El CIMNE contribueix a un projecte internacional per garantir la seguretat dels magatzems geològics de residus nuclears

Emmagatzematge de residus radioactius temporal previ a l’emmagatzematge geològic profund.

L’electricitat representa avui dia prop del 40% de les emissions globals de gasos d’efecte hivernacle, segons l’Agència Internacional de l’Energia (IEA). Països com França, Suècia, Finlàndia o el Canadà han apostat fermament per l’energia nuclear, lliure de CO₂ durant la seva generació, per descarbonitzar el sistema energètic.

L’emmagatzematge geològic profund és actualment la solució més acceptada entre la comunitat científica i les entitats estatals per gestionar els residus radioactius d’alta i mitjana activitat i llarga vida mitjana per l’aïllament i seguretat amb perspectiva de futur que proporcionen. El Centre Internacional de Mètodes Numèrics a l’Enginyeria (CIMNE) participa en un ambiciós projecte de recerca internacional, DECOVALEX, on aporta la seva expertesa en models computacionals avançats per millorar la comprensió del comportament d’aquests sistemes a llarg termini.

Mètodes numèrics per assegurar l’estructura dels magatzems nuclears

Els mètodes numèrics s’han mostrat útils per abordar processos fisicoquímics complexos i això els converteix en una eina prometedora. Simular amb precisió el comportament geològic és crític no només per al disseny dels magatzems, sinó també per a la gestió i monitoratge dels actius. Mentre els experiments a escala real tenen problemes inherents i costos elevats, les simulacions avançades són útils per analitzar les característiques i l’evolució de les formacions geològiques que formen els magatzems.

Amb una trajectòria de més de 30 anys, DECOVALEX (Development of Coupled Models and their Validation against Experiments) és un projecte en col·laboració de grups de recerca i el suport d’agències estatals i organitzacions de gestió de residus radioactius, que pretén entendre els processos fisicoquímics en els magatzems geològics i traduir-los en models numèrics. La participació de CIMNE comença, finançada per ENRESA (Empresa Nacional de Residuos Radiactivos S.A), en l’edició del 1999 al 2003. CIMNE ha continuat participant-hi des del 2008 fins ara, actualment, en el seu cas, finançat per ENRESA i ANDRA (Agence nationale pour la gestion des déchets radioactifs).

Fa dos anys va tancar la subedició DECOVALEX-23 (2020-2023), destinada a abordar un ampli ventall de qüestions relacionades amb el comportament d’estructures naturals o artificials de roques argiloses i cristal·lines. Concretament, posa el focus en la roca argilosa Callovo-Oxfordian, una formació geològica especialment estudiada, escollida a França per a l’emmagatzematge de residus i candidata a la resta d’Europa.

Esquema d’un magatzem geològic profund per a residus nuclears d’alta activitat que mostra dos sistemes diferents: el sistema KBS-3V, amb emmagatzematge vertical dels contenidors, i el sistema KBS-3H, amb emmagatzematge horitzontal.

Aquesta integritat final depèn especialment del procés d’impressió. Concretament, la impressió 3D de formigó és la variant més freqüent i un mètode de construcció eficient. Però amb aquest mètode, sovint apareixen deformacions entre algunes capes impreses. La construcció perimetral imprimeix les capes en temps i recorreguts diferents, que generen filaments i interfícies febles entre les capes. Això pot provocar un comportament mecànic anisòtrop del material que augmenta el risc de fractures a l’estructura.

La temperatura també amenaça

Les magnituds fisicoquímiques bàsiques són les primeres d’amenaçar la integritat dels magatzems nuclears i afectar-ne potencialment la seguretat. La temperatura (T), la humitat (H) i les tensions mecàniques (M) són actors principals i interactuen de manera complexa a través del que es coneix com el comportament THM (Thermo-Hydro-Mechanical). Els efectes hidromecànics s’han estudiat en detall per tests in situ i estudis numèrics, deixant de banda l’efecte de la temperatura. Encara que aquest efecte no sembli evident, els residus nuclears d’alta activitat alliberen grans quantitats de calor que influeixen decisivament en l’estructura que els envolta. L’augment de la temperatura pot generar pressions internes dins la roca per l’expansió desigual de l’aigua i els minerals i provocar-hi esquerdes.

En un dels estudis proposats s’ha analitzat numèricament la resposta THM dels magatzems amb residus d’alta activitat a escala real. Els models han considerat l’excavació, la instal·lació del magatzem i la seva operació a llarg termini i han reproduït amb èxit les condicions geològiques inicials. Les simulacions en què ha participat CIMNE confirmen que les grans quantitats de calor augmenten significativament la pressió dels porus, fet que afebleix l’estructura de la roca, ja danyada per l’excavació. A més, mostren com l’espai entre els microtúnels, que allotgen els contenidors de residus nuclears, és un factor determinant: una separació massa petita afavoreix la concentració de tensió i la formació de zones danyades, tot i que no arriben a propagar-se a les roques sanes.

