Simulación de la difusión de contaminantes en suelo a través de un medio poroso: Etapa II

Responsable: ESTELA MAYORAL VILLA

Objetivos:

Desarrollo de un código numérico SPH para simular la difusión de contaminantes en suelo a través de un medio poroso y estudio de la difusión de contaminantes en suelo a través de un medio poroso utilizando diversas técnicas numéricas.

Antecedentes:

En la figura se muestra el avance de un contaminante radiactivo en suelo con características geológicas definidas a lo largo del tiempo. En el eje vertical se representa la profundidad del sitio donde se localiza una concentración inicial definida de contaminante y los colores indican la concentración de éste en cada sitio.

El Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares es el encargado a nivel nacional de recibir y procesar los desechos radiactivos de bajo nivel, producto de los diferentes procesos que se llevan a cabo en hospitales, industrias, laboratorios, etc. donde se utiliza material radiactivo. Los desechos radiactivos son generados en diversas aplicaciones nucleares, por ejemplo en la medicina, la investigación y la industria. Los riesgos radiológicos y de seguridad de los desechos radiactivos varían en función de su vida media y nivel de radiactividad. Existe la demanda internacional de “Promover la investigación y el desarrollo de métodos para el tratamiento, el procesamiento y la eliminación inocuos y ecológicamente racionales, incluida la eliminación geológica profunda, de los desechos de alto nivel de radioactividad”, además de “Llevar a cabo programas de investigación y evaluación relativos a la determinación del impacto de la eliminación de los desechos radiactivos sobre la salud y el medio ambiente”.

En nuestro país, los desechos de bajo nivel desechos son procesados internamente en el ININ para su disposición y enviados al Centro de Almacenamiento de Desechos Radiactivos (CADER) operado por el mismo instituto. Este centro es un almacén temporal de desechos radiactivos de bajo nivel, con capacidad limitada de almacenamiento, haciéndose necesario trasladar todos los desechos que contiene a un repositorio definitivo de desechos radiactivos.

Específicamente en los procesos de selección del sitio y licenciamiento, es necesario evaluar la seguridad y uno de los puntos requeridos es la simulación de la migración de radionúclidos contenidos en los desechos, lo que hace importante el desarrollo de códigos de simulación de la migración de contaminantes en suelos con diferentes características para su mejor selección y evaluación de la seguridad.

La modelación del proceso de transporte a través del suelo es un problema complejo, el cual se ha estudiado durante la primera etapa de este proyecto. Los procesos asociados son en su mayoría acoplados y tienen influencia mutua, lo cual hace que los métodos tradicionales basados en Elemento Finito (EF) no puedan ser empleados de manera eficiente ya que al complicarse el sistema de ecuaciones a resolver y la información detallada del sistema, se requiere hacer simplificaciones que pueden llevar a estimaciones inadecuadas. Como una alternativa viable para subsanar estas deficiencias y tener un análisis más preciso del problema, se ha propuesto emplear métodos de simulación alternativos, los cuales han derivado en trabajos de modelos de difusión de fluidos a través de medios porosos basados en el método SPH (hidrodinámica de partículas suavizadas — Smoothed-Particle Hydrodynamics). En trabajos anteriores, se han desarrollado además algunos modelos de difusión de fluidos reactantes y modelos de transporte de biomasa, comprobándose que SPH presenta algunas propiedades que lo hacen particularmente atractivo para tratar con problemas de física compleja en dos y tres dimensiones, así como problemas de flujos con geometrías dinámicas o muy irregulares.

Beneficios:

El beneficio principal de este proyecto es el desarrollo de metodología y códigos numéricos propios, así como su implementación en distintas plataformas para abordar un problema de fundamental importancia para el país, que es el modelado de la evolución de contaminantes a través del suelo. Ello permitirá realizar de manera independiente las investigaciones pertinentes respecto a este problema, adaptándolo a las necesidades particulares y demandas específicas del ININ.

Logros Obtenidos:

Se llevó a cabo el estudio de varios sistemas, los cuales permitieron establecer una metodología adecuada para el estudio de transporte de contaminante en medio poroso empleando dos técnicas numéricas distintas: elemento finito e hidrodinámica de partículas suavizadas (SPH). En ambos casos los modelos desarrollados toman en cuenta las características geofísicas propias del sistema de interés y se analiza el avance del contaminante a través de este medio considerando su disolución total en el fluido de arrastre.

Específicamente se alcanzaron los siguientes productos:

1. Se introdujeron varios componentes (radionúclidos) en el sistema, con distintas constantes de decaimiento.

2. Se validó el modelo numérico contrastando con resultados experimentales reportados en la literatura.

3. Se introdujo un modelo básico para analizar el transporte debido a la presencia de fracturas en el sistema mediante elemento finito.

4. Se avanzó en tres estudios separados utilizando el software comercial COMSOL. El primero, consiste en una simulación tridimensional del flujo de contaminantes en un medio poroso; el segundo es el estudio de la migración de radionúclidos en el evento de una falla en el contenedor de material radiactivo, y el tercero es el de la difusión y absorción de selenio por biomasa no viva, para lo cual se realizó una comparación de resultados numéricos con experimentales.

Utilizando el software comercial COMSOL se estudiaron varios casos de la difusión de contaminantes en suelo a través de un medio poroso, teniéndose los siguientes logros:

a) Estudio del sistema reportado en la literatura conocido como Nopal 1, zona localizada al norte del país, para el análisis de la migración de U-238, Th-230 y Ra-226, donde se cuenta con la información experimental reportada para la validación de nuestro modelo numérico.

b) Comparación de los resultados del modelo numérico con los resultados de campo reportados en la literatura. Con esta información se realizó la escritura del artículo que reporta los resultados obtenidos para su publicación.

Aplicaciones:

Se llevó a cabo el estudio de un sistema particular ubicado en el norte del país, resolviendo las ecuaciones que describen el sistema mediante EF y comparando los resultados obtenidos con los valores experimentales reportados. La metodología desarrollada y validada se aplicará en estudios numéricos y análisis necesarios para apoyar en la selección de sitios de confinamiento adecuados.