Tomasz Hueckel examine un modèle d'évolution de l'eau capillaire entre les grains du sol lors de l'évaporation, qui est un élément critique des études de dessiccation des barrières d'isolement. Crédit :Université Duke
La tour penchée de Pise doit son angle périlleux au faible sous-sol sur lequel ses fondations ont été construites, retour au XIIe siècle. Son inclinaison, qui s'est progressivement aggravée jusqu'à ce que les ingénieurs modernes l'arrêtent à la fin des années 1990, est un bon exemple de la façon dont les changements incrémentiels de la géomécanique peuvent avoir de gros impacts au fil du temps.
Comprendre la mécanique des matériaux en terre, et leurs interactions avec tout le reste :les fluides, l'atmosphère, mines, ressources naturelles comme le pétrole et le gaz, et même des structures comme des ponts, Maisons, et des monuments comme la tour de Pise - est la spécialité du professeur de génie civil et environnemental de Duke, Tomasz Hueckel.
Maintenant, Hueckel et Manolis Veveakis, membre du corps professoral de Duke CEE, tous deux experts en géomécanique multi-physique, utilisera 800 $, 000 000 subvention du ministère de l'Énergie pour déterminer comment les processus physiques et chimiques profondément à l'intérieur de la terre pourraient interférer ou dégrader les installations de stockage de déchets nucléaires, et comment les ingénieurs pourraient au mieux atténuer ces effets.
Le stockage des déchets nucléaires pose des défis uniques, Pour dire le moins. Un crayon combustible déclassé est encore hautement radioactif car il croupit pendant dix ans dans un réservoir de refroidissement; même après que sa peine dans le réservoir a été purgée, il enregistre une température d'environ 215 degrés Fahrenheit, et le temps qu'il faudra pour atteindre un point où il n'est plus dangereusement radioactif est d'environ 10, 000 ans plus loin.
Actuellement, la plupart des déchets nucléaires sont temporairement stockés autour de l'usine où ils ont été produits, mais ces emplacements sont vulnérables, comme l'illustre l'effondrement de Fukushima en 2011, Japon, suite à un tsunami dévastateur qui a inondé le site de la centrale nucléaire d'eau salée. Un endroit plus sûr pour stocker les déchets nucléaires, selon Hueckel, se situe entre un quart de mille et un demi-mille sous la surface de la terre.
Mesure du déplacement interne des parois d'un forage pour le placement futur d'un colis de déchets nucléaires, dans un laboratoire souterrain français. Crédit :T. Hueckel
Depuis des décennies, Les pays à capacité nucléaire du monde entier se sont employés à concevoir des dépôts souterrains profonds pour leurs déchets. Chaque conception varie, mais bon nombre des caractéristiques proposées sont les mêmes :un tunnel vertical permet d'accéder à un ensemble de chambres ou de galeries, chacun garni de pastilles ou de briques d'argile bentonite, ou d'autres roches concassées ou pulvérisées ; les fissures entre les briques sont remplies de plus d'argile, puis humidifié pour sceller hermétiquement l'ensemble de la construction. Les déchets eux-mêmes sont emballés dans des bidons épais en titane ou en acier inoxydable, et chaque canister est inséré comme un bouchon dans une seule chambre, où ses multiples barrières le maintiennent isolé des interactions humaines et environnementales loin dans un avenir lointain.
Mais, dit Hueckel, la chaleur constante émise par les déchets nucléaires a un effet perturbateur sur la roche environnante; après seulement quelques centaines d'années, il peut sécher et se fissurer, l'effritement de la barrière protectrice et la migration des radionucléides vers notre écosphère.
D'autres processus géochimiques pourraient également dégrader les matériaux barrières, corrodant les conteneurs métalliques ou transformant les argiles.
"Avec la nouvelle subvention, nous sommes chargés de comprendre comment la température et la pression contribuent au séchage et à la fissuration dans le stockage prévu, et quels types de remèdes nous pouvons proposer, " dit Hueckel.
Une approche s'inspire des anciens inventeurs, qui mélangeaient de la boue avec des poils d'animaux pour renforcer les sols de leurs écuries. Hueckel envisage de tester la même technique, remplacer les poils d'animaux par des fibres modernes de taille nano ou micro.
Il cherche également des moyens d'organiser les éléments des barrières ouvragées de manière à provoquer des fissures de cisaillement au lieu de fissures de traction plus préjudiciables. "Dans de nombreux endroits où vous voyez des fissures inclinées dans les matériaux, comme dans un iceberg, les deux surfaces glissent l'une sur l'autre, mais elles ne s'ouvrent pas, ", explique Hueckel. "Cela pourrait réduire le potentiel de migration des radionucléides."
