المفاعلات الحديثة قد تستفيد من رؤى جديدة حول الخرسانة

المادة الأكثر أهمية في البناء هي الخرسانة. إنها متينة، متعددة الاستخدامات، وقوية. ليس فقط الخرسانة يمكن أن تظل ثابتة لسنوات عديدة، وتُشكل بأشكال وأحجام مختلفة، وتتحمل الظروف الجوية القاسية بل يمكنها أيضًا تحمل الاهتزازات والصدمات، وهي غير قابلة للاشتعال، رخيصة، وتساعد في الحفاظ على درجة حرارة مريحة داخل المباني.

كل هذه الخصائص المذهلة للخرسانة تجعلها مادة بناء ذات قيمة تُستخدم لبناء جميع أنواع الهياكل المختلفة، بما في ذلك الطرق، الجسور، السدود، الأنفاق، الأساسات، الأعمدة، الجدران، الألواح، الممرات، والفناء.

نظرًا أهمية الخرسانة في بناء البنية التحتية، سوق الخرسانة حجم من المتوقع أن يتجاوز $972 billion بحلول نهاية هذا العقد. 

التوسع الحضري السريع والتصنيع إلى جانب زيادة الإنفاق الحكومي على التنمية وإعادة بناء البنى التحتية تدفع هذا النمو. ومع ذلك، فإن الارتفاع في اعتماد المواد الصديقة للبيئة في بناء المباني والتكلفة الأولية العالية لإنشاء المصانع يشكل عائقًا لهذا السوق. 

عندما يتعلق الأمر بنوع الخرسانة، يهيمن قطاع الخرسانة الجاهزة على السوق. هذه الخلطة، في النهاية، فعّالة من حيث التكلفة وتُصنع على دفعات في مصنع مركزي بدلاً من خلطها في موقع العمل. وفي الوقت نفسه، يتصدر قطاع الخرسانة المسلحة السوق من حيث التطبيق.

الخرسانة للمساعدة في تحقيق خفض الانبعاثات

الآن، هذه المادة الإنشائية الأساسية والشائعة تلعب دورًا في مساعدتنا على تحقيق خفض الانبعاثات من خلال محطات الطاقة النووية. هذه الخلطة المصنوعة من الأسمنت والماء والركام مثل الرمل، في الواقع تُعد المادة الإنشائية الأساسية لاحتواء المفاعل والحماية.

الخرسانة مادة ميسورة التكلفة توفر الحماية ضد أشعة غاما والنيوترونات. محتواها من الماء وكثافتها العالية هما ما يجعلها مستخدمة على نطاق واسع في الحماية من الإشعاع.

لكن بينما وضع المهندسون صيغًا لتحديد السماكة المثلى للدرع لأغراض الحماية الإشعاعية، فإنهم لا يأخذون في الاعتبار آثار الضرر الإشعاعي. وإن استدامة الخرسانة على المدى الطويل أمر حاسم لت تشغيل هذه محطات الطاقة النووية بأمان.

عملية الضرر الإشعاعي ليست مفهومة جيدًا بعد. لذلك، من الضروري أن نعالج هذه المشكلة إذا أردنا الاستفادة من الطاقة النووية، التي يمكن أن تساعدنا في تحقيق عالم محايد كربوني. 

الطاقة النووية مصدر طاقة منخفض الكربون يمكن أن يساعد في مكافحة تغير المناخ. إنها توفر لنا مصدرًا موثوقًا للكهرباء بغض النظر عن الطقس، وهو ما تكافح مصادر الطاقة المتجددة مثل الرياح والطاقة الشمسية. تُعتبر الطاقة النووية حتى أكثر أمانًا من الطاقة الشمسية والرياح. 

علاوة على ذلك، يتمتع الوقود النووي بكثافة طاقة عالية وبصمة أرضية صغيرة، مع الحفاظ على جودة الهواء لأنه لا توجد انبعاثات ضارة.

