Potrzebne długoterminowe prognozy bezpieczeństwa składowisk odpadów jądrowych

Federalne Ministerstwo zleca opracowanie nowych metod uczenia maszynowego

Federalne Ministerstwo Środowiska, Ochrony Klimatu, Ochrony Przyrody i Bezpieczeństwa Jądrowego (BMUKN) wspiera podstawowe badania stosowane, które są pomocne przy wyborze lokalizacji głębokiego składowiska geologicznego dla wysokoaktywnych odpadów promieniotwórczych. Na projekt MALEK przeznaczono około 1,7 mln euro. MALEK ma na celu opracowanie portfolio metod wspierających ocenę bezpieczeństwa składowiska odpadów promieniotwórczych. Obejmuje to opracowanie metod umożliwiających modelowanie procesów transportu i reakcji w krystalicznej skale macierzystej w okresie jednego miliona lat. Projekt jest koordynowany przez Instytut Ekologii Zasobów w Centrum Helmholtza Drezno-Rossendorf (HZDR). Dodatkowymi partnerami są Center for Advanced Systems Understanding (CASUS) przy HZDR, TU Bergakademie Freiberg i TU Darmstadt.

Składowanie wysokoaktywnych odpadów promieniotwórczych stanowi poważne wyzwanie techniczne i społeczne. Bezpieczeństwo jest kluczowym czynnikiem w ocenie potencjalnych lokalizacji składowisk w głębokich warstwach geologicznych. Dzięki tej inicjatywie finansowania ministerstwo stara się zaradzić istniejącym lukom w wiedzy: nowe projekty badawczo-rozwojowe mają na celu ustanowienie i dalszy rozwój podstaw naukowych niezbędnych do oceny bezpiecznego składowania odpadów radioaktywnych.

Zaplanowany na 36 miesięcy projekt MALEK (Machine Learning for Complex Hydrological-Geochemical Processes in Crystalline Rock Repositories) bada, w jaki sposób należy zaprojektować modele, aby móc przewidzieć najgorsze scenariusze retencji radionuklidów w repozytorium. Potrzebne są prognozy obejmujące skalę przestrzenną od milimetrów do kilometrów i skalę czasową do miliona lat. W tym kontekście konwencjonalne modele numeryczne i metody symulacji osiągają swoje limity obliczeniowe.

MALEK stosuje zatem podejście, które systematycznie rozszerza oparte na fizyce modele transportu radionuklidów o metody uczenia maszynowego. Kluczową zaletą jest znaczne przyspieszenie złożonych symulacji bez pomijania podstawowych procesów fizycznych i chemicznych. Głównym narzędziem w tym kontekście jest wykorzystanie tak zwanych modeli zastępczych: modeli uczenia maszynowego wyszkolonych na danych generowanych przez intensywne obliczeniowo symulacje. Po przeszkoleniu modele te mogą zastąpić oryginalne symulacje. Chociaż wyniki są przybliżone, kluczowy jest fakt, że są one dostępne znacznie szybciej niż wyniki szczegółowych symulacji.

Dodatkowe informacje:

prof Vinzenz Brendler

Kierownik Zakładu Termodynamiki Aktynowców
Instytut Ekologii Zasobów HZDR

Kontakt dla mediów:

dr Martin Laqua

Menedżer Komunikacja, Prasa i Public Relations
Center for Advanced Systems Understanding (CASUS)

Szwedzka koncepcja przechowywania paliwa jądrowego KBS-3 (uran w stalowych pojemnikach otoczonych miedzianymi pojemnikami, bentonitem i 500 m skał). Äspö Hard Rock Laboratory: Podziemne laboratorium badawcze w krystalicznej skale: Obiekty takie jak te dostarczają ważnych danych do modelowania procesów transportu podczas długoterminowego przechowywania wysokoaktywnych odpadów promieniotwórczych. Zdjęcie: Karrock/Wikimedia Commons

„Modele zastępcze będą stosowane na wielu etapach całego projektu”, wyjaśnia koordynator projektu prof. Vinzenz Brendler, kierownik działu „Termodynamika aktynowców” w Instytucie Ekologii Zasobów HZDR. „Jednym z przykładów jest sorpcja – silne wiązanie radionuklidów ze skałami lub minerałami. Zależy to w dużej mierze od otaczających warunków chemicznych. Im silniejsze wiązanie, tym wolniej radionuklidy mogą migrować przez podpowierzchnię. Inny planowany model zastępczy dotyczy transportu reaktywnego przez matrycę skalną. Proces ten zależy nie tylko od sorpcji, ale także od procesów dyfuzji, właściwości skał i reakcji chemicznych”.

