De scheve toren van Pisa dankt zijn gevaarlijke hoek aan de zwakke ondergrond waarop de fundamenten werden gebouwd, terug in de 12e eeuw. Zijn kanteling, die geleidelijk verslechterde totdat moderne ingenieurs het eind jaren negentig arresteerden, is een goed voorbeeld van hoe incrementele veranderingen in de geomechanica in de loop van de tijd grote gevolgen kunnen hebben.

Inzicht in de mechanica van aarden materialen, en hun interacties met al het andere - vloeistoffen, de atmosfeer, mijnen, natuurlijke hulpbronnen zoals olie en gas, en zelfs constructies zoals bruggen, huizen, en bezienswaardigheden zoals de toren in Pisa - is de specialiteit van Duke, hoogleraar civiele techniek en milieutechniek, Tomasz Hueckel.

Nutsvoorzieningen, Hueckel en collega Duke CEE-faculteitslid Manolis Veveakis, beide experts in multi-fysica geomechanica, zal een $800 gebruiken, 000 subsidie ​​van het ministerie van Energie om te bepalen hoe fysische en chemische processen diep in de aarde de opslagfaciliteiten voor kernafval kunnen verstoren of aantasten, en hoe ingenieurs die effecten het beste kunnen verzachten.

Het opslaan van kernafval brengt unieke uitdagingen met zich mee, op zijn zachtst gezegd. Een ontmantelde splijtstofstaaf is nog steeds zeer radioactief omdat hij tien jaar wegkwijnt in een koeltank; zelfs nadat zijn straf in de tank is uitgezeten, het registreert een temperatuur van ongeveer 215 graden Fahrenheit, en de tijd die nodig is om een ​​punt te bereiken waarop het niet langer gevaarlijk radioactief is, is ongeveer 10, 000 jaar verder.

Momenteel, het meeste kernafval bevindt zich tijdelijk rond de fabriek waar het werd geproduceerd, maar die locaties zijn kwetsbaar, zoals geïllustreerd door de kernsmelting van 2011 in Fukushima, Japan, na een verwoestende tsunami die de kerncentrale met zout water overspoelde. Een veiligere plek om nucleair afval op te slaan, volgens Hueckel, ligt tussen een kwart mijl en een halve mijl onder het aardoppervlak.

Al decenia, nucleair capabele landen over de hele wereld zijn druk bezig geweest met het ontwerpen van diepe aardse opslagplaatsen voor hun afval. Elk ontwerp varieert, maar veel van de voorgestelde kenmerken zijn hetzelfde:een verticale tunnel biedt toegang tot een reeks kamers of galerijen, elk bekleed met korrels of stenen van bentonietklei, of ander gemalen of verpulverd gesteente; scheuren tussen de stenen worden opgevuld met meer klei, vervolgens bevochtigd om de hele constructie goed af te dichten. Het afval zelf is ingekapseld in dikke titanium of roestvrijstalen jerrycans, en elke bus wordt als een plug in een enkele kamer gestoken, waar zijn meerdere barrières het tot ver in de verre toekomst geïsoleerd houden van menselijke en omgevingsinteracties.

Maar, zegt Hueckel, de constante warmte die het kernafval afgeeft, heeft een storend effect op het omringende gesteente; na slechts een paar honderd jaar, het kan drogen en barsten, het afbrokkelen van de beschermende barrière en het toestaan ​​van radionucliden om naar onze ecosfeer te migreren.

Andere geochemische processen kunnen ook de barrièrematerialen aantasten - de metalen bussen corroderen of de klei transformeren.

"Met de nieuwe subsidie we zijn belast met het begrijpen hoe temperatuur en druk bijdragen aan uitdroging en barsten in de geplande berging, en welke soorten remedies we kunnen voorstellen, ’ zei Hueckel.

Eén benadering is geïnspireerd op oude uitvinders, die modder met dierenhaar vermengden om de vloeren van hun stallen te versterken. Hueckel is van plan om dezelfde techniek te testen, het vervangen van dierenhaar door moderne nano- of microvezels.

Hij kijkt ook naar manieren om de elementen van de kunstmatige barrières zo te rangschikken dat ze afschuifscheuren veroorzaken in plaats van meer schadelijke trekscheuren. "Op veel plaatsen waar je schuine scheuren in materialen ziet, als in een ijsberg, de twee oppervlakken schuiven langs elkaar - maar ze gaan niet open, " legt Hueckel uit. "Het zou het potentieel voor migratie van radionucliden kunnen verminderen."