Moderne reactoren kunnen profiteren van nieuwe inzichten in beton

Het meest essentiële materiaal in de bouw is beton. Het is duurzaam, veelzijdig en sterk. Niet alleen beton kan jarenlang stabiel blijven, in verschillende vormen en maten worden gegoten en bestand zijn tegen barre weersomstandigheden maar het is ook bestand tegen trillingen en schokken, is niet brandbaar, goedkoop en draagt ​​bij aan een comfortabele temperatuur in gebouwen.

Al deze verbazingwekkende eigenschappen van beton maken het een waardevol bouwmateriaal dat is gebruikt om allerlei verschillende constructies te bouwen, waaronder wegen, bruggen, dammen, tunnels, funderingen, pilaren, muren, platen, opritten en patio's.

Gegeven het belang van beton bij de bouw van infrastructuur, de betonmarkt grootte wordt geprojecteerd om te overtreffen $ 972 miljard tegen het einde van dit decennium. 

Snelle verstedelijking en industrialisatie, samen met een toename van de overheidsuitgaven voor ontwikkeling en wederopbouw van infrastructuren zijn de drijvende kracht achter deze groei. A stijging in de adoptie van milieuvriendelijk materiaal voor de bouw van gebouwen en de hoge initiële opstartkosten van installatieswerkt echter als een belemmering naar deze markt. 

Als het gaat om betontype, domineert het ready-mix betonsegment de markt. Dit mengsel is immers kosteneffectief en wordt in batches geproduceerd in een centrale fabriek in plaats van op de bouwplaats te worden gemengd. Ondertussen is het gewapend betonsegment marktleider in termen van toepassing.

Beton om decarbonisatie te helpen bereiken

Nu is dit essentiële en populaire bouwmateriaal ook een rol spelen in ons helpen decarbonisatie te bereiken door middel van kerncentrales. Deze door de mens gemaakte mix van cement, water en aggregaten zoals zand, dient feitelijk als het primaire bouwmateriaal voor de insluiting en afscherming van reactoren.

Beton is een betaalbaar materiaal dat bescherming biedt tegen gamma stralen en neutronen. Het watergehalte en de hoge dichtheid zijn wat waardoor het zo wijdverbreid gebruikt wordt voor stralingsafscherming.

Maar terwijl ingenieurs formules bedenken om te beslissen de optimale dikte van de afscherming voor radiobeschermingsdoeleinden, ze doen dat niet rekening houden met de gevolgen van stralingsschade. En de De lange termijn duurzaamheid van beton is van cruciaal belang voor besturen deze kerncentrales veilig.

Het stralingsschadeproces is eenvoudigweg nog niet goed begrepen. Dus, het is cruciaal dat we dit verhelpen We moeten deze kwestie aanpakken als we willen profiteren van kernenergie, die ons kan helpen een CO2-neutrale wereld te bereiken. 

Kernenergie is een koolstofarme energiebron die kan helpen klimaatverandering tegen te gaan. Het biedt ons een betrouwbare bron van elektriciteit, ongeacht het weer, iets waar hernieuwbare energiebronnen zoals wind- en zonne-energie moeite mee hebben. Kernenergie wordt zelfs als veiliger beschouwd dan zonne- en windenergie. 

Bovendien heeft kernbrandstof een hoge energiedichtheid en neemt het weinig land in beslag, terwijl de luchtkwaliteit wordt beschermd omdat er geen schadelijke emissies zijn.

Kernenergie is een belangrijk onderdeel van de totale energieopwekking wereldwijd en levert ongeveer 12% van de elektriciteit ter wereld. In Europa wordt 30% van de elektriciteitsbehoefte gedekt door kernenergie, terwijl fossiele brandstoffen 40% voor hun rekening nemen en de rest van het aandeel bestaat uit hernieuwbare energiebronnen. 

Ondertussen zijn de VS de grootste producent van kernenergie ter wereld, met een 30% aandeel van de wereldwijde kernenergieproductie. In 2022 genereerden de kernreactoren van het land 772 TWh, 18% van de totale elektriciteitsproductie.

Ondanks de vele voordelen hebben ongelukken zoals Tsjernobyl en Fukushima angst veroorzaakt. Als gevolg van datItalië en Duitsland hebben al hun kerncentrales definitief gesloten. 

