¿Qué pasaría si hubiera una manera de resolver uno de los obstáculos más importantes al uso de la energía nuclear: la eliminación de desechos nucleares de alta actividad (HLW)? Dauren Sarsenbayev, estudiante de doctorado de tercer año en el Departamento de Ciencia e Ingeniería Nuclear (NSE) del MIT, está abordando el desafío como parte de su investigación.
Sarsenbayev se centra en uno de los principales problemas relacionados con los HLW: el calor de desintegración liberado por los residuos radiactivos. La premisa básica de su solución es extraer el calor del combustible gastado, lo que simultáneamente se ocupa de dos objetivos: obtener más energía de un recurso libre de carbono existente y al mismo tiempo reducir los desafíos asociados con el almacenamiento y manejo de HLW. “El valor de la energía libre de carbono sigue aumentando cada año y queremos extraer la mayor cantidad posible”, explica Sarsenbayev.
Si bien se han logrado avances significativos en la gestión y eliminación segura de HLW, puede haber formas más creativas de gestionar o aprovechar los desechos. Una medida así sería especialmente importante para la aceptación pública de la energía nuclear. “Estamos replanteando el problema de los residuos nucleares, transformándolos de un pasivo a una fuente de energía”, dice Sarsenbayev.
Los matices de la energía nuclear.
Sarsenbayev tuvo que replantearse un poco su forma de percibir la energía nuclear. Al crecer en Almaty, la ciudad más grande de Kazajstán, el trauma colectivo de las pruebas nucleares soviéticas pesaba sobre la conciencia pública. El país, que alguna vez fue parte de la Unión Soviética, no sólo tiene las cicatrices de las pruebas de armas nucleares, sino que Kazajstán es el mayor productor de uranio del mundo. Es difícil escapar de la psique colectiva de semejante legado.
Al mismo tiempo, Sarsenbayev veía cómo su Almaty natal se asfixiaba cada invierno bajo un denso smog, debido a la quema de combustibles fósiles para obtener calefacción. Decidido a hacer su parte para acelerar el proceso de descarbonización, Sarsenbayev se dedicó a realizar estudios universitarios en ingeniería ambiental en la Universidad Kazajo-Alemana. Fue durante este tiempo que Sarsenbayev se dio cuenta de que prácticamente todas las fuentes de energía, incluso las prometedoras renovables, presentaban desafíos y decidió que la energía nuclear era el camino a seguir para obtener su energía confiable y baja en carbono. “Estuve expuesto a la contaminación del aire desde la infancia; el horizonte era simplemente negro. El mayor incentivo para mí con la energía nuclear fue que, mientras la hiciéramos correctamente, la gente podría respirar un aire más limpio”, dice Sarsenbayev.
Estudio del transporte de radionucleidos.
Parte de “hacer energía nuclear correctamente” implica estudiar (y predecir de manera confiable) el comportamiento a largo plazo de los radionucleidos en depósitos geológicos.
Sarsenbayev descubrió su interés en estudiar la gestión de desechos nucleares durante una pasantía en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley cuando era estudiante universitario.
Mientras estuvo en Berkeley, Sarsenbayev se centró en modelar el transporte de radionucleidos desde el sistema de barrera del depósito de desechos nucleares hasta la roca huésped circundante. Descubrió cómo utilizar las herramientas del oficio para predecir el comportamiento a largo plazo. “Cuando era estudiante, estaba realmente fascinado por hasta qué punto en el futuro se podía predecir algo. Es algo así como prever lo que encontrarán las generaciones futuras”, dice Sarsenbayev.
El momento de la pasantía en Berkeley fue fortuito. Fue en el laboratorio donde trabajó con Haruko Murakami Wainwright, quien también estaba comenzando en el MIT NSE. (Wainwright es profesor de desarrollo profesional de Mitsui en tecnología contemporánea y profesor asistente de NSE y de ingeniería civil y ambiental).
Con el objetivo de realizar estudios de posgrado en el campo de la gestión de desechos nucleares, Sarsenbayev siguió a Wainwright al MIT, donde investigó más a fondo el modelado del transporte de radionúclidos. Es el primer autor de un artículo que detalla mecanismos para aumentar la solidez de los modelos que describen el transporte de radionucleidos. El trabajo captura la complejidad de las interacciones entre los componentes de las barreras diseñadas, incluidos los materiales a base de cemento y las barreras de arcilla, el medio típico propuesto para el almacenamiento y eliminación de combustible nuclear gastado.
