Original article: https://web.math.utk.edu/~vasili/va/descr/isv/
Witryfikacja in situ
Witryfikacja in situ (ISV) to obiecująca technologia, opracowywana przez DOE, służąca do długoterminowej stabilizacji odpadów niebezpiecznych zakopywanych w płytkich miejscach. Polega na stopieniu zanieczyszczonej gleby na miejscu i pozostawieniu jej do ostygnięcia. Stop zestala się w szklistą lub polikrystaliczną skałę zawierającą odpady, co znacznie zmniejsza wymywanie zanieczyszczeń do wód gruntowych. Topienie jest indukowane przez przyłożenie energii elektrycznej do ziemi za pomocą elektrod umieszczonych pionowo w glebie, która ma zostać stopiona. Topienie przebiega w dół i po schłodzeniu tworzy z grubsza półkulisty korpus. Nad miejscem umieszcza się kaptur, który zatrzymuje gazy i cząstki stałe uwalniane ze stopu i kieruje je do systemu oczyszczania gazów odlotowych. Etapy procesu ISV przedstawiono na rysunku 1.
Zakopane odpady, zawierające materiały radioaktywne, organiczne, metaliczne i palne, stanowią dużą część składowisk odpadów DOE, które będą wymagały rekultywacji. Zalety ISV dla takich odpadów obejmują: (1) niebezpieczne zanieczyszczenia organiczne i materiały palne są poddawane pirolizie i niszczeniu, co prowadzi do zmniejszenia objętości i uniknięcia przyszłego osiadania terenu, (2) radionuklidy są włączane do fazy szklistej lub krystalicznej po ochłodzeniu stopu , co skutkuje zmniejszoną ruchliwością, a (3) elementy metalowe ulegają stopieniu, minimalizując w ten sposób objętość i powierzchnię.
W maju 1991 roku w ORNL przeprowadzono dobrze oprzyrządowany pilotażowy test terenowy. Przeanalizowaliśmy zebrane ogromne ilości danych i opracowaliśmy różne modele w celu: sprawdzenia spójności danych; zrozumieć procesy zaangażowane i które z nich dominują; wyznaczać efektywne wartości parametrów (np. przewodności cieplnej i elektrycznej); wyjaśnić, co jest obserwowane, geochemicznie i termicznie; oraz opracować skuteczne narzędzia do szacowania i symulacji. Na przykład, między innymi, opracowaliśmy prostą, nieinwazyjną metodę określania temperatury stopu na podstawie danych dotyczących natężenia i napięcia (Rysunek 2). Takie procedury pośrednie są niezbędne w zastosowaniach do istniejących silnie zanieczyszczonych miejsc. Wśród kluczowych kwestii, które modelowanie może wyjaśnić, jest los pary wodnej pod stopionym materiałem oraz warunki, w których może powstać strefa nasycona wodą.
Chłodzenie i krzepnięcie stopu ma duże znaczenie geologiczne. Opracowaliśmy szczegółowy model i kod symulacyjny chłodzenia i krzepnięcia podwójnej magmy, obejmujący: sprzężone przewodzenie ciepła i dyfuzję substancji rozpuszczonej, termodynamikę binarnych stopionych kryształów, konstytucyjne przechłodzenie, właściwości termofizyczne zależne od temperatury i składu, przewodzące chłodzenie otaczającej gleby. Opis jest makroskopowy pod względem zmiennych lokalnych (stężenie, entalpia, temperatura, frakcja stała); prawa zachowania obowiązujące wszędzie w sensie słabym (całkowym), fazy wyróżnione jedynie wartościami frakcji stałej. W tym podejściu „objętości płynu” nie jest potrzebne żadne wyraźne śledzenie frontów, co jest szczególnie wygodne w obliczeniach. Zastosowaliśmy go do układu podwójnego Diopsyd-Anortyt, a także pseudobinarny Skaleń-Piroksen z bardzo dobrymi wynikami: dopasowanie symulowanych i eksperymentalnych krzywych stygnięcia (Rysunek 3), możemy określić efektywne wartości parametrów (np. przewodności) i czułości oraz możemy symulować różne scenariusze chłodzenia.