Уникальные физические свойства соли могут быть использованы для обеспечения безопасной утилизации радиоактивных отходов, сказал Кристофер Кульман, геолог Sandia и технический руководитель проекта. Соляные пласты остаются стабильными в течение сотен миллионов лет. Соль сама заживляет трещины, и любые отверстия будут медленно закрываться.

Например, соль на экспериментальном заводе по изоляции отходов за пределами Карлсбада, штат Нью-Мексико, где захоронена часть ядерных отходов времен холодной войны, оседает в хранилищах со скоростью несколько дюймов в год, защищая окружающую среду от отходов. Однако, в отличие от отработанного ядерного топлива, отходы, захороненные на WIPP, не выделяют тепла.

По словам Кульмана, инициатива Управления ядерной энергетики по утилизации отработанного топлива и отходов направлена на обеспечение надежной технической основы для множества жизнеспособных вариантов утилизации в США, и, в частности, на то, как тепло изменяет способ перемещения жидкостей и газов и взаимодействия с солью. Понимание, полученное в результате этого фундаментального исследования, будет использовано для уточнения концептуальных и компьютерных моделей, что в конечном итоге приведет к информированию политиков о преимуществах захоронения отработанного ядерного топлива в соляных пластах. Сандия является ведущей лабораторией проекта.

"Соль является жизнеспособным вариантом для хранения ядерных отходов, потому что вдали от раскопок любые отверстия заживают", - сказал Кульман. "Однако рядом с раскопками есть этот ореол поврежденной породы. В прошлом люди избегали предсказывать сложные взаимодействия внутри поврежденной соли, потому что на расстоянии 30 футов соль представляет собой идеальный непроницаемый барьер. Теперь мы хотим углубить наше понимание ранних сложностей, связанных с отходами. Чем больше мы понимаем, тем больше у нас уверенности в хранилищах соли в долгосрочной перспективе".

Метод проб и ошибок в первом эксперименте

Чтобы понять поведение поврежденной соли при нагревании, Кульман и его коллеги проводили эксперименты на глубине 2150 футов под землей в WIPP в экспериментальной зоне на расстоянии более 3200 футов от продолжающейся деятельности по утилизации. Они также отслеживают распределение и поведение рассола, который представляет собой соленую воду, находящуюся в соляном слое, оставшемся после испарения моря возрастом 250 миллионов лет. Небольшое количество рассола, которое содержится в WIPP, в 10 раз соленее морской воды.

"Соль ведет себя совсем по-другому, когда она горячая. Если вы нагреете кусок гранита, это не сильно изменится", - сказал Кульман. "Горячая соль расползается гораздо быстрее, и если она станет достаточно горячей, вода в рассоле может выкипеть, оставив корку соли на контейнере для отходов. Затем этот пар может отходить до тех пор, пока он не остынет достаточно, чтобы вернуться в жидкость и растворить соль, возможно, образуя сложную петлю обратной связи ".

Другими словами, ученые изучают, может ли тепло от отработанного ядерного топлива помочь закрыть контейнеры для отходов и даже защитить их от коррозии, которую может вызвать соленая вода.

Планирование первого этапа эксперимента началось в 2017 году с использованием существующих горизонтальных скважин на WIPP. Во время этой фазы "перетряски" исследователи узнали, какое оборудование использовать в последующих экспериментах. Например, первый нагреватель, который работал как тостер, не нагревал близлежащую соль настолько, чтобы вскипятить рассол, сказал Фил Стауффер, специалист по геологии, имеющий опыт комбинирования компьютерных моделей и реальных экспериментов, который возглавляет работу Лос-Аламосской национальной лаборатории. Однако второй обогреватель, который опробовала команда, инфракрасная модель, оказался эффективным; он работал больше как солнце.

"Когда мы поместили первый радиационный нагреватель в первую скважину, как часть этапа очистки, оказалось, что воздух не позволял теплу эффективно перемещаться в породу", - сказал Стауффер. "Затем мы переключились на инфракрасный обогреватель, и тепло распространялось по воздуху с небольшими потерями энергии. При раннем численном моделировании мы наивно просто вводили тепло; мы не беспокоились о том, как тепло попадает от нагревателя в породу ".

Как рассол и газы проходят через соль

Во время второго этапа эксперимента команда просверлила два набора из 14 горизонтальных отверстий в стене зала и вставила более 100 различных датчиков в отверстия вокруг центрального горизонтального отверстия, содержащего нагреватель. Эти датчики отслеживали звуки, напряжения, влажность и температуру по мере нагрева и охлаждения соли.

Мелисса Миллс, геохимик из Сандии, изготовила специальное уплотнение из соляного бетона для тестирования взаимодействия цемента и рассола.

Среди использованных датчиков было почти 100 датчиков температуры, подобных тем, что используются в домашних термостатах, поэтому исследователи могли измерять температуру во времени в местах вокруг нагревателя. Юйсин Ву, специалист по геологии из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли, также установил волоконно-оптические датчики температуры, тензодатчики и визуализацию электрического сопротивления.

Чарльз Чоэнс, геолог из Сандии, использовал специальные микрофоны, называемые датчиками акустической эмиссии, чтобы слушать "хлопки" кристаллов соли, когда они расширяются при нагревании и сжимаются при охлаждении, сказал Кульман. Команда использовала эти микрофоны для триангуляции местоположения всплывающих кристаллов соли.

"Эти хлопки свидетельствуют о временной проницаемости соляного слоя - трещин между кристаллами соли, через которые может просачиваться рассол". Сказал Кульман. "Когда вы нагреваете его, он закрывает эти маленькие трещинки. Когда соль горячая, проницаемость снижается, но когда она остывает, трещины временно открываются и проницаемость увеличивается."

По словам Кульмана, чтобы проверить поток газов через поврежденную соль, исследователи закачали небольшое количество редких газов, таких как криптон и гексафторид серы, в одну скважину и проследили за их появлением в другой. "Когда соль была горячей, газы никуда не уходили. Когда мы выключили отопление, газы проникли в соль и вышли в другую скважину".

Аналогичным образом команда закачала в одну скважину приготовленный в лаборатории рассол с небольшим количеством элемента рения и синего флуоресцентного красителя в качестве "индикаторов". Команда следит за появлением жидкости в других скважинах, пробы которой будут взяты в конце испытания.

"Цель использования флуоресцентного красителя - как только мы получим образцы после тестирования - состоит в том, чтобы нанести на карту, куда попал индикатор", - сказал Миллс. "Очевидно, мы сможем сказать, что он прошел от одной скважины к другой, если обнаружим сигнал рения, но мы не будем знать, какой путь он прошел. Кроме того, рассол будет взаимодействовать с минералами в соли, такими как глина. Флуоресцентный краситель - это видимый способ определить, куда на самом деле попал жидкий индикатор в полевых условиях ".

На третьем этапе, который начался в середине октября, команда будет бурить новый массив из девяти нагретых скважин, основываясь на том, что они узнали на предыдущих этапах экспериментов.

Работа в сложных условиях под землей

По словам Стауффера и Миллса, команда многому научилась на первых двух этапах эксперимента, включая выбор наилучшего типа нагревателя, время бурения скважин и степень коррозии рассола.

"Первые два этапа включали в себя множество испытаний оборудования; часть из них вышла из строя, а часть была отправлена обратно производителю", - сказал Миллс. "Мы также научились держать резервное оборудование под рукой, потому что соляная пыль и рассол разрушают оборудование. Нам нужно сделать двойную герметизацию, потому что рассол может просочиться по изолированному проводу, и тогда оборудование умрет. Это был процесс обучения тому, как работать в соленой среде".

Кульман согласился. "Многое может пойти не так, когда вы берете чувствительное лабораторное оборудование и помещаете его в соляную шахту. Мы вернулись назад и прочитали отчеты об экспериментах WIPP в 80-х годах. Мы хотим извлечь уроки из прошлого, но иногда нам приходилось совершать наши собственные ошибки".

Исследователи сотрудничают с международными партнерами, чтобы использовать данные этого проекта для улучшения компьютерных моделей сложных химических, температурных, водных и физических взаимодействий, которые происходят под землей. Это улучшит будущее моделирование хранилищ ядерных отходов во всем мире.

В конечном счете, команда хотела бы перейти к более крупным и продолжительным экспериментам, чтобы получить данные, относящиеся к будущим хранилищам соли, сказали Кульман и Стауффер. Эти данные, дополняющие уже собранные данные, проинформировали бы проектировщиков хранилищ и политиков о безопасности постоянного размещения тепловыделяющих ядерных отходов в соляных хранилищах.

"Для меня было действительно интригующе и интересно работать над таким практическим проектом", - сказал Миллс. "Приступить к проектированию и сборке систем и перейти в подполье к WIPP было действительно полезно. Проведение исследований в активной шахтной среде может быть непростой задачей, но я горжусь тем, что работаю там и воплощаю наши идеи".

Sandia National Laboratories - это многопрофильная лаборатория, управляемая компанией National Technology and Engineering Solutions of Sandia LLC, дочерней компанией Honeywell International Inc., полностью принадлежащей Национальному управлению ядерной безопасности Министерства энергетики США. Sandia Labs отвечает за основные исследования и разработки в области ядерного сдерживания, глобальной безопасности, обороны, энергетических технологий и экономической конкурентоспособности, с основными объектами в Альбукерке, Нью-Мексико, и Ливерморе, Калифорния.