Omdat er behoefte is aan schone en duurzame energie en kernenergie een schone energiebron is met nul emissies, is het belangrijk om manieren te vinden om de kosteneffectiviteit, betrouwbaarheid en veiligheid te verbeteren. Zo wordt de angst van mensen voor deze technologie verminderd en hun ontvankelijkheid ervoor vergroot. Deze is waar beton in beeld komt.

Klik hier om te ontdekken waarom beton een belangrijk materiaal is en hoe we de tekortkomingen ervan kunnen overwinnen.

De cruciale rol van beton in kernenergie

Een kerncentrale gebruikt een kernreactor als primaire warmtebron en gebruikt die warmte om stoom te genereren, die een stoomturbine aandrijft die is aangesloten op een generator. Vanwege de inherente radioactiviteit van kernsplijting, het is van cruciaal belang dat de reactor kern is ingekapselde in een beschermend omhulsel. Deze vermindert effectief de verspreiding van straling en voorkomt dat radioactieve stoffen in het milieu terechtkomen.

Deze reactorbehuizingen gemaakt van beton, dat wordt ook gebruikt voor structurele funderingen en primaire biologische afschermingen voor de reactoren. Om kerncentrales op de lange termijn te kunnen exploiteren, het is noodzakelijk dat wij de integriteitsanalyse uitvoeren van betonconstructies. In kerncentrales wordt beton immers langdurig en intensief blootgesteld aan gammastraling, neutronenstraling en extreem hoge temperaturen.

Dit is iets wat conventionele structuren niet tegenkomen, wat betekent dat alle evaluaties van de prestaties van gewapende betoncomponenten in algemene civiele bouwkundige structuren en gebouwen hier niet echt kunnen helpen. Daarom hebben we kennis nodig die specifiek is voor de kernenergiesector. 

Bovendien is er een grote uitdaging van materiële veranderingen die leiden tot degradatie van betonconstructies in kerncentrales. Deze alkali-silicareacties, expansie en vertraagde ettringietvorming zijn te wijten aan de neutronenamorfisering van gesteentevormende mineralen in aggregaten. Dat is dus nog een reden om specifiek beton in kerncentrales te beoordelen.

Dit is echter niets nieuw. Onderzoekers hebben onderzocht De impact van straling op de structurele integriteit van beton al lange tijdMaar nieuw onderzoek heeft de diepere details van het effect van straling op betonuitbreiding.

Geavanceerd betononderzoek gericht op kerncentrales

De studie, die onder andere is gepubliceerd in Science Direct, is uitgevoerd door onderzoekers van de Universiteit van Tokio. onthulde details van het effect van straling op betonuitzetting¹Ze kunnen daadwerkelijk aantonen welke eigenschappen van beton de structurele kenmerken ervan beïnvloeden wanneer het wordt blootgesteld aan verschillende niveaus van neutronenstraling. 

Naar het aanpakken van de aanzienlijke zorg over de uitzetting van betongranulaat veroorzaakt door stralingHet is erg belangrijk om de gevoeligheid van gesteentevormende mineralen, met name kwarts, voor neutronenstraling te begrijpen.

Deze komt doordat kwarts een van de meest voorkomende mineralen is die in bijna alle soorten gesteente wordt aangetroffen. Ook hebben experimenten in onderzoeksreactoren aangetoond dat kwarts tot wel 18% in volume kan uitzetten. 

Uit recente onderzoeken blijkt bovendien dat cementpasta's krimpen en sterker worden onder invloed van neutronenbestraling, terwijl gesteentevormende mineralen juist uitzetten, waardoor er scheurvorming in de aggregaten ontstaat. Dit leidt tot scheuren in het aggregaat, uitzetting van het beton en afname van de stevigheid en elasticiteitsmodulus, die de elasticiteitsmodulus meet. het vermogen van een materiaal om veranderingen in lengte onder druk te weerstaan.

Dus gingen de onderzoekers verder met het onderzoeken van de effecten van neutronenbestraling op verschillende soorten kwarts, waaronder zandsteen, metachert, granodioriet en synthetisch kwarts. De bestralingstemperaturen varieerden hier van 45 tot 62 graden Celsius.

Volgens onderzoeksresultaten kunnen met name kwartskristallen in beton zichzelf helen. De door straling veroorzaakte volume-expansie werd gemitigeerd door diffusie van silicium (Si) of zuurstof (O) in de kwartskorrel, waardoor een door straling veroorzaakte relaxatie ontstond. Deze betalingen mogelijk sommige reactoren langer laten draaien dan aanvankelijk voor mogelijk werd gehouden.

