدامهما من قبل البلدان في جميع أنحاء العالم في أنظمة الحواجز الهندسية والمستودعات الجيولوجية للنفايات النووية”.
وفي دراستهم، تعاون سارسينباييف وواينرايت مع المؤلفين المشاركين تورناسات وستيفل، اللذين طوّرا برمجيات الحوسبة عالية الأداء لتحسين نمذجة التفاعلات بين النفايات النووية والمواد الهندسية والطبيعية.
تحديات فهم العلماء لكيفية تفاعل النفايات النووية
حتى الآن، حدّت تحديات عديدة من فهم العلماء لكيفية تفاعل النفايات النووية مع حواجز الأسمنت والطين.
أولًا، تتكون هذه الحواجز من مواد مختلطة بشكل غير منتظم في أعماق الأرض، إضافة إلى ذلك، فإن النماذج الحالية المستخدمة عادة لمحاكاة تفاعلات النويدات المشعة مع الأسمنت والطين لا تأخذ في الاعتبار التأثيرات الكهروستاتيكية المرتبطة بالمعادن الطينية سالبة الشحنة في الحواجز.
يراعي برنامج تورناسات وستيفل الجديد التأثيرات الكهروستاتيكية، مما يجعله البرنامج الوحيد القادر على محاكاة هذه التفاعلات في الفضاء ثلاثي الأبعاد.
وقد طُوّر هذا البرنامج، المسمى CrunchODiTi، بالاعتماد على برنامج كرانش فلو (CrunchFlow) الراسخ، وحُدِّث مؤخرًا هذا العام. صُمِّم البرنامج ليعمل على العديد من أجهزة الكمبيوتر عالية الأداء في آنٍ واحد وبالتوازي.
في هذه الدراسة، استعرض الباحثون تجربةً أُجريت قبل 13 عامًا ركزت في البداية على تفاعلات صخور الأسمنت والطين.
وخلال السنوات القليلة الماضية، أُضيف مزيج من الأيونات السالبة والموجبة إلى البئر الواقعة بالقرب من مركز الأسمنت المزروع في التكوين.
ركز الباحثون على منطقة بسُمك سنتيمتر واحد بين النويدات المشعة وصخور الأسمنت والطين، تُعرف باسم “الطبقة الخارجية”.
وقارنوا نتائج تجاربهم بمحاكاة البرنامج، ووجدوا أن مجموعتي البيانات متوافقتان.
وقال سارسينباييف: “هذه النتائج بالغة الأهمية، لأن هذه النماذج لم تكن تتوافق جيدًا مع البيانات الميدانية سابقًا”.
وأضاف: “من المثير للاهتمام كيف يُمكن استخدام الظواهر الدقيقة في الطبقة السطحية بين الأسمنت والطين، والتي تتغير خصائصها الفيزيائية والكيميائية بمرور الوقت، للتوفيق بين البيانات التجريبية وبيانات المحاكاة”.
وأظهرت النتائج التجريبية، أن النموذج نجح في حساب التأثيرات الكهروستاتيكية المرتبطة بالتكوين الغني بالطين والتفاعل بين المواد في مونت تيري بمرور الوقت.
وقال سارسينباييف: “يعود كل هذا إلى عقود من العمل لفهم ما يحدث عند هذه الواجهات. وقد طُرح افتراض بوجود ترسّب معدني وانسداد في المسامية عند هذه الواجهة، وتشير نتائجنا بقوة إلى ذلك”.
وأضاف: “يتطلب هذا التطبيق ملايين درجات الحرية، لأن أنظمة الحواجز المتعددة تتطلب دقة عالية وقدرة حسابية هائلة. هذا البرنامج مثالي لتجربة مونت تيري”.
تقييم خطط التخلص من النفايات
ويمكن الآن للنموذج الجديد أن يحل محل النماذج القديمة التي كانت تُستخدم لإجراء تقييمات السلامة والأداء لمستودعات الجيولوجيا تحت الأرض.
وقال سارسينباييف: “إذا قررت الولايات المتحدة في نهاية المطاف التخلص من النفايات النووية في مستودع جيولوجي، فإن هذه النماذج قد تُحدد المواد الأنسب للاستخدام، على سبيل المثال، يُعتبر الطين حاليًا مادة تخزين مناسبة، ولكن تُعد تكوينات الملح وسيطًا محتملًا آخر يمكن استخدامه، تتيح لنا هذه النماذج رؤية مصير النويدات المشعة على مدى آلاف السنين.
ويمكننا استخدامها لفهم التفاعلات في فترات زمنية تتراوح من أشهر إلى سنوات وحتى ملايين السنين”.
وأشار إلى أن النموذج يمكن الوصول إليه بشكل معقول من قبل باحثين آخرين، وأن الجهود المستقبلية قد تركز على استخدام التعلم الآلي لتطوير نماذج بديلة أقل تكلفة حسابيًا.
وستتوفر بيانات إضافية من التجربة في وقت لاحق من هذا الشهر. ويخطط الفريق لمقارنة هذه البيانات بمحاكاة إضافية.
وقال سارسينباييف: “سيحصل زملاؤنا على كتلة من الأسمنت والطين، وسيتمكنون من إجراء تجارب لتحديد السُمك الدقيق للطبقة الخارجية، بالإضافة إلى جميع المعادن والعمليات الموجودة في هذه الواجهة”.
وأضاف: “إنه مشروع ضخم ويستغرق وقتًا، لكننا أردنا مشاركة البيانات الأولية وهذا البرنامج في أسرع وقت ممكن”.
وفي الوقت الحالي، يأمل الباحثون أن تؤدي دراستهم إلى إيجاد حل طويل الأمد لتخزين النفايات النووية، يمكن لصانعي السياسات والجمهور دعمه.
وقال سارسينباييف في ختام حديثه: “هذه دراسة متعددة التخصصات تتضمن تجارب واقعية تُظهر قدرتنا على التنبؤ بمصير النويدات المشعة في باطن الأرض”.