Sarsenbayev está satisfecho con los resultados de la predicción del modelo, que refleja fielmente los experimentos realizados en el sitio de investigación de Mont Terri en Suiza, famoso por sus estudios sobre las interacciones entre cemento y arcilla. “Tuve la suerte de trabajar con el doctor Carl Steefel y el profesor Christophe Tournassat, destacados expertos en geoquímica computacional”, afirma.
Los mecanismos de transporte de la vida real implican muchos procesos físicos y químicos, cuyas complejidades aumentan drásticamente el tamaño del modelo computacional. El modelado del transporte reactivo, que combina la simulación del flujo de fluidos, reacciones químicas y el transporte de sustancias a través de medios subterráneos, ha evolucionado significativamente en las últimas décadas. Sin embargo, ejecutar simulaciones precisas conlleva desventajas: el software puede requerir días o semanas de tiempo de computación en clústeres de alto rendimiento que se ejecutan en paralelo.
Para llegar a resultados más rápidamente ahorrando tiempo de computación, Sarsenbayev está desarrollando un marco que integra “modelos sustitutos” basados en IA, que se entrenan con datos simulados y se aproximan a los sistemas físicos. Los algoritmos de IA hacen predicciones del comportamiento de los radionúclidos más rápidos y menos intensivos desde el punto de vista computacional que el equivalente tradicional.
Enfoque de investigación doctoral
Sarsenbayev también está utilizando su experiencia en modelización en su trabajo doctoral principal: en la evaluación del potencial del combustible nuclear gastado como fuente de energía geotérmica antropogénica. “De hecho, el calor geotérmico se debe en gran medida a la desintegración natural de los radioisótopos en la corteza terrestre, por lo que utilizar el calor de desintegración del combustible gastado es conceptualmente similar”, afirma. Un contenedor de residuos nucleares puede generar, bajo suposiciones conservadoras, la energía equivalente a 1.000 metros cuadrados (un poco menos de un cuarto de acre) de paneles solares.
Debido a que el potencial de calor de un recipiente es significativo (uno típico (dependiendo de cuánto tiempo estuvo enfriado en la piscina de combustible gastado) tiene una temperatura de alrededor de 150 grados Celsius), pero no enorme, la extracción de calor de esta fuente utiliza un proceso llamado sistema de ciclo binario. En un sistema de este tipo, el calor se extrae indirectamente: el recipiente calienta un circuito cerrado de agua, que a su vez transfiere ese calor a un fluido secundario de bajo punto de ebullición que impulsa la turbina.
El trabajo de Sarsenbayev desarrolla un modelo conceptual de un sistema geotérmico de ciclo binario alimentado por el calor procedente de residuos radiactivos de alta actividad. Los primeros resultados de los modelos se han publicado y parecen prometedores. Si bien el potencial para dicha extracción de energía se encuentra en la etapa de prueba de concepto en el modelado, Sarsenbayev tiene la esperanza de que tenga éxito cuando se lleve a la práctica. “Lo que queremos es convertir un pasivo en una fuente de energía, y esta solución lo cumple”, afirma.
A pesar de que el trabajo lo consume todo – “Estoy casi obsesionado con mi trabajo y lo amo” – Sarsenbayev encuentra tiempo para escribir poesía reflexiva tanto en kazajo, su lengua materna, como en ruso, que aprendió cuando era niño. También le apasiona la astrofotografía, tomando fotografías de cuerpos celestes. Encontrar el cielo nocturno adecuado puede ser un desafío, pero los cañones cerca de su casa en Almaty encajan especialmente bien. Participa en sesiones de fotografía cada vez que visita su casa durante las vacaciones y su amor por Almaty se hace evidente. “Almaty significa ‘el lugar donde se originaron las manzanas’. Esta parte de Asia Central es muy hermosa; Aunque tenemos contaminación ambiental, este es un lugar con una rica historia”, dice Sarsenbayev.
Sarsenbayev está especialmente interesado en encontrar formas de comunicar tanto las artes como las ciencias a las generaciones futuras. “Obviamente, hay que ser técnicamente riguroso y modelar correctamente, pero también hay que comprender y transmitir una visión más amplia de por qué se hace el trabajo y cuál es el objetivo final”, afirma. Desde esa perspectiva, el impacto del trabajo doctoral de Sarsenbayev es significativo. ¿El objetivo final? Eliminar el obstáculo para la adopción de la energía nuclear produciendo energía libre de carbono y garantizando la eliminación segura de los desechos radiactivos.