Klik hier en ontdek of 3D-geprint beton kan bijdragen aan het redden van het milieu.

Verbetering van nucleaire veiligheid met beton

Beton is een samengesteld materiaal en bestaat uit meerdere verbindingen, die kunnen variëren afhankelijk van verschillende factoren zoals de lokale geografie. Het gesteente-aggregaat, een belangrijk onderdeel van beton, specifiek kan blijken te zijn heel divers zijn, maar toch, “gesteente zal vaak kwarts bevatten.”

Kwarts wordt aangetroffen in andesiet, granodioriet (GR), zandsteen (SS) en verschillende andere gesteenten, wat betekent dat neutronenbestraling zwelling van het aggregaat en opeenvolgende betondegradatie in afschermingsmuren kan veroorzaken evenals structuren die blootgesteld aan een hoge neutronenflux.

Deze betekent dat het belangrijk is om een ​​beter begrip te krijgen van hoe kwarts verandert onder verschillende stralingsbelastingen. Professor Ippei Maruyama van de afdeling Architectuur merkte daarbij op dat:

“[Het] kan ons helpen voorspellen hoe beton zich in het algemeen zou moeten gedragen.”

Het bestuderen van door neutronenstraling veroorzaakte degradatie is echter niet zo eenvoudig of goedkoop. Het is eigenlijk een kostbaar onderzoeksgebied, wat uitgebreid onderzoek moeilijk maakt. Het onderzoeksteam heeft hier de afgelopen zeventien jaar aan gewerkt en strategieën ontwikkeld die hebben geresulteerd in recente experimenten waarin onderzoekers röntgendiffractie gebruiken om bestraalde kwartskristallen te onderzoeken.

Het team keek onder andere naar de twee eigenschappen van neutronenstraling: de totale dosis die de monsters ontvangen en de flux, oftewel de snelheid waarmee de dosis wordt ontvangen. 

Het team ontdekte dat de expansiesnelheid in een kwartskristal in lijn is met de dosissnelheid. Als de snelheid hoger was, was de expansie ook veel hoger, en vice versa.

“De ontdekking van het fluxeffect geeft niet alleen aan dat neutronenstraling de kristalstructuur vervormt, wat amorfisering en uitzetting veroorzaakt, maar ook dat er een fenomeen is waarbij de vervormde kristallen herstellen en de uitzetting vermindert, daarom biedt een lager tarief meer tijd om te genezen.”

– Maruyama

Dit fenomeen bleek ook afhankelijk te zijn van grootte van minerale kristallen binnen beton. Grotere kristalkorrels vertoonden minder expansie, wat suggereert een grootte-afhankelijk effect. 

De afbraak van beton vanwege neutronen zijn momenteel een reden tot zorg maar als de bevindingen laten zien dat dit minder uitbreiding kan zijn dan eerder werd gedacht. Als gevolg hiervan kan de degradatie minder ernstig zijn dan verwacht, dus, “waardoor kerncentrales veiliger en gedurende langere perioden kunnen opereren”, aldus Maruyama. 

Met dit onderzoek is het idee een bijdrage leveren aan de materiaalkeuze en het ontwerp van beton voor toekomstige kerncentrales. Bovendien kan het waardevolle inzichten verschaffen in de stabiliteit en duurzaamheid van anorganische materialen die worden gebruikt in ruimtestructuren voor buitenaardse constructies, zowel in de baan om de aarde als daarbuiten.

In de volgende stap wil het team de uitdagingen aanpakken die gepaard gaan met het begrijpen van het uitzettingsgedrag van verschillende gesteentevormende mineralen. Deze zal helpen de expansiemechanismen verder te verduidelijken en de mogelijkheid te ontwikkelen om de expansie van aggregaten te voorspellen op basis van hun materiaaleigenschappen en omgevingsomstandigheden.

Het onderzoeksteam wil ook de manier waarop scheuren ontstaan ​​kunnen voorspellen op basis van de uitzetting van mineralen. 

Vooruitgang in stralingsafschermend beton

Gezien de cruciale rol die beton speelt bij de bescherming tegen schadelijke ioniserende straling over verschillende toepassingen, waaronder medische faciliteiten, onderzoekslaboratoria, militaire en kerncentrales, het materiaal is onderhevig aan veel Onderzoek. 

In het laatste kwartaal van vorig jaar hebben internationale onderzoekers zich verdiept in stralingsafschermend beton (RSC), dat is gevonden essentieel zijn voor het waarborgen van de veiligheid en het ondersteunen van het nuttige gebruik van straling op verschillende gebieden.