الطاقة النووية جزء أساسي من إجمالي توليد الطاقة عالميًا، حيث تساهم بحوالي 12٪ من كهرباء العالم. في أوروبا، يُلبى 30٪ من طلبها على الكهرباء بواسطة الطاقة النووية بينما تشكل الوقود الأحفوري 40٪ و البقية تُغطى بالمصادر المتجددة. 

في الوقت نفسه، الولايات المتحدة هي أكبر منتج للطاقة النووية في العالم، حيث تمتلك 30% حصة من إنتاج الكهرباء النووية عالميًا. في عام 2022، ولدت مفاعلات البلاد 772 تيراواط ساعة، أي 18٪ من إجمالي الإنتاج الكهربائي.

على الرغم من العديد من الفوائد، فقد أدت حوادث مثل تشيرنوبيل وفوكوشيما إلى خلق الخوف. نتيجة لذلك، أغلقت إيطاليا وألمانيا جميع محطاتها النووية بشكل دائم. 

ومع ذلك، نظرًا للحاجة إلى طاقة نظيفة ومستدامة وأن الطاقة النووية مصدر طاقة نظيفة خالية من الانبعاثات، من المهم إيجاد طرق لتعزيز التكلفة الفعالة والموثوقية والسلامة التي ستقلل مخاوف الناس بشأن هذه التقنية وتزيد من تقبلهم لها. هنا يأتي دور الخرسانة.

انقر هنا لتعرف ما يجعل الخرسانة مادة حاسمة وكيف يمكننا التغلب على عيوبها.

الدور الحاسم للخرسانة في الطاقة النووية

تستخدم المنشأة النووية مفاعلًا نوويًا كمصدر حرارة أساسي وتستغل هذه الحرارة لتوليد البخار، الذي يدفع توربين بخاري متصل بمولد. بسبب النشاط الإشعاعي الفطري للانشطار النووي، من الضروري أن يكون نواة المفاعل موجود محاط بغلاف حماية. هذا يخفف بفعالية انتشار الإشعاع ويمنع إطلاق المواد المشعة إلى البيئة.

تُصنع حواجز المفاعل هذه من الخرسانة، التي تُستخدم أيضًا كأساسات هيكلية ودروع بيولوجية أولية للمفاعلات. لذا، لتشغيل المنشآت النووية على المدى الطويل، من الضروري أن نجري تحليل سلامة هياكل الخرسانة. بعد كل ذلك، في محطات الطاقة النووية، يجب أن تتعرض الخرسانة لتعرض شديد وطويل الأمد لأشعة γ والإشعاع النيوتروني ودرجات حرارة مرتفعة للغاية.

هذا شيء لا تواجهه الهياكل التقليدية، مما يعني أن جميع تقييمات أداء مكونات الخرسانة المسلحة في هياكل الهندسة المدنية العامة والمباني لا يمكن أن تساعد هنا. وبالتالي، نحتاج إلى معرفة خاصة بصناعة الطاقة النووية. 

بالإضافة إلى ذلك، هناك تحدٍ كبير يتمثل في تغيرات المواد التي تؤدي إلى تدهور هياكل الخرسانة في محطات الطاقة النووية. هذه التفاعلات القلوية-السيليكية، التوسع، وتكوين الإيتريجيت المتأخر ناتجة عن تحول المعادن المكوّنة للصخور في الركام إلى حالة غير متبلورة بسبب النيوترونات. لذا، هذا سبب آخر لتقييم الخرسانة بشكل خاص في محطات الطاقة النووية.

ومع ذلك، هذا ليس جديدًا. لقد كان الباحثون يدرسون تأثير الإشعاع على سلامة بنية الخرسانة لفترة طويلة الآن. لكن الأبحاث الجديدة كشفت عن تفاصيل أعمق لتأثير الإشعاع على توسع الخرسانة.

أبحاث الخرسانة المتقدمة الموجهة للمحطات النووية

نُشر في Science Direct، الدراسة التي أجراها باحثون في جامعة طوكيو، من بين آخرين، وقد كشفت عن تفاصيل تأثير الإشعاع على توسع الخرسانة¹. يمكنهم فعليًا إظهار أي خصائص للخرسانة تؤثر على سماتها الهيكلية عند تعرضها لمستويات مختلفة من الإشعاع النيوتروني. 

