Moderne reaktorer kan drage fordel af nye indsigter i beton

Det mest essentielle byggemateriale er beton. Det er holdbart, alsidigt og stærkt. Ikke kun beton kan forblive stabil i mange år, formes til forskellige former og størrelser og modstå barske vejrforhold men den kan også modstå vibrationer og stød, er ikke‑brændbar, billig og hjælper med at opretholde en behagelig temperatur inde i bygninger.

Alle disse fantastiske egenskaber gør beton til et værdifuldt byggemateriale, som bruges til at bygge alle mulige forskellige strukturer, herunder veje, broer, dæmninger, tunneler, fundamenter, søjler, vægge, plader, indkørsler og terrasser.

Givet betons betydning i opbygning af infrastruktur, forventes betonmarkedets størrelse at overstige $972 milliarder inden udgangen af dette årti. 

Hurtig urbanisering og industrialisering samt en stigning i statslige udgifter til udvikling og genopbygning af infrastruktur driver denne vækst. En stigning i anvendelsen af miljøvenlige materialer til byggeri og de høje indledende anlægsomkostninger for anlæg, udgør dog en begrænsning for dette marked. 

Når det gælder betontype, dominerer segmentet for færdigblandet beton markedet. Denne blanding er trods alt omkostningseffektiv og fremstilles i partier på et centralt anlæg i stedet for at blive blandet på byggepladsen. Samtidig fører segmentet for armeret beton markedet i forhold til anvendelse.

Beton til at hjælpe med at opnå dekarbonisering

Nu spiller dette essentielle og populære byggemateriale også en rolle i at hjælpe os med at opnå dekarbonisering gennem atomkraftværker. Denne menneskeskabte blanding af cement, vand og tilslag som sand, tjener faktisk som det primære byggemateriale til reaktorindkapsling og -skærmning.

Beton er et prisbilligt materiale, der giver beskyttelse mod gamma‑stråler og neutroner. Dens vandindhold og høje densitet er det, der gør det så udbredt anvendt til strålingsskærmning.

Men mens ingeniører har udviklet formler til at bestemme den optimale tykkelse af skærmning til radioprotektionsformål, tager de ikke hensyn til strålingsskader. Og den langsigtede holdbarhed af beton er kritisk for driften af disse atomkraftværker sikkert.

Strålingsskadeprocessen er simpelt endnu ikke forstået godt. Derfor er det afgørende, at vi løser dette problem, hvis vi vil udnytte atomkraft, som kan hjælpe os med at opnå en CO₂‑neutral verden. 

Atomkraft er en lav‑kulstof energikilde, der kan hjælpe med at bekæmpe klimaforandringer. Den giver os en pålidelig strømkilde uanset vejret, noget vedvarende energikilder som vind og sol har svært ved. Atomkraft anses endda for at være sikrere end sol‑ og vindenergi. 

Desuden har atombrændstof en høj energitæthed og et lille arealaftryk, samtidig med at det beskytter luftkvaliteten, da der ingen skadelige emissioner er.

Atomkraft er en nøglekomponent i den samlede globale energiproduktion og bidrager med omkring 12 % af verdens elektricitet. I Europa dækker atomenergi 30 % af elbehovet, mens fossile brændstoffer udgør 40 % og resten af andelen udgøres af vedvarende energikilder. 

Samtidig er USA den største producent af atomkraft i verden med en 30 % andel af den globale atomelektricitet. I 2022 genererede landets atomreaktorer 772 TWh, svarende til 18 % af den samlede elektriske produktion.

På trods af mange fordele har ulykker som Tjernobyl og Fukushima skabt frygt. Som en følge af dette har Italien og Tyskland permanent lukket alle deres atomkraftværker. 

Men i lyset af behovet for ren og bæredygtig energi, og da atomkraft er en nul‑emissions ren energikilde, er det vigtigt at finde måder at forbedre omkostningseffektiviteten, pålideligheden og sikkerheden, så frygten blandt befolkningen mindskes, og accepten øges. Det er her, beton kommer ind i billedet.

Klik her for at lære, hvad der gør beton til et kritisk materiale, og hvordan vi kan overvinde dets mangler.

Betons afgørende rolle i atomenergi

Et atomkraftanlæg bruger en atomreaktor som sin primære varmekilde og udnytter den varme til at generere damp, som driver en dampturbine forbundet med en generator. På grund af den iboende radioaktivitet ved kernespaltning, er det kritisk, at reaktorkernen er indkapslet i en beskyttende skal. Dette mindsker effektivt spredning af stråling og forhindrer frigivelse af radioaktive stoffer i miljøet.

Disse reaktorkapslinger er lavet af beton, som også anvendes til strukturelle fundamenter og primære biologiske skjold for reaktorerne. Derfor er det nødvendigt, at vi udfører integritetsanalyse af betonstrukturer, for at drive atomkraftværker på lang sigt. Efter alt, i atomkraftværker skal beton udsættes for alvorlig og langvarig eksponering for γ‑stråling, neutronstråling og ekstremt høje temperaturer.

