桑迪亞國家實驗室的研究人員梅麗莎·米爾斯(左)和克里斯托弗·庫爾曼(Kristopher Kuhlman)從他們的廢物隔離試驗廠試驗場觀察鹽樣本。圖片來源：蘭迪蒙托亞/桑迪亞國家實驗室

研究改進計算機模型，為未來乏核燃料處置的決策者提供信息。

來自桑迪亞、洛斯阿拉莫斯和勞倫斯伯克利國家實驗室的科學家們剛剛開始了為期數年的實驗的第三階段，以了解鹽床處置庫中熱核廢物容器附近的鹽和非常咸的水如何表現。

桑迪亞地球科學家兼該項目的技術負責人克里斯托弗庫爾曼說，鹽的獨特物理特性可用于安全處置放射性廢物。數億年來，鹽床保持穩定。鹽會治愈自己的裂縫，任何開口都會慢慢關閉。

例如，新墨西哥州卡爾斯巴德郊外的廢物隔離試驗廠的鹽——該國一些冷戰時期的核廢料埋葬在那里——以每年幾英寸的速度關閉儲存室，保護環境免受垃圾。然而，與乏核燃料不同，在 WIPP 掩埋的廢物不會產生熱量。

庫爾曼說，美國能源部核能辦公室的乏燃料和廢物處置計劃旨在為美國的多種可行處置方案提供可靠的技術基礎，特別是熱量如何改變液體和氣體通過鹽分并與鹽相互作用的方式。從這項基礎研究中獲得的理解將用于改進概念和計算機模型，最終讓決策者了解在鹽床中處理乏核燃料的好處。桑迪亞是該項目的牽頭實驗室。

“鹽是核廢料儲存的可行選擇，因為在遠離挖掘場的地方，任何開口都可以愈合，”庫爾曼說。“然而，在挖掘點附近有這個受損巖石的光環。過去人們一直避免預測受損鹽分內的復雜相互作用，因為 30 英尺外的鹽分是一個完美的、不可滲透的屏障。現在，我們想加深對廢物旁邊早期復雜性的理解。我們了解得越多，我們對鹽庫的長期信心就越大。”

第一次實驗中的反復試驗

為了了解加熱時受損鹽的行為，庫爾曼及其同事一直在 WIPP 地下 2,150 英尺的實驗區域進行實驗，該實驗區域距離正在進行的處置活動超過 3,200 英尺。他們還監測鹽水的分布和行為，鹽水是在蒸發了 2.5 億年歷史的海洋留下的鹽層中發現的鹽水。在 WIPP 中發現的少量鹽水比海水咸 10 倍。

“當天氣炎熱時，鹽的行為大不相同。如果你加熱一塊花崗巖，情況并沒有什么不同，”庫爾曼說。“熱鹽蠕動得更快，如果它變得足夠熱，鹽水中的水可能會沸騰，在廢物容器上留下一層鹽殼。然后蒸汽可能會移開，直到它冷卻到足以返回液體并溶解鹽分，這可能會形成一個復雜的反饋回路。”

桑迪亞國家實驗室地球化學家 Melissa Mills(左)和桑迪亞地球科學家 Kristopher Kuhlman 展示了來自他們的廢物隔離試驗廠試驗場的鹽樣本。他們剛剛開始為期數年的基礎科學實驗的第三階段，以了解鹽床處置庫中熱核廢料容器附近的鹽和非常咸的水如何表現。圖片來源：蘭迪蒙托亞/桑迪亞國家實驗室的照片

換句話說，科學家們正在研究乏核燃料產生的熱量是否有助于封閉廢物容器，甚至保護它們免受咸水可能造成的腐蝕。

該實驗的第一階段計劃于 2017 年開始，使用 WIPP 現有的水平孔。在這個“調整”階段，研究人員了解了在后續實驗中使用什么設備。例如，第一個加熱器，它像烤面包機一樣工作，并沒有讓附近的鹽熱到足以煮沸鹽水，地球科學家菲爾斯托弗說，他在結合計算機模型和現實世界的實驗方面具有專業知識，他領導著洛斯阿拉莫斯國家實驗室的研究。貢獻。然而，該團隊嘗試的第二個加熱器，紅外線模型，是有效的。它更像太陽。

“當我們將第一個輻射加熱器放入第一個鉆孔時，作為安定階段的一部分，結果證明空氣不允許熱量有效地進入巖石，”Stauffer 說。“然后我們切換到紅外線加熱器，熱量在空氣中傳播，幾乎沒有能量損失。在早期的數值模擬中，我們只是天真地加熱;我們不擔心熱量是如何從加熱器進入巖石的。”

