随着全球核能项目复苏，核废料处置地点与方式面临政治不确定性，如美国无限期搁置唯一长期地下核废料处置库。科学家正运用模型和实验研究其影响，期望建立公众对决策过程的信任。
(A)模拟中使用的计算域和材料分布。旋转计算域，使Opalinus粘土层垂直。(B)900天时中性HTO(左)和带电36Cl− 溶质(右)的三维等值线图。(C)使用三维模型比较钻孔浓度的观测值(符号)和模拟值(线)。图片来源：美国国家科学院院刊(2025)
麻省理工学院、劳伦斯伯克利国家实验室和奥尔良大学科学家开展的新研究取得进展。由麻省理工学院博士生Dauren Sarsenbayev、助理教授Haruko Wainwright以及Christophe Tournassat和Carl Steefel共同撰写的研究，发表在《美国国家科学院院刊》上。研究表明，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，与瑞士一处研究机构实验结果吻合良好。
“这些强大的新计算工具，加上瑞士蒙特特里研究站等真实世界的实验，帮助我们了解放射性核素如何在耦合地下系统中迁移。”新研究第一作者萨尔森巴耶夫说。作者希望此研究能提高政策制定者和公众对地下核废料处置长期安全性的信心。温赖特称，结合计算和实验对提升废物处置安全评估信心至关重要，随着核能成为应对气候变化和确保能源安全的关键来源，验证处置途径十分必要。
目前，将核废料处置于深层地下地质构造，被认为是处理高放射性废物最安全的长期方案，人们投入大量精力研究核废料中放射性核素在各种地质材料中的迁移行为。自1996年成立，位于瑞士北部的蒙特泰里研究站便是国际研究联盟重要试验平台，该联盟致力于研究Opalinus粘土等材料，这种厚而防水的粘土岩在山区隧道区域大量存在。萨尔森巴耶夫解释，它被广泛认为是最有价值的真实世界实验场地之一，提供了数十年来有关水泥和粘土相互作用的数据集，这些是各国提议用于工程屏障系统和核废料地质处置库的关键材料。
研究中，Sarsenbayev和Wainwright与合著者Tournassat和Steefel合作，开发高性能计算软件改进核废料与工程和天然材料相互作用的模型。此前，一些挑战限制了科学家对核废料与水泥 - 粘土屏障反应的理解，如屏障由地下深处不规则混合物质构成，常用模型未考虑带负电荷粘土矿物的静电效应。Tournassat和Steefel的新软件考虑了静电效应，是唯一能在三维空间模拟此类相互作用的软件。这款名为CrunchODiTi的软件由知名软件CrunchFlow开发，今年最新更新，可在多台高性能计算机上同时并行运行。
研究人员回顾了一项13年历史的实验，最初关注水泥 - 粘土岩相互作用，过去几年在位于地层水泥中心附近的钻孔中添加正负离子混合物，重点研究放射性核素和水泥 - 粘土之间1厘米厚的“表皮”区域。将实验结果与软件模拟结果比较，发现两个数据集一致。萨尔森巴耶夫称，此前模型无法很好拟合现场数据，水泥和粘土之间“表皮”的精细现象可协调实验和模拟数据。实验结果表明，模型成功解释了与富含粘土地层相关的静电效应以及蒙特特里地区物质间随时间的相互作用。
新模型可取代用于地下地质处置库安全和性能评估的旧模型。萨尔森巴耶夫说，若美国决定将核废料处置在地质处置库中，这些模型可决定最合适的材料，如粘土和盐层都是潜在可用介质，模型能让我们了解放射性核素在数千年内的命运。其他研究人员可合理使用该模型，未来可能集中使用机器学习开发计算成本较低的替代模型。
本月晚些时候将公布更多实验数据，团队计划将其与其他模拟结果比较。萨尔森巴耶夫说，合作伙伴将拿到水泥和粘土进行实验，确定“表皮”确切厚度及界面上存在的矿物质和过程。目前，研究人员希望研究能找到政策制定者和公众支持的核废料储存长期解决方案。萨尔森巴耶夫称，这是一项跨学科研究，融合了科学、系统与社会三个领域。
