核能作为一种低碳能源，在全球能源转型中扮演着重要角色。然而，高放射性核废料(HLW)的处理问题一直是阻碍核能广泛应用的重大瓶颈。麻省理工学院(MIT)核科学与工程系的博士生达伦·萨森巴耶夫(Dauren Sarsenbayev)正通过创新模型寻求解决方案，他的研究不仅关注核废料的安全管理，更开创性地提出将核废料转化为能源的可能性。
核废料处理的双重挑战
萨森巴耶夫的研究聚焦于高放射性核废料的一个主要问题：放射性废料释放的衰变热。他的解决方案基本原理是从乏燃料中提取热量，这一方法同时实现两个目标：从现有的低碳资源中获取更多能源，同时减少高放射性废料存储与处理的挑战。
"碳免费能源的价值每年都在上升，我们希望尽可能多地提取它，"萨森虽然高放射性废料的安全管理和处置已取得显著进展，但仍可能有更具创造性的方式来管理或利用这些废料。这样的转变对于公众接受核能尤为重要。
"我们正在重新定义核废料问题，将其从负债转变为能源来源，"萨森巴耶夫表示。
从个人经历到专业选择
萨森巴耶夫自己对核能的看法也需要一些重新定义。他在哈萨克斯坦最大的城市阿拉木图长大，苏联核试验的集体创伤在公众意识中留下了深刻烙印。这个曾经是苏联一部分的国家，不仅携带着核武器测试的伤痕，还是世界上最大的铀生产国。这样的遗产很难在集体心理中消失。
与此同时，萨森巴耶夫看到他的家乡阿拉木图每年冬季因燃烧化石燃料取暖而笼罩在浓重的烟雾中。决心为加速脱碳进程做出贡献，他转向哈萨克斯坦-德国大学攻读环境工程学士学位。正是在这段时间，萨森巴耶夫意识到 practically 每种能源来源，甚至是有前景的可再生能源，都伴随着挑战，并决定选择核能作为其可靠、低碳的电力来源。
"我从童年时期就暴露在空气污染中；地平线只是黑色的。核能对我最大的激励是，只要我们正确处理，人们就能呼吸到更清洁的空气，"萨森巴耶夫说。
放射性核素迁移研究
"正确处理核能"的一部分涉及研究并可靠预测放射性核素在地质储存库中的长期行为。
萨森巴耶夫在大学本科三年级时，在劳伦斯伯克利国家实验室实习期间，发现了对核废料管理的研究兴趣。
在伯克利期间，萨森巴耶夫专注于模拟放射性核素从核废料储存库屏障系统到周围围岩的迁移。他发现了如何使用行业工具来预测长期行为。"作为本科生，我对未来能够预测到多么遥远的事情感到着迷。这有点像预见后代将遇到什么，"萨森巴耶夫说。
伯克利实习的时机非常幸运。正是在那里，他与哈鲁科·村上·温赖特(Haruko Murakami Wainwright)合作，而她本人刚刚开始在MIT核科学工程系工作。(温赖特是当代技术三井职业发展教授，以及核科学工程系和土木与环境工程系的助理教授)。
为了在核废料管理领域攻读研究生，萨森巴耶夫跟随温赖特来到MIT，在那里他进一步研究了放射性核素迁移的建模。他作为第一作者撰写的一篇论文详细介绍了增加描述放射性核素迁移模型鲁棒性的机制。这项工作捕捉了工程屏障组件之间相互作用的复杂性，包括基于水泥的材料和粘土屏障，这些是储存和处置乏核燃料的典型介质。
萨森巴耶夫对模型预测的结果感到满意，这些结果与瑞士蒙泰里研究站点进行的实验密切吻合，该站点以研究水泥和粘土之间的相互作用而闻名。"我很幸运能与卡尔·斯蒂费尔博士(Carl Steefel)和克里斯托夫·图尔纳萨特教授(Christophe Tournassat)合作，他们是计算地球化学领域的领先专家，"他说。
AI加速核废料模型预测
现实生活中的迁移机制涉及许多物理和化学过程，这些过程的复杂性显著增加了计算模型的大小。反应迁移模拟——结合流体流动、化学反应以及物质通过地下介质的迁移的模拟——在过去几十年中已取得显著进展。然而，运行准确的模拟需要权衡：软件在高性能并行集群上运行可能需要数天到数周的计算时间。