Koncentracja na dokładnych, solidnych i przejrzystych metodach

„MALEK doprowadzi do zrozumiałych, weryfikowalnych i powtarzalnych podejść do modelowania, wnosząc tym samym ważny wkład w bardziej solidne oceny bezpieczeństwa” – mówi dr Attila Cangi, kierownik działu „Machine Learning for Materials Design” w CASUS. „Naszym celem jest przeniesienie wiedzy specjalistycznej, którą opracowaliśmy w zakresie modeli uczenia maszynowego do mikroskopowego opisu materiałów do tego zastosowania, ponieważ podstawowe wyzwania metodologiczne są ze sobą ściśle powiązane”. Prof. Michael Hecht, kierownik CASUS Young Investigator Group „Mathematical Foundations of Complex Systems Science”, podkreśla planowaną systematyczną ocenę opracowanych modułów: „Od indywidualnych modeli zastępczych do ich kombinacji, a ostatecznie do różnych wersji zintegrowanego modelu oceny, głównym pytaniem jest, które rozwiązania są najlepiej dopasowane pod względem dokładności, solidności i przejrzystości”. W tym celu przeprowadzone zostaną szeroko zakrojone analizy porównawcze i analizy niepewności, obejmujące doświadczenia z podziemnych laboratoriów badawczych, takich jak Äspö w Szwecji i Grimsel w Szwajcarii.

MALEK koncentruje się na krystalicznych skałach macierzystych, jednym z typów skał macierzystych rozważanych w Niemczech pod kątem budowy głębokiego składowiska geologicznego. Ponieważ sama skała jest zwykle bardzo gęsta, szczeliny i strefy uskoków odgrywają decydującą rolę: kontrolują przepływ wód gruntowych, a tym samym transport rozpuszczonych substancji, takich jak radionuklidy. Te złożone cechy strukturalne sprawiają, że skały krystaliczne stanowią szczególne wyzwanie z naukowego punktu widzenia, dlatego oczekuje się, że projekt dostarczy szczególnie cennych informacji.

Projekt, który rozpoczął się na początku 2026 r., będzie korzystał z uzupełniającej się wiedzy partnerów. Prof. Brendler i jego zespół wnoszą doświadczenie w zakresie geochemii, modelowania transportu reaktywnego i opracowywania metod opartych na danych. Dr Cangi i prof. Hecht zapewniają wiedzę specjalistyczną w zakresie uczenia maszynowego i matematycznego modelowania zastępczego. Prof. Thomas Nagel z TU Bergakademie Freiberg jest ekspertem w kwestiach związanych ze spękanymi porowatymi geomateriałami, a także symulacjami i weryfikacjami geotechnicznymi. Prof. Denise Degen z TU Darmstadt wnosi wiedzę specjalistyczną w zakresie analizy niepewności w naukach geologicznych, która pomaga uprościć złożone modele obliczeniowe oparte na prawach fizycznych.

________________________________________________________

O Center for Advanced Systems Understanding

CASUS został założony w 2019 roku w Görlitz/Niemcy i prowadzi intensywne badania interdyscyplinarne systemów w tak różnorodnych dziedzinach, jak badania systemów ziemskich, biologia systemów czy badania materiałów. Celem CASUS jest tworzenie cyfrowych obrazów złożonych systemów o niespotykanej wierności rzeczywistości za pomocą innowacyjnych metod z matematyki, teoretycznych badań systemów, symulacji oraz danych i informatyki, aby udzielać odpowiedzi na pilne pytania społeczne. Partnerami założycielskimi CASUS są Centrum Helmholtza Drezno-Rossendorf (HZDR), Centrum Badań Środowiskowych Helmholtza w Lipsku (UFZ), Instytut Biologii Komórkowej i Genetyki Molekularnej Maxa Plancka w Dreźnie (MPI-CBG), Politechnika Drezdeńska (TUD) i Uniwersytet Wrocławski (UWr). CASUS, zarządzany jako instytut HZDR, jest finansowany przez Federalne Ministerstwo Badań, Technologii i Przestrzeni Kosmicznej (BMFTR) oraz Saksońskie Ministerstwo Stanu ds. Nauki, Kultury i Turystyki (SMWK).

Dodatkowe informacje:

prof Vinzenz Brendler

Kierownik Zakładu Termodynamiki Aktynowców
Instytut Ekologii Zasobów HZDR

v.brendler@hzdr.de

Kontakt dla mediów:

dr Martin Laqua

Menedżer Komunikacja, Prasa i Public Relations Center for Advanced Systems Understanding (CASUS)