Alliberament de gasos i esquerdes en l’estructura

Les fractures de l’estructura fruit de l’alta pressió no són exclusives del comportament anterior. La corrosió o degradació dels metalls, sobretot pel cas dels residus radioactius d’alta activitat i llarga vida mitjana, comporta l’alliberament de gas, normalment hidrogen, que a llarg termini també incrementen la pressió interna.

Una altra línia del projecte s’ha encarregat de l’impacte de la pressió i de l’alliberament de gas i de calcular quina és la pressió llindar a partir de la qual es malmet la roca. Obtenir aquests paràmetres és fonamental perquè el disseny dels magatzems de residus radioactius faciliti la circulació dels gasos a través de l’estructura i en previngui els danys. L’equip ha simulat les condicions d’alta pressió que provoquen esquerdes a la roca i, tot i les vigents limitacions dels resultats, els models poden predir en quines condicions es formen les esquerdes i què cal controlar per evitar-les.

Esquema d’un contenidor de residus radioactius en un magatzem geològic profund, envoltat de roca argilosa.

Del laboratori a la pantalla: com polir els models numèrics

En el marc del projecte, s’ha realitzat un experiment pioner a escala de laboratori que simula les condicions d’un magatzem geològic amb residus d’alta activitat al laboratori Äspö Hard Rock, a Suècia. Aquest experiment ha reproduït de manera controlada els efectes THM en una mostra de roca argilosa representativa i ha monitorat la possible formació d’esquerdes.

Les dades obtingudes són molt valuoses alhora que palesen el potencial dels models numèrics: només han requerit modificacions lleus per reproduir els fenòmens clau, fins i tot a gran escala. Tanmateix, les simulacions continuen necessitant les dades de laboratori per fer-ne un calibratge inicial i, juntament amb la complexitat dels processos físics, condiciona la capacitat predictiva d’aquesta eina.

El paper del CIMNE en la seguretat a llarg termini

Aquestes mostres de treball evidencien la rellevància dels mètodes numèrics en contextos en què els efectes són a llarg termini o l’experimentació és costosa des del punt de vista logístic i/o econòmic. El personal investigador del clúster en geomecànica i hidrogeologia del CIMNE han contribuït en aquest projecte des del 2008 com a centre de referència en mètodes numèrics a l’enginyeria i hi continuen involucrats en la seva nova edició DECOVALEX-27 (2024-2027), que pretén resoldre les limitacions d’aquests models així com nous desafiaments tècnics. La recerca del grup Geomechanics de CIMNE treballa per aprofundir en el coneixement del comportament geològic i ha desenvolupat eines computacionals que són referents en l’anàlisi de processos físics varis aplicats a l’estudi i el disseny d’estructures subterrànies.

Gràcies a la recerca internacional, l’expertesa dels investigadors i un enfocament multidisciplinari, el projecte DECOVALEX segueix sent un referent per millorar la resiliència en l’emmagatzematge de residus nuclears i garantir-ne la seguretat a llarg termini. Els mètodes numèrics són una eina versàtil i eficaç per posar a prova el disseny d’aquests sistemes i per millorar la comprensió dels processos complexos que hi tenen lloc.

[1] Fei, S., Gens, A. Collico, S., Plúa, C., Armand, G., & Huaning, W. (2025). Analysis of short- and long-term coupled THM behaviours in argillaceous rock for nuclear waste disposal. Geomechanics for Energy and the Environment, 42, 100660. https://doi.org/10.1016/j.gete.2025.100660

[2] Plúa, C., de La Vaissière, R., Armand, G., Olivella, S., Rodríguez-Dono, A., Yu, Z., Shao, J.-f., Radeisen, E., & Shao, H. (2025). Numerical investigation of the gas-induced fracturing behavior of the Callovo-Oxfordian claystone. Geomechanics for Energy and the Environment, 27, 100669. https://doi.org/10.1016/j.gete.2025.100669

[3] Tamayo-Mas, E., Harrington, J. F., Damians, I. P., Kim, J. T., Radeisen, E., Rutqvist, J., Lee, C., Noghretab, B. S., & Cuss, R. J. (2025). A comparative analysis of numerical approaches for the description of gas flow in clay-based repository systems: From a laboratory to a large-scale gas injection test. Geomechanics for Energy and the Environment, 42, 100654. https://doi.org/10.1016/j.gete.2025.100654