Een zo'n onderzoek² gepubliceerd in november merkte op dat stralingswerend beton, gemaakt van cement, water en zware toeslagstoffen, heeft de mogelijkheid om gedurende zijn hele levensduur zwaartekrachtbelastingen, incidentele belastingen zoals aardbevingen en door tornado's veroorzaakte projectielen kunnen dragen.

De aggregaten die voornamelijk worden gebruikt in RSC omvatten bariet, hematiet, magnetiet en colemaniet. Het opnemen van dergelijke dichte natuurlijke aggregaten verhoogt de dichtheid van het materiaal en verbetert de effectiviteit van RSC in zowel medische als nucleaire toepassingen. 

Het is door het verbeteren van de eigenschappen van gewapend beton om de straling te verzwakken dat RSC is een veelgebruikte keuze geworden voor stralingsafscherming en -bescherming.

Nog een studies³ rond die tijd gepubliceerd gekeken naar het verbeteren van de algemeen en bariet de efficiëntie van beton bij het afschermen van straling door gebruik te maken van verschillende soorten aggregaten. 

De onderzoeksresultaten, die stellen dat dichter beton betere bescherming biedt vergeleken met varianten met een lagere dichtheid, benadrukken de sleutelrol van materiaaldichtheid bij het verbeteren van de effectiviteit van stralingsafscherming. Hier vertoonde barietbeton betere afschermende eigenschappen vanwege de hogere lineaire dempingscoëfficiënt, die meet hoe gemakkelijk een materiaal een energiebundel absorbeert of verstrooit.

Om een ​​hoge dichtheid aan RSC te bereiken, vervingen onderzoekers gewone betonaggregaten door kwarts, zware mineralen zoals zirkoon en vliegas, en kunstmatige aggregaten zoals gehydrateerd ijzererts, ijzerafval, tinafval, bauxiet, galena, bismutoxide en gerecyclede aggregaten.

Door gebruik te maken van beton met een hoge dichtheid als stralingsafscherming kan de dikte van RSC met bijna 40% worden verminderd in vergelijking met gewoon beton, terwijl het draagvermogen nog steeds behouden blijft.

De onderzoeken vragen om verder onderzoek naar de duurzaamheid van beton op de lange termijn bij voortdurende blootstelling aan straling. Hierbij hoort ook het beoordelen van mogelijke cumulatieve schade over langere perioden, zodat beter inzicht wordt verkregen in hoe de materialen zich in de loop van de tijd houden. 

Effecten van milieu factoren zoals temperatuur, vochtigheid en blootstelling aan chemicaliën on Ook de stralingswerende eigenschappen van beton moeten worden onderzocht om realistische omstandigheden te simuleren en inzicht te krijgen in de impact ervan op de effectiviteit van beton als afschermingsmateriaal.

Relevante bedrijven 

Laten we nu eens kijken naar prominente namen in de beton- en kernenergiesector: 

1. Vulcan Materials Company (CMV + 0.7%)

Deze is de producent van op aggregaten gebaseerde bouwmaterialen en een belangrijke leverancier van kant-en-klaar beton en asfalt. De segmenten van Vulcan Materials omvatten aggregaten, asfalt, beton en calcium, die calciumproducten produceren voor de diervoeder- en waterzuiveringsindustrie.

Het heeft een marktkapitalisatie van $35.8 miljard met VMC-aandelen die worden verhandeld voor $270.16, een stijging van 5.42% YTD. De EPS (TTM) van het bedrijf is 6.40, de P/E (TTM)-ratio is 42.36 en het dividendrendement is 0.68%.

Voor het kwartaal dat eindigde op 30 september 2024, kwam de omzet van het bedrijf uit op $ 2 miljard, wat een daling van 8.3% was ten opzichte van 3Q23. De nettowinst was $ 208.9 miljoen, terwijl de winstmarge 10% was en de winst per aandeel $ 1.58. Het bedrijf leverde $ 61 miljoen aan zijn aandeelhouders via dividenden. Gedurende deze periode nam Vulcan Materials Wake Stone Corporation over om zijn bereik in snelgroeiende regio's in de Carolina's uit te breiden. 

"Hoewel aanzienlijke weersverstoringen de bouwactiviteiten in de eerste negen maanden van het jaar hebben beïnvloed, blijven de algemene fundamentele vraagfactoren de groei op de lange termijn ondersteunen."

