Модель игры поможет ученым планировать хранилище ядерных отходов

Ученые Стэнфордского университета предложили способ, который поможет надежнее подбирать места для захоронения ядерных отходов и хранения СО₂ под землей. Они разработали математическую модель, с которой легко понять внутреннее устройство пород на микроскопическом уровне.

Как передает Day.Az со ссылкой на Hi-Tech Mail, идея родилась из настольной игры "Морской бой": если известно положение одной точки, можно предугадать, где расположены другие. Так специалисты научились выстраивать карту из мельчайших частиц вещества и вычислять, как через эти поры со временем будут проходить жидкости или газы.

Главная ценность подхода в том, что он помогает работать с материалами сложной структуры, где частицы распределены неравномерно. Это особенно важно при выборе площадок для захоронения радиоактивных остатков и закачки углекислоты, ведь микротрещины и пустоты в породе могут повлиять на ее герметичность. Используя новый метод, можно заранее рассчитать, как поведут себя подземные слои через десятки или даже тысячи лет, поэтому риск утечек и загрязнения окружающей среды минимизируется.

В основе работы лежит статистическая схема - модель Пуассона. Она помогает предсказать расположение частиц внутри материала по случайным координатам. Для точных расчетов применялись методы стохастической геометрии - науки, описывающей хаотичные структуры. Сначала вычисления проводились вручную, однако объем формул оказался настолько велик, что потребовались суперкомпьютеры. Для моделирования трех точек понадобилось обработать 128 уравнений, каждое из которых учитывало положение и взаимное влияние элементов породы.

Результаты позволили понять, как микроструктура влияет на физические свойства вещества - прочность, плотность, упругость, электропроводность и теплопередачу. Эти данные используются при оценке подземных хранилищ, а также в строительстве, материаловедении, гидрогеологии и энергетике. Например, с помощью такого моделирования инженеры могут улучшить состав бетона, оптимизировав распределение пор и добавив в смесь материалы вроде золы уноса или биоугля. Это уменьшит долю цемента, сократит выбросы СО₂, повысит прочность и снизит себестоимость стройматериалов.

Для испытаний модели применялись радиометрические датчики, лазерные интерферометры и 3D-сканеры пористой структуры, а также лабораторные установки, имитирующие давление в десятки МПа и температуру свыше 150 . В итоге прогноз совпадал с реальными измерениями. А значит, модель пригодна для практического применения вроде проектирования геотермальных систем и контроля движения грунтовых вод.

Исследование стало решающим для понимания того, как устроены сложные природные среды. Теперь у ученых есть инструмент, который поможет безопаснее обращаться с радиоактивными материалами и хранить углекислый газ в недрах планеты. Проект поддерживают несколько научных институтов в США и Европе. Программные алгоритмы уже тестируются в системах оценки геологических рисков. Ученые уверены, что совершенствование подобных моделей станет основой экологически безопасной энергетики будущего.

Ранее мы писали о том, что ядерные реакторы с кипящей водой будут работать на топливе нового поколения.