لمعالجة القلق الكبير بشأن توسع الركام الخرساني الناجم عن الإشعاع، فهم حساسية المعادن المكوّنة للصخور، وخاصة الكوارتز، تجاه الإشعاع النيوتروني أمر مهم جدًا.

ذلك لأن الكوارتز هو أحد أكثر المعادن شيوعًا الموجودة في جميع أنواع الصخور تقريبًا. كما أظهرت التجارب في مفاعلات البحث أن الكوارتز يمكن أن يتوسع بنسبة تصل إلى 18٪ في الحجم. 

تظهر الدراسات الحديثة أيضًا أنه بينما تنكمش معاجين الأسمنت وتكتسب قوة تحت إشعاع النيوترونات، تتوسع المعادن المكوّنة للصخور، مما يؤدي إلى بدء تشققات داخل الركام. يؤدي ذلك إلى تشقق الركام، توسع الخرسانة، وانخفاض المتانة ومعامل يونغ، الذي يقيس قدرة المادة على مقاومة تغيرات الطول تحت الضغط.

لذلك، تابع الباحثون دراسة تأثير إشعاع النيوترونات على أنواع مختلفة من الكوارتز، بما في ذلك الحجر الرملي، الميتاشيرت، الغرانوديوريت، والكوارتز الصناعي. تراوحت درجات حرارة الإشعاع هنا بين 45 إلى 62 درجة مئوية.

وفقًا للنتائج البحثية، يمكن لبلورات الكوارتز في الخرسانة، على وجه الخصوص، أن تشفي نفسها. تم تخفيف التوسع الحجمي الناجم عن الإشعاع بفضل انتشار السيليكون (Si) أو الأكسجين (O) داخل حبة الكوارتز، مما يخلق استرخاءً ناتجًا عن الإشعاع. هذا قد ربما يسمح لبعض المفاعلات بالعمل لفترة أطول مما كان يُعتقد في البداية.

انقر هنا لتعرف ما إذا كان الخرسانة المطبوعة ثلاثيًا يمكن أن تساعد في إنقاذ البيئة.

تعزيز السلامة النووية باستخدام الخرسانة

الخرسانة مادة مركبة تتكون من عدة مركبات، والتي يمكن أن تختلف حسب عوامل مختلفة مثل الجغرافيا المحلية. الركام الصخري، وهو مكون رئيسي في الخرسانة، يمكن أن يكون متنوعًا جدًا لكن عادةً ما يحتوي الصخر على الكوارتز.”

يوجد الكوارتز في الأنديزيت، الغرانوديوريت (GR)، الحجر الرملي (SS)، والعديد من الصخور الأخرى، مما يعني أن إشعاع النيوترونات يمكن أن يسبب انتفاخ الركام وتدهور الخرسانة المتتابع في جدران الحماية وكذلك الهياكل التي تتعرض لتدفق نيوتروني عالي.

هذا يعني أنه من المهم الحصول على فهم أفضل لكيفية تغير الكوارتز تحت أحمال إشعاعية مختلفة. وفي هذا الصدد، أشار الأستاذ إيببي ماروياما من قسم الهندسة المعمارية إلى:

“[إنه] يمكن أن يساعدنا في توقع كيفية تصرف الخرسانة بشكل عام.”

مع ذلك، دراسة التدهور الناجم عن إشعاع النيوترونات ليس أمرًا سهلًا أو رخيصًا. إنه مجال دراسي مكلف، مما يجعل البحث المكثف صعبًا. يعمل فريق البحث على هذا منذ سبعة عشر عامًا، حيث وضعوا استراتيجيات توصلت إلى تجارب حديثة يستخدم فيها الباحثون حيود الأشعة السينية لاستكشاف بلورات الكوارتز المشعة.

أحد الأمور التي فحصها الفريق هو خاصيتان من إشعاع النيوترونات — الجرعة الكلية التي تتلقاها العينات والتدفق، وهو معدل استلام الجرعة. 