鹽水和氣體如何穿過鹽分

在實驗的第二階段，該團隊在大廳的一側鉆了兩組 14 個水平孔，并將 100 多個不同的傳感器插入包含加熱器的中央水平孔周圍的孔中。這些傳感器在鹽加熱和冷卻時監測聲音、應變、濕度和溫度。

桑迪亞地球化學家梅麗莎米爾斯制作了一種特殊的鹽混凝土密封件，用于測試水泥和鹽水之間的相互作用。

桑迪亞國家實驗室地球科學家克里斯托弗庫爾曼和洛斯阿拉莫斯國家實驗室科學家湯姆拉恩小心翼翼地從一個鉆孔中提取鹽水樣本。照片由桑迪亞國家實驗室提供

在使用的傳感器中，有近 100 個溫度傳感器，就像家用恒溫器中的傳感器一樣，因此研究人員可以隨時間測量加熱器周圍位置的溫度。勞倫斯伯克利國家實驗室的地球科學家 Yuxin Wu 還安裝了光纖溫度傳感器、應變儀和電阻率成像。

庫爾曼說，桑迪亞地球科學家 Charles Choens 使用稱為聲發射傳感器的特殊麥克風來聆聽鹽晶體在加熱時膨脹和冷卻時的“爆裂聲”。該團隊使用這些麥克風對爆裂的鹽晶體的位置進行三角測量。

“這些爆裂物是鹽床瞬時滲透性的證據——鹽晶體之間的裂縫，鹽水可以滲透通過。” 庫爾曼說。“當你加熱它時，它會關閉那些小裂縫。當鹽熱時，滲透性下降，但當它冷卻時，裂縫暫時打開，滲透性增加。”

庫爾曼說，為了測試氣體通過受損鹽的流動，研究人員將少量稀有氣體(如氪和六氟化硫)注入一個鉆孔并監測它們在另一個鉆孔中的出現。“當鹽很熱時，氣體不會去任何地方。當我們關掉暖氣時，氣體會滲入鹽層并從另一個鉆孔中排出。”

同樣，該團隊將實驗室制造的鹽水注入一個鉆孔，其中含有少量錸元素和藍色熒光染料作為“示蹤劑”。該團隊正在監測其他鉆孔中是否出現液體，并將在測試結束時對其進行采樣。

“熒光染料的目標——一旦我們鉆出測試后的樣本——就是繪制示蹤劑的去向，”米爾斯說。“顯然，如果我們檢測到錸信號，我們就可以說它從一個鉆孔到另一個鉆孔，但我們不知道它走的路徑。此外，鹽水會與鹽中的礦物質(如粘土)相互作用。熒光染料是一種識別液體示蹤劑在現場實際去向的可見方式。”

在從 10 月中旬開始的第三階段中，該團隊將在他們在實驗前幾個階段學到的知識的基礎上，鉆探一個由 9 個加熱鉆孔組成的新陣列。

在具有挑戰性的地下條件下工作

Stauffer 和米爾斯說，該團隊從實驗的前兩個階段學到了很多東西，包括最好的加熱器類型、鉆孔的時間以及鹽水的腐蝕性。

鹽水滲入絕緣電線導致電子設備腐蝕的示例。廢物隔離試驗工廠中鹽水的普遍性質只是桑迪亞國家實驗室領導的研究團隊在實驗的前兩個階段克服的挑戰之一。照片由桑迪亞國家實驗室提供

“前兩個階段涉及大量設備測試;有些失敗了，有些被送回了制造商，”米爾斯說。“我們還學會了保留備用設備，因為鹽塵和鹽水會破壞設備。我們需要雙重密封，因為鹽水會滲入絕緣電線，然后設備死亡。這是一個學習如何在鹽環境中工作的過程。”

庫爾曼同意了。“當您將敏感的實驗室設備放入鹽礦時，很多事情都會出錯。我們回去閱讀了 80 年代 WIPP 實驗的報告。我們想從過去吸取教訓，但有時我們不得不犯下自己的錯誤。”

研究人員正在與國際合作伙伴合作，使用該項目的數據來改進地下發生的復雜化學、溫度、水基和物理相互作用的計算機模型。這將改進全球核廢料儲存庫的未來建模。

庫爾曼和 Stauffer 說，最終，該團隊希望擴大到更大、更長時間的實驗，以獲得與未來鹽庫相關的數據。這些數據補充了已經收集的數據，將告知處置庫設計者和政策制定者在鹽庫中永久處置發熱核廢料的安全性。

“對我來說，在一個如此動手的項目上工作真的很有趣，”米爾斯說。“開始設計和構建系統并進入 WIPP 的地下工作真的很有意義。在活躍的礦山環境中進行研究可能是一項挑戰，但我很自豪能在那里工作并實施我們的想法。”