为了通过节省计算时间更快地获得结果，萨森巴耶夫正在开发一个整合基于AI的"代理模型"的框架，这些模型在模拟数据上训练并近似物理系统。AI算法比传统等效方法更快且计算强度更低地预测放射性核素行为。
博士研究重点：核废料作为地热能源
萨森巴耶夫在他的主要博士工作中也运用了他的建模专业知识——评估乏核燃料作为人造地热能源的潜力。"事实上，地热热能主要是由于地壳中放射性同位素的自然衰变，所以使用乏燃料的衰变热在概念上是相似的，"他说。一个核废料容器在保守假设下可以产生相当于1000平方米(不到四分之一英亩)太阳能板的能量。
因为来自容器的热潜力是显著的——一个典型的容器(取决于它在乏燃料池中冷却了多长时间)温度约为150摄氏度——但不是巨大的，从这个来源提取热量利用了一个称为二元循环系统的过程。在这样的系统中，热量是间接提取的：容器加热一个封闭的水循环，后者又将热量转移到二级低沸点流体，该流体驱动涡轮机。
萨森巴耶夫的工作开发了一个由高放射性废料热能驱动的二元循环地热系统的概念模型。早期的建模结果已经发表并显示出前景。虽然这种能源提取的潜力目前处于建模的概念验证阶段，但萨森巴耶夫希望当它转化为实践时能够取得成功。"将负债转化为能源来源是我们想要的，而这个解决方案实现了这一点，"他说。
科学与艺术的平衡
尽管工作非常消耗精力——"我几乎痴迷于并热爱我的工作"——萨森巴耶夫仍抽出时间用他的母语哈萨克语和成长过程中学习的俄语写反思性诗歌。他还迷恋天文摄影，拍摄天体的照片。找到合适的夜空可能是一个挑战，但他家乡阿拉木图附近的峡谷尤其适合。每当假期回家时，他都会去摄影，他对阿拉木图的热爱显而易见。"阿拉木图的意思是'苹果起源的地方'。中亚的这个部分非常美丽；尽管我们有环境污染，但这是一个有着丰富历史的地方，"萨森巴耶夫说。
萨森巴耶夫特别热衷于寻找向后代传达艺术和科学的方法。"显然，你必须技术上严谨并正确建模，但你还必须理解和传达你为什么做这项工作、最终目标是什么的更广阔图景，"他说。通过这种视角，萨森巴耶夫博士工作的影响是显著的。最终目标是什么？通过生产免费碳的电力和确保放射性废料的安全处置，消除核能采用的瓶颈。
核能未来的新思路
萨森巴耶夫的研究代表了一种解决核废料问题的创新方法，这种思路正在改变核能领域的讨论方式。传统的核废料管理主要关注安全隔离和长期监控，而他的研究则探索了如何将废料视为潜在的资源。
这种转变不仅具有技术意义，还具有社会意义。通过将核废料重新定义为能源来源，研究人员可以减轻公众对核能的担忧，提高核能在全球能源结构中的接受度。随着气候变化问题日益严峻，核能作为一种低碳能源的重要性只会增加，而解决废料问题将是核能大规模应用的关键。
技术挑战与未来展望
尽管前景令人鼓舞，但将萨森巴耶夫的概念转化为实际应用仍面临重大挑战。首先，需要开发能够安全高效地从核废料容器中提取热能的技术系统。其次，必须确保这种能源提取过程不会干扰废料的长期安全隔离。此外，还需要建立适当的监管框架，以确保这种新型能源系统的安全性和可靠性。
萨森巴耶夫和他的团队正在继续完善他们的模型，并与行业合作伙伴合作探索实际应用的可能性。随着技术的进步和对核能需求的增长，这种将废料转化为能源的方法可能会成为核能行业的重要组成部分，为解决气候变化和能源安全提供新途径。
结论
达伦·萨森巴耶夫的研究展示了如何通过创新思维解决长期存在的挑战。通过将核废料重新定义为能源来源，他不仅为核能的未来开辟了新可能性，也为其他领域的废物管理提供了借鉴。随着全球向低碳经济转型，这种将废物转化为资源的方法可能会成为可持续发展的关键策略之一。
萨森巴耶夫的工作提醒我们，科学创新不仅需要技术专长，还需要跨学科思维和社会意识。通过结合科学严谨性与对更广泛社会影响的理解，研究人员可以开发出真正变革性的解决方案，解决人类面临的最紧迫挑战。