Dette er noget konventionelle strukturer ikke oplever, hvilket betyder, at al evaluering af armeret betons ydeevne i almindelige bygninger ikke rigtig kan hjælpe her. Derfor har vi brug for viden, der er specifik for atomkraftindustrien. 

Derudover er der en stor udfordring med materialeforandringer, der fører til nedbrydning af betonstrukturer i atomkraftværker. Disse alkali‑silica‑reaktioner, udvidelser og forsinket ettringit‑dannelse skyldes neutron‑amorfisering af de mineraler, der udgør tilslaget. Så det er endnu en grund til specifikt at vurdere beton i atomkraftværker.

Dette er dog ikke nyt. Forskere har undersøgt strålingens påvirkning på betons strukturelle integritet i lang tid. Men ny forskning har afdækket de dybere detaljer om strålingens effekt på betonudvidelse.

Avanceret betongforskning med fokus på atomkraftværker

Udgivet i Science Direct har undersøgelsen af forskere fra University of Tokyo, blandt andre, afdækket detaljer om strålingens effekt på betonudvidelse¹. De kan faktisk demonstrere præcis hvilke betonegenskaber der påvirker de strukturelle egenskaber, når de udsættes for forskellige niveauer af neutronstråling. 

For at tage hånd om den betydelige bekymring omkring beton‑tilslagsudvidelse forårsaget af stråling, er forståelsen af følsomheden af de sten‑dannende mineraler, især kvarts, over for neutronstråling meget vigtig.

Dette skyldes, at kvarts er et af de mest almindelige mineraler, som findes i næsten alle bjergarter. Eksperimenter i forskningsreaktorer har også vist, at kvarts kan udvide sig med op til 18 % i volumen. 

Nyere studier viser også, at mens cementpastaer krymper og får styrke under neutronirradiation, udvider de sten‑dannende mineraler sig, hvilket fører til revnedannelse i tilslaget. Dette fører til revnedannelse i tilslaget, betonudvidelse og et fald i stivhed og Youngs‑modul, som måler materialets evne til at modstå længdeændringer under kompression.

Forskerne gik derfor videre med at undersøge neutronirradiationens virkninger på forskellige typer kvarts, herunder sandsten, metakert, granodiorit og syntetisk kvarts. Irradiationstemperaturerne varierede her fra 45 til 62 grader Celsius.

Ifølge forskningsresultaterne kan kvartskrystaller i beton, især, selvhelbrede. Den strålingsinducerede volumenudvidelse blev afbødet af diffusion af silicium (Si) eller oxygen (O) inden i kvarts­kornet, hvilket skabte en strålingsinduceret afslapning. Dette kunne potentielt gøre det muligt for nogle reaktorer at køre længere end først antaget.

Klik her for at lære, om 3D‑printet beton kan hjælpe med at redde miljøet.

Forbedring af nuklear sikkerhed med beton

Et kompositmateriale, beton er sammensat af flere forbindelser, som kan variere afhængigt af faktorer som lokal geografi. Rock‑tilslaget, en hovedkomponent i beton, kan specifikt vise sig at være meget forskelligt, men stadig, “rock vil ofte indeholde kvarts.”

Kvarts findes i andesit, granodiorit (GR), sandsten (SS) og flere andre bjergarter, hvilket betyder, at neutronirradiation kan forårsage svelling af tilslaget og efterfølgende betonnedbrydning i skjoldvægge såvel som strukturer, der er udsat for høj neutronflux.

Dette betyder, at det er vigtigt at opnå en bedre forståelse af, hvordan kvarts ændrer sig under forskellige strålingsbelastninger. I den forbindelse bemærkede professor Ippei Maruyama fra arkitekturutdelingen, at:

“[Det] kan hjælpe os med at forudsige, hvordan beton også bør opføre sig generelt.”

Dog er studiet af neutronstrålingsinduceret nedbrydning hverken let eller billigt. Det er faktisk et omkostningstungt område, hvilket gør omfattende forskning vanskelig. Forskerteamet har arbejdet på dette i de sidste sytten år og har udviklet strategier, der kulminerede i nylige eksperimenter, hvor forskerne anvender røntgendiffraktion til at undersøge bestrålede kvarts­krystaller.

En af de ting, teamet undersøgte, er de to egenskaber ved neutronstråling — den samlede dosis, prøverne modtager, og fluxen, som er den hastighed, hvormed dosis modtages. 

Teamet fandt, at udvidelsesraten i en kvarts­krystal er i overensstemmelse med dosisraten; hvis hastigheden var højere, var udvidelsesmængden også langt højere, og omvendt.

“Opdagelsen af flux‑effekten indikerer ikke kun, at neutronstråling forvrænger krystalstrukturen, forårsager amorfisering og udvidelse, men at der også er et fænomen, hvor de forvredne krystaller genopretter sig, og udvidelsen mindskes, så en lavere hastighed giver mere tid til heling.”

– Maruyama

Dette fænomen blev også fundet at være afhængigt af mineralkrystallernes størrelse i betonen. Større krystallkorn viste mindre udvidelse, hvilket antyder en størrelsesafhængig effekt. 

Nedbrydningen af beton på grund af neutroner er i øjeblikket en bekymring, men som resultaterne viser, kan dