Det lutande tornet i Pisa är skyldigt sin farliga vinkel till den svaga undergrund som dess grundar byggdes på, tillbaka på 1100 -talet. Dess lutning, som gradvis förvärrades tills moderna ingenjörer grep det i slutet av 1990 -talet, är ett bra exempel på hur inkrementella förändringar i geomekanik kan ge stora effekter över tiden.

Förstå mekaniken i jordmaterial, och deras interaktioner med allt annat - vätskor, atmosfären, gruvor, naturresurser som olja och gas, och till och med strukturer som broar, hus, och landmärken som tornet i Pisa - är specialiteten hos Duke civil- och miljöteknikprofessor Tomasz Hueckel.

Nu, Hueckel och andra Duke CEE -fakultetsmedlem Manolis Veveakis, båda experter på multifysik geomekanik, kommer att använda en $ 800, 000 bidrag från energidepartementet för att avgöra hur fysiska och kemiska processer djupt inne i jorden kan störa eller försämra lagringsanläggningar för kärnavfall, och hur ingenjörer bäst kan mildra dessa effekter.

Att lagra kärnavfall innebär unika utmaningar, minst sagt. En avbruten bränslestav är fortfarande mycket radioaktiv eftersom den tynar i tio år i en kyltank; även efter att straffet i tanken har avtjänats, det registrerar en temperatur på cirka 215 grader Fahrenheit, och den tid det kommer att ta för att nå en punkt när det inte längre är farligt radioaktivt är cirka 10, 000 år bort.

För närvarande, det mesta kärnavfallet är tillfälligt inrymt runt anläggningen där det producerades - men dessa platser är sårbara, som illustreras av smältningen 2011 i Fukushima, Japan, efter en förödande tsunami som översvämmade kärnkraftverkets plats med saltvatten. Ett säkrare ställe att lagra kärnavfall, enligt Hueckel, är mellan en mil och en halv mil under jordens yta.

I årtionden, kärnkraftskraftiga länder runt om i världen har haft fullt upp med att designa djupa jordförvar för sitt avfall. Varje design varierar, men många av de föreslagna funktionerna är desamma:en vertikal tunnel ger tillgång till en rad kamrar eller gallerier, var och en fodrad med pellets eller tegelstenar av bentonitlera, eller annat krossat eller pulveriserat berg; sprickor mellan tegelstenarna fylls med mer lera, sedan fuktad för att täta hela konstruktionen. Själva avfallet är inneslutet i tjocka behållare av titan eller rostfritt stål, och varje kapsel sätts in som en plugg i en enda kammare, där dess flera hinder håller den isolerad från mänskliga och miljömässiga interaktioner långt in i en avlägsen framtid.

Men, säger Hueckel, den konstanta värme som släpps ut från kärnavfallet har en störande effekt på det omgivande berget; efter bara några hundra år, det kan torka och spricka, sönderfallande skyddsbarriären och låter radionuklider vandra mot vår ekosfär.

Andra geokemiska processer kan också försämra barriärmaterialet - korrodera metallbehållarna eller transformera lerorna.

"Med det nya bidraget vi är skyldiga att förstå hur temperatur och tryck bidrar till torkning och sprickbildning i det planerade förvaret, och vilka slags åtgärder vi kan föreslå, sa Hueckel.

Ett tillvägagångssätt tar inspiration från gamla uppfinnare, som blandade lera med djurhår för att förstärka golv i deras stall. Hueckel planerar att testa samma teknik, ersätta djurhår med moderna nano- eller mikrostora fibrer.

Han tittar också på sätt att ordna elementen i de konstruerade barriärerna på ett sätt som framkallar skjuvsprickor istället för mer skadlig dragsprickning. "På många ställen där du ser lutande sprickor i material, som i ett isberg, de två ytorna glider förbi varandra - men de öppnar sig inte, "Hueckel förklarar." Det kan minska risken för radionuklidmigration. "