وجد الفريق أن معدل التوسع في بلورة الكوارتز يتماشى مع معدل الجرعة؛ إذا كان المعدل أعلى، فإن مقدار التوسع يكون أعلى أيضًا، والعكس صحيح.

“اكتشاف تأثير التدفق يشير ليس فقط إلى أن إشعاع النيوترونات يشوه بنية البلورة، مما يسبب التحول إلى حالة غير متبلورة وتوسع، بل أيضًا إلى ظاهرة حيث تتعافى البلورات المشوهة ويتناقص التوسع، وبالتالي فإن معدل أقل يمنح وقتًا أكبر للشفاء.”

– ماروياما

تم العثور أيضًا على أن هذه الظاهرة تعتمد على حجم بلورات المعادن داخل الخرسانة. أظهرت حبوب البلورات الأكبر توسعًا أقل، مما يشير إلى تأثير يعتمد على الحجم. 

إن تدهور الخرسانة بسبب النيوترونات يشكل مصدر قلق حاليًا، لكن كما تظهر النتائج قد يكون التوسع أقل مما كان يُعتقد سابقًا. وبالتالي، قد يكون التدهور أقل حدة مما كان متوقعًا، مما “يسمح لمحطات الطاقة النووية بالعمل بأمان أكبر على فترات أطول”، صرّح ماروياما. 

من خلال هذا البحث، الفكرة هي المساهمة في اختيار المواد وتصميم الخرسانة للمحطات النووية المستقبلية. علاوة على ذلك، يمكن أن يوفر رؤى قيمة حول استقرار ومتانة المواد غير العضوية المستخدمة في الهياكل الفضائية للبناء خارج الأرض سواء في مدار الأرض أو ما بعده.

في الخطوة التالية، يهدف الفريق إلى معالجة التحديات في فهم سلوك التوسع للمعادن المكوّنة للصخور المختلفة. هذا سيساعد على توضيح آليات التوسع بشكل أكبر وتطوير القدرة على توقع توسع الركام بناءً على خصائصه المادية والظروف البيئية.

كما يخطط فريق البحث إلى القدرة على توقع طريقة تشكل الشقوق بناءً على توسع المعادن. 

تطوير الخرسانة الواقية من الإشعاع

نظرًا للدور الحيوي الذي تلعبه الخرسانة في الحماية من الإشعاع المؤين الضار عبر تطبيقات مختلفة بما في ذلك المرافق الطبية، المختبرات البحثية، العسكرية، ومحطات الطاقة النووية، فقد خضعت المادة لعدد كبير من الأبحاث. 

في الربع الأخير من العام الماضي، غاص الباحثون الدوليون بعمق في الخرسانة الواقية من الإشعاع (RSC)، التي تبين أنها أساسية لضمان السلامة ودعم الاستخدام المفيد للإشعاع في مختلف المجالات.

أحد هذه الأبحاث² المنشورة في نوفمبر أشار إلى أن الخرسانة الواقية من الإشعاع، المصنوعة من الأسمنت والماء والركام الثقيل، لديها القدرة على تحمل الأحمال الجاذبية، الأحمال العرضية مثل قوى الزلازل، ومقذوفات الأعاصير طوال عمرها.

الركام المستخدم بشكل رئيسي في RSC يشمل الباريت، الهيماتيت، الماغنتيت، والكولمانيت. إن دمج مثل هذا الركام الطبيعي الكثيف يزيد من كثافة المادة ويعزز فعالية RSC في التطبيقات الطبية والنووية.

من خلال تحسين بعض خصائص الخرسانة المسلحة لتقليل الإشعاع، أصبحت RSC خيارًا نموذجيًا للدرع والحماية من الإشعاع.

دراسة أخرى دراسة³ نشرت في ذلك الوقت تناولت تحسين الخرسانة العادية والباريت كفاءتها في الحماية من الإشعاع باستخدام أنواع مختلفة من الركام. 

