Forskningsprojekt har til formål at holde nukleart affald isoleret 10, 000 år ud i fremtiden

Det skæve tårn i Pisa skylder sin farefulde vinkel til den svage undergrund, dens fundamenter blev bygget på, tilbage i det 12. århundrede. Dens hældning, som forværredes gradvist, indtil moderne ingeniører arresterede det i slutningen af ​​1990'erne, er et godt eksempel på, hvordan inkrementelle ændringer i geomekanik kan give store konsekvenser over tid.

Forståelse af mekanikken i jordmaterialer, og deres interaktioner med alt andet - væsker, atmosfæren, miner, naturressourcer som olie og gas, og endda strukturer som broer, huse, og vartegn som tårnet i Pisa - er specialiteten af ​​Duke civil- og miljøingeniør professor Tomasz Hueckel.

Nu, Hueckel og andre Duke CEE -fakultetsmedlem Manolis Veveakis, begge eksperter i multi-fysik geomekanik, vil bruge en $800, 000 tilskud fra Department of Energy til at bestemme, hvordan fysiske og kemiske processer dybt inde i jorden kan forstyrre eller forringe lagerfaciliteter for nukleart affald, og hvordan ingeniører bedst kan afbøde disse effekter.

Opbevaring af nukleart affald udgør enestående udfordringer, mildest talt. En udtjent brændstofstang er stadig meget radioaktiv, da den sygner hen i ti år i en køletank; selv efter sin dom i tanken er afsonet, den registrerer en temperatur på omkring 215 grader Fahrenheit, og den tid, det vil tage at nå et punkt, hvor det ikke længere er farligt radioaktivt, er omkring 10, 000 år væk.

I øjeblikket, det meste nukleart affald er midlertidigt anbragt omkring det anlæg, hvor det blev produceret - men disse steder er sårbare, som illustreret af nedsmeltningen i 2011 i Fukushima, Japan, efter en ødelæggende tsunami, der oversvømmede atomanlægget med saltvand. Et mere sikkert sted at opbevare nukleart affald, ifølge Hueckel, er mellem en kvart og en halv mil under jordens overflade.

I årtier, atomkapable lande rundt om i verden har haft travlt med at designe dybe jorddepoter til deres affald. Hvert design varierer, men mange af de foreslåede funktioner er de samme:en lodret tunnel giver adgang til en række kamre eller gallerier, hver foret med pellets eller mursten af ​​bentonit-ler, eller anden knust eller pulveriseret sten; revner mellem murstenene er fyldt med mere ler, derefter fugtet for at tætne hele konstruktionen. Selve affaldet er indkapslet i tykke titanium- eller rustfri stålbeholdere, og hver beholder indsættes som en prop i et enkelt kammer, hvor dens mange barrierer holder den isoleret fra menneskelige og miljømæssige interaktioner langt ind i en fjern fremtid.

Men, siger Hueckel, den konstante varme, der udsendes af atomaffaldet, har en forstyrrende effekt på den omgivende sten; efter kun et par hundrede år, det kan tørre og revne, smuldrer den beskyttende barriere og tillader radionuklider at migrere mod vores økosfære.

Andre geokemiske processer kan også nedbryde barrierematerialerne - korrodere metalbeholderne eller transformere leret.

"Med den nye bevilling, vi har til opgave at forstå, hvordan temperatur og tryk bidrager til udtørring og revner i det planlagte depot, og hvilke slags midler vi kan foreslå, "sagde Hueckel.

En tilgang tager inspiration fra gamle opfindere, der blandede mudder med dyrehår for at forstærke gulvene i deres stalde. Hueckel planlægger at teste den samme teknik, erstatte dyrehår med moderne nano- eller mikrofibre.

Han ser også på måder at arrangere elementerne i de konstruerede barrierer på en måde, der fremkalder forskydningsrevner i stedet for mere skadelige trækrevner. "Mange steder, hvor man ser skrå revner i materialer, som i et isbjerg, de to overflader glider forbi hinanden - men de åbner sig ikke, Hueckel forklarer. "Det kunne reducere potentialet for migration af radionuklid."