Tomasz Hueckel esamina un modello di evoluzione dell'acqua capillare tra i grani del suolo durante l'evaporazione, che è un elemento critico degli studi sull'essiccazione delle barriere di isolamento. Credito:Duke University
La Torre Pendente di Pisa deve il suo pericoloso angolo al debole sottosuolo su cui sono state costruite le sue fondamenta, indietro nel XII secolo. la sua inclinazione, che è peggiorata gradualmente fino a quando gli ingegneri moderni l'hanno arrestata alla fine degli anni '90, è un buon esempio di come i cambiamenti incrementali nella geomeccanica possono sommarsi a grandi impatti nel tempo.
Comprendere la meccanica dei materiali di terra, e le loro interazioni con tutto il resto:fluidi, l'atmosfera, miniere, risorse naturali come petrolio e gas, e anche strutture come ponti, case, e punti di riferimento come la torre di Pisa, è la specialità del professore di ingegneria civile e ambientale Duke Tomasz Hueckel.
Ora, Hueckel e il membro della facoltà Duke CEE Manolis Veveakis, entrambi esperti in geomeccanica multifisica, userà $800, 000 sovvenzione del Dipartimento dell'Energia per determinare in che modo i processi fisici e chimici nelle profondità della terra potrebbero interferire o degradare gli impianti di stoccaggio dei rifiuti nucleari, e come gli ingegneri potrebbero mitigare al meglio tali effetti.
Lo stoccaggio delle scorie nucleari pone sfide uniche, per non dire altro. Una barra di combustibile dismessa è ancora altamente radioattiva poiché languisce per dieci anni in un serbatoio di raffreddamento; anche dopo che la sua condanna nel serbatoio è stata scontata, registra una temperatura di circa 215 gradi Fahrenheit, e il tempo necessario per raggiungere un punto in cui non è più pericolosamente radioattivo è di circa 10, 000 anni di distanza.
Attualmente, la maggior parte delle scorie nucleari è temporaneamente ospitata intorno all'impianto in cui sono state prodotte, ma quei luoghi sono vulnerabili, come illustrato dal crollo del 2011 a Fukushima, Giappone, a seguito di un devastante tsunami che ha inondato di acqua salata il sito della centrale nucleare. Un luogo più sicuro per conservare le scorie nucleari, secondo Hueckel, si trova tra un quarto di miglio e mezzo miglio sotto la superficie terrestre.
Misurazione dello spostamento interno delle pareti di un pozzo per il posizionamento futuro di un pacchetto di scorie nucleari, in un laboratorio sotterraneo francese. Credito:T. Hueckel
Per decenni, i paesi con capacità nucleare di tutto il mondo sono stati impegnati a progettare depositi nelle profondità della terra per i loro rifiuti. Ogni disegno varia, ma molte delle caratteristiche proposte sono le stesse:un tunnel verticale fornisce l'accesso a una serie di camere o gallerie, ciascuno rivestito con palline o mattoni di argilla bentonitica, o altra roccia frantumata o polverizzata; le crepe tra i mattoni sono riempite con altra argilla, poi bagnato per sigillare ermeticamente l'intera costruzione. I rifiuti stessi sono racchiusi in spessi contenitori in titanio o acciaio inossidabile, e ogni contenitore è inserito come un tappo in una singola camera, dove le sue molteplici barriere lo tengono isolato dalle interazioni umane e ambientali in un lontano futuro.
Ma, dice Hueckel, il calore costante emesso dalle scorie nucleari ha un effetto di disturbo sulla roccia circostante; dopo solo poche centinaia di anni, può seccarsi e rompersi, sgretolando la barriera protettiva e permettendo ai radionuclidi di migrare verso la nostra ecosfera.
Anche altri processi geochimici potrebbero degradare i materiali barriera, corrodendo i contenitori metallici o trasformando le argille.
"Con il nuovo contributo, siamo incaricati di capire come la temperatura e la pressione contribuiscono all'essiccamento e alla fessurazione nel deposito pianificato, e che tipo di rimedi possiamo proporre, ", ha detto Hueckel.
Un approccio prende ispirazione da antichi inventori, che mescolavano fango con peli di animali per rinforzare i pavimenti delle loro stalle. Hueckel prevede di testare la stessa tecnica, sostituire i peli degli animali con le moderne fibre di dimensioni nano o micro.
Sta anche cercando modi per sistemare gli elementi delle barriere ingegnerizzate in modo da indurre crepe di taglio invece di crepe da trazione più dannose. "In molti punti in cui si vedono crepe inclinate nei materiali, come in un iceberg, le due superfici scorrono l'una sull'altra, ma non si aprono, " Spiega Hueckel. "Potrebbe ridurre il potenziale di migrazione dei radionuclidi".