تشير نتائج الدراسة إلى أن الخرسانة الأكثر كثافة توفر حماية أفضل مقارنةً بالأنواع الأقل كثافة، مما يبرز الدور الرئيسي لكثافة المادة في تعزيز فعالية الحماية من الإشعاع. هنا، أظهرت الخرسانة الباريتية خصائص حماية أكبر بسبب معامل الامتصاص الخطي الأعلى لها، والذي يقيس مدى سهولة امتصاص المادة أو تشتيت شعاع الطاقة.

لتحقيق كثافة عالية للـ RSC، استبدل الباحثون الركام العادي للخرسانة بالكوارتز، والمعادن الثقيلة مثل الزركون والرماد المتطاير، والركام الصناعي مثل خام الحديد المائي، نفايات الحديد، مخلفات القصدير، البوكسيت، الغالينا، أكسيد البزموت، والركام المعاد تدويره.

استخدام الخرسانة عالية الكثافة كحماية من الإشعاع يمكن أن يقلل من سمك الـ RSC بنحو 40٪ مقارنةً بالخرسانة العادية مع الحفاظ على قدرة التحمل.

تدعو الدراسات إلى مزيد من البحث حول المتانة طويلة الأمد للخرسانة تحت التعرض المستمر للإشعاع، بما في ذلك تقييم الضرر التراكمي المحتمل على فترات ممتدة للحصول على فهم أفضل لكيفية صمود المواد مع مرور الوقت.

تحتاج تأثيرات العوامل البيئية مثل درجة الحرارة والرطوبة والتعرض الكيميائي على خصائص الحماية الإشعاعية للخرسانة إلى التحقيق من أجل محاكاة الظروف الواقعية وفهم تأثيرها على فعالية الخرسانة كمواد واقية.

الشركات ذات الصلة 

الآن، دعونا نلقي نظرة على الأسماء البارزة في مجال الخرسانة والطاقة النووية: 

1. Vulcan Materials Company

هذه الشركة هي منتج مواد البناء القائمة على الركام ومورد رئيسي للخرسانة الجاهزة والأسفلت. تشمل قطاعات Vulcan Materials الركام، الأسفلت، الخرسانة، والكالسيوم، الذي ينتج منتجات الكالسيوم لصناعات علف الحيوانات ومعالجة المياه.

قيمة السوق لها 35.8 مليار دولار، وتُتداول أسهم VMC بسعر 270.16 دولار، بارتفاع 5.42٪ منذ بداية العام. ربح السهم (TTM) للشركة هو 6.40، نسبة السعر إلى الأرباح (TTM) هي 42.36، وعائد الأرباح هو 0.68٪.

في الربع المنتهي في 30 سبتمبر 2024، بلغت إيرادات الشركة 2 مليار دولار، بانخفاض 8.3٪ عن الربع الثالث من 2023. صافي الدخل كان 208.9 مليون دولار، وهوامش الربح 10٪ وربح السهم 1.58 دولار. وزعت الشركة 61 مليون دولار على مساهميها عبر الأرباح. خلال هذه الفترة، استحوذت Vulcan Materials على شركة Wake Stone لتوسيع حضورها في المناطق ذات النمو العالي في كارولاينا.

“بينما أدت الاضطرابات الجوية الكبيرة إلى تأثير على نشاط البناء خلال الأشهر التسعة الأولى من العام، لا تزال أسس الطلب العامة تدعم النمو على المدى الطويل.”

– الرئيس التنفيذي توم هيل

2. Constellation Energy   

تركز هذه الشركة على حلول الطاقة النظيفة من خلال مرافقها النووية، المائية، الريحية، والشمسية، التي لديها القدرة على تزويد حوالي 16 مليون منزل بالكهرباء. تنتج Constellation Energy (CEG ) حوالي 10٪ من الطاقة الخالية من الكربون في الولايات المتحدة.

قيمة السوق لها 95.8 مليار دولار، وتُتداول أسهم CEG بسعر 307.83 دولار، بارتفاع يقارب 37٪ منذ بداية العام. ربح السهم (TTM) للشركة هو 9.06، نسبة السعر إلى الأرباح (TTM) هي 33.81، وعائد الأرباح هو 0.46٪.

