Almacenamiento temporal de residuos radiactivos previo al almacenamiento geológico profundo.
La electricidad representa hoy en día cerca del 40% de las emisiones globales de gases de efecto invernadero, según la Agencia Internacional de la Energía (IEA). Países como Francia, Suecia, Finlandia o Canadá han apostado firmemente por la energía nuclear, libre de CO₂ durante su generación, para descarbonizar el sistema energético.
El almacenamiento geológico profundo es actualmente la solución más aceptada entre la comunidad científica y las entidades estatales para gestionar los residuos radiactivos de alta y media actividad y larga vida media por el aislamiento y la seguridad que proporcionan de cara al futuro. El Centro Internacional de Métodos Numéricos en Ingeniería (CIMNE) participa en un ambicioso proyecto de investigación internacional, DECOVALEX, donde aporta su experiencia en modelos computacionales avanzados para mejorar la comprensión del comportamiento de estos sistemas a largo plazo.
Métodos numéricos para asegurar la estructura de los almacenes nucleares
Los métodos numéricos se han mostrado útiles para abordar procesos fisicoquímicos complejos, convirtiéndolos en una herramienta prometedora. Simular con precisión el comportamiento geológico es crítico no solo para el diseño de los almacenes, sino también para la gestión y monitoreo de los activos. Mientras los experimentos a escala real tienen problemas inherentes y costos elevados, las simulaciones avanzadas son útiles para analizar las características y la evolución de las formaciones geológicas que forman los almacenes.
Con una trayectoria de más de 30 años, DECOVALEX (Development of Coupled Models and their Validation against Experiments) es un proyecto en colaboración de grupos de investigación con el apoyo de agencias estatales y organizaciones de gestión de residuos radiactivos, que pretende entender los procesos fisicoquímicos en los almacenes geológicos y traducirlos en modelos numéricos. La participación de CIMNE comenzó, financiada por ENRESA (Empresa Nacional de Residuos Radiactivos S.A), en la edición de 1999 a 2003. CIMNE ha continuado participando desde 2008 hasta ahora, actualmente, en su caso, financiado por ENRESA y ANDRA (Agence nationale pour la gestion des déchets radioactifs).
Hace dos años se cerró la subedición DECOVALEX-23 (2020-2023), destinada a abordar un amplio abanico de cuestiones relacionadas con el comportamiento de estructuras naturales o artificiales de rocas arcillosas y cristalinas. Concretamente, pone el foco en la roca arcillosa Callovo-Oxfordian, una formación geológica especialmente estudiada, elegida en Francia para el almacenamiento de residuos y candidata para el resto de Europa.
Esquema de un almacén geológico profundo para residuos nucleares de alta actividad que muestra dos sistemas diferentes: el sistema KBS-3V, con almacenamiento vertical de los contenedores, y el sistema KBS-3H, con almacenamiento horizontal.
La temperatura también amenaza
Las magnitudes fisicoquímicas básicas son las primeras en amenazar la integridad de los almacenes nucleares y afectar potencialmente su seguridad. La temperatura (T), la humedad (H) y las tensiones mecánicas (M) son actores principales e interactúan de manera compleja a través de lo que se conoce como comportamiento THM (Thermo-Hydro-Mechanical). Los efectos hidromecánicos se han estudiado en detalle mediante pruebas in situ y estudios numéricos, dejando de lado el efecto de la temperatura. Aunque este efecto no parezca evidente, los residuos nucleares de alta actividad liberan grandes cantidades de calor que influyen decisivamente en la estructura que los rodea. El aumento de la temperatura puede generar presiones internas dentro de la roca debido a la expansión desigual del agua y los minerales y provocar fisuras.
En uno de los estudios propuestos se ha analizado numéricamente la respuesta THM de los almacenes con residuos de alta actividad a escala real. Los modelos han considerado la excavación, la instalación del almacén y su operación a largo plazo y han reproducido con éxito las condiciones geológicas iniciales. Las simulaciones en las que ha participado CIMNE confirman que las grandes cantidades de calor aumentan significativamente la presión de los poros, debilitando la estructura de la roca, ya dañada por la excavación. Además, muestran cómo el espacio entre los microtúneles, que alojan los contenedores de residuos nucleares, es un factor determinante: una separación demasiado pequeña favorece la concentración de tensiones y la formación de zonas dañadas, aunque no se propagan a las rocas sanas.
Liberación de gases y fisuras en la estructura
Las fracturas de la estructura provocadas por la alta presión no son exclusivas del comportamiento anterior. La corrosión o degradación de los metales, especialmente en el caso de los residuos radiactivos de alta actividad y larga vida media, provoca la liberación de gas, normalmente hidrógeno, que a largo plazo también incrementa la presión interna.
Otra línea del proyecto se ha encargado del impacto de la presión y de la liberación de gas, y de calcular cuál es la presión umbral a partir de la cual se daña la roca. Obtener estos parámetros es fundamental para que el diseño de los almacenes de residuos radiactivos facilite la circulación de los gases a través de la estructura y prevenga daños. El equipo ha simulado las condiciones de alta presión que provocan fisuras en la roca y, a pesar de las limitaciones actuales de los resultados, los modelos pueden predecir en qué condiciones se forman las fisuras y qué se debe controlar para evitarlas.
Esquema de un contenedor de residuos radiactivos en un almacén geológico profundo, rodeado de roca arcillosa.
Del laboratorio a la pantalla: cómo pulir los modelos numéricos
En el marco del proyecto, se ha realizado un experimento pionero a escala de laboratorio que simula las condiciones de un almacén geológico con residuos de alta actividad en el laboratorio Äspö Hard Rock, en Suecia. Este experimento ha reproducido de manera controlada los efectos THM en una muestra representativa de roca arcillosa y ha monitorizado la posible formación de fisuras.
Los datos obtenidos son muy valiosos y evidencian el potencial de los modelos numéricos: solo han requerido modificaciones leves para reproducir los fenómenos clave, incluso a gran escala. No obstante, las simulaciones continúan necesitando los datos de laboratorio para realizar un calibrado inicial y, junto con la complejidad de los procesos físicos, condicionan la capacidad predictiva de esta herramienta.
El papel del CIMNE en la seguridad a largo plazo
Estos ejemplos evidencian la relevancia de los métodos numéricos en contextos donde los efectos son a largo plazo o la experimentación es costosa desde el punto de vista logístico y/o económico. El personal investigador del clúster en Geomecánica e Hidrogeología del CIMNE ha contribuido a este proyecto desde 2008 como centro de referencia en métodos numéricos en ingeniería y sigue involucrado en su nueva edición DECOVALEX-27 (2024-2027), que pretende resolver las limitaciones de estos modelos así como nuevos desafíos técnicos. La investigación del grupo Geomecánica de CIMNE trabaja para profundizar en el conocimiento del comportamiento geológico y ha desarrollado herramientas computacionales que son referentes en el análisis de procesos físicos aplicados al estudio y diseño de estructuras subterráneas.
Gracias a la investigación internacional, la experiencia de los investigadores y un enfoque multidisciplinario, el proyecto DECOVALEX sigue siendo un referente para mejorar la resiliencia en el almacenamiento de residuos nucleares y garantizar su seguridad a largo plazo. Los métodos numéricos son una herramienta versátil y eficaz para poner a prueba el diseño de estos sistemas y para mejorar la comprensión de los procesos complejos que tienen lugar.
[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