– CEO Tom Hill

2. Constellatie-energie (CiTG + 0.74%)  

Deze richt zich op schone energieoplossingen via haar kern-, water-, wind- en zonne-energiecentrales, die de capaciteit hebben om ongeveer 16 miljoen huishoudens van stroom te voorzien. Constellation Energy produceert ongeveer 10% van de koolstofvrije energie in de VS.

Het heeft een marktkapitalisatie van $95.8 miljard met CEG-aandelen die worden verhandeld voor $307.83, een stijging van bijna 37% YTD. De EPS (TTM) van het bedrijf is 9.06, de P/E (TTM)-ratio is 33.81 en het dividendrendement is 0.46%.

In het derde kwartaal van 3 zal het bedrijf zag zijn winst binnenkomen op $ 1.2 miljard, een stijging ten opzichte van $ 731 miljoen in 3Q23. De omzet steeg ook met 7.2% tot $ 6.55 miljard. De GAAP-nettowinst voor het kwartaal was $ 3.82 per aandeel en de aangepaste operationele winst was $ 2.74 per aandeel. Opvallend is dat Constellation Energy een overeenkomst voor de aankoop van energie voor 20 jaar heeft gesloten met Microsoft ter ondersteuning van het Crane Clean Energy Center.

De nucleaire vloot van het bedrijf produceerde 45,510 GWhs in dit kwartaal, een stijging ten opzichte van 44,125 GWhs op jaarbasis. Daarmee bereikte het een capaciteitsfactor van 95%, wat daalde van 97.2% op jaarbasis. De geplande dagen waarop Constellation Energy niet kon tanken, stegen intussen naar 37 en het aantal dagen waarop niet kon worden getankt, verdubbelde naar 20.

Conclusie 

Kernenergie is een krachtige en schone energiebron die een hoge betrouwbaarheid en een kleine ecologische voetafdruk biedt. Maar ernstige ongelukken met kerncentrales hebben angst gecreëerd onder mensen. Een cruciaal aspect van de veiligheid en levensduur van kerncentrales ligt in de materialen die worden gebruikt bij de constructie, namelijk beton overal in de gebouwen gebruikt. 

Beton is een relatief goedkoop, robuust en duurzaam materiaal dat gemakkelijk in verschillende constructies kan worden gegoten en heeft goede afschermende eigenschappen tegen straling, waardoor het een populaire keuze is voor stralingsafschermingstoepassingen. 

Hoewel er studies zijn gedaan naar de impact van straling op de structurele integriteit van betonHet nieuwste onderzoek bevestigt de effecten van straling en verschaft nog meer duidelijkheid over de beschermende eigenschappen van dit materiaal.

De waarneming van een duidelijke fluxafhankelijkheid, waarbij een hogere neutronenflux resulteert in een hogere expansiesnelheid, en afhankelijkheid van de korrelgrootte, met name in het hogere neutronenfluencebereik, impliceert bijvoorbeeld het bestaan ​​van een herstelmechanisme dat ten grondslag ligt aan door straling geïnduceerde volume-expansie. 

Met dergelijke inzichten kan onderzoek bijdragen aan de ontwikkeling van veerkrachtigere structuren om de veiligheid van bestaande reactoren te verbeteren en kerncentrales van de volgende generatie te bouwen. Zo wordt een levensvatbare en veilige toekomst vormgegeven.

Klik hier voor een lijst met de beste nucleaire aandelen.

Studie referentie:

^{1. Maruyama, I., Murakami, K., Ohkubo, T., Sawada, S., Kontani, O., Igari, T., Kawai, M., & Etoh, J. (2025). Neutronenflux-impact op de expansiesnelheid van kwarts. Journal of Nuclear Materials. Online beschikbaar 13 januari 2025, 155631. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2025.155631}

2. Onaizi, AM, Amran, M., Tang, W., Betoush, N., Alhassan, M., Rashid, RSM, Yasin, MF, Bayagoob, KH, & Onaizi, SA (2024). Stralingsafschermend beton: een overzicht van materialen, prestaties en de impact van straling op betoneigenschappen. Journal of Building Engineering, 97, 110800. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2024.110800

3. Ahmad, N., Idris, MI, Hussin, A. et al. Verbetering van de afschermingsefficiëntie van gewoon en barietbeton bij stralingsafschermingstoepassingen. Sci Rep 14, 26029 (2024). https://doi.org/10.1038/s41598-024-76402-0