في الربع الثالث من 2024، شهدت الشركة أرباحها عند 1.2 مليار دولار، بارتفاع عن 731 مليون دولار في الربع الثالث من 2023. ارتفعت الإيرادات أيضًا بنسبة 7.2٪ إلى 6.55 مليار دولار. كان صافي الدخل وفقًا لمبادئ GAAP للربع 3.82 دولار للسهم، وكانت أرباح التشغيل المعدلة 2.74 دولار للسهم. ومن الجدير بالذكر أن Constellation Energy وقعت اتفاقية شراء طاقة لمدة 20 عامًا مع مايكروسوفت لدعم مركز Crane Clean Energy.

أنتجت أسطول الشركة النووي 45,510 جيجاواط ساعة خلال هذا الربع — بزيادة عن 44,125 جيجاواط ساعة على أساس سنوي. وبذلك حققت عامل قدرة 95٪، بانخفاض عن 97.2٪ على أساس سنوي. ارتفعت أيام الانقطاع المخطط لإعادة الوقود إلى 37 يومًا، وتضاعفت أيام الانقطاع غير المتعلقة بالوقود إلى 20 يومًا. (MSFT )

الخلاصة 

الطاقة النووية مصدر قوي ونظيف للطاقة يوفر موثوقية عالية وبصمة صغيرة. لكن الحوادث الخطيرة في محطات الطاقة النووية قد أوجدت خوفًا بين الناس. جانب حاسم من سلامة وطول عمر محطات الطاقة النووية يكمن في المواد المستخدمة في بنائها، وهي الخرسانة المستخدمة في جميع أنحاء المباني. 

الخرسانة مادة رخيصة نسبيًا، قوية، ومتينة يمكن صبها بسهولة في هياكل مختلفة و تتمتع بخصائص حماية جيدة ضد الإشعاع، مما يجعلها خيارًا شائعًا لتطبيقات الحماية من الإشعاع. 

بينما استكشفت الدراسات تأثير الإشعاع على سلامة بنية الخرسانة، تؤكد الأبحاث الحديثة تأثيرات الإشعاع وتوفر وضوحًا أكبر حول قدرة هذه المادة على الحماية.

على سبيل المثال، تشير ملاحظة الاعتماد الواضح على التدفق، حيث يؤدي التدفق النيوتروني الأعلى إلى معدل توسع أعلى، والاعتماد على حجم الحبوب، خاصة في نطاق التدفق النيوتروني العالي، إلى وجود آلية شفاء تكمن وراء التوسع الحجمي الناجم عن الإشعاع.

مع هذه الرؤى، يمكن للبحث أن يساعد في تطوير هياكل أكثر صمودًا لتعزيز سلامة المفاعلات الحالية وكذلك بناء محطات نووية من الجيل التالي، مما يساهم في تشكيل مستقبل قابل للحياة وآمن.

انقر هنا للحصول على قائمة بأفضل الأسهم النووية.

مرجع الدراسة:

^{1. Maruyama, I., Murakami, K., Ohkubo, T., Sawada, S., Kontani, O., Igari, T., Kawai, M., & Etoh, J. (2025). تأثير تدفق النيوترونات على معدل توسع الكوارتز. Journal of Nuclear Materials. متاح على الإنترنت 13 يناير 2025, 155631. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2025.155631}

2. Onaizi, A. M., Amran, M., Tang, W., Betoush, N., Alhassan, M., Rashid, R. S. M., Yasin, M. F., Bayagoob, K. H., & Onaizi, S. A. (2024). الخرسانة الواقية من الإشعاع: مراجعة للمواد، الأداء، وتأثير الإشعاع على خصائص الخرسانة. Journal of Building Engineering, 97, 110800. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2024.110800

3. Ahmad, N., Idris, M.I., Hussin, A. et al. تحسين كفاءة الحماية للخرسانة العادية والباريت في تطبيقات الحماية الإشعاعية. Sci Rep 14, 26029 (2024). https://doi.org/10.1038/s41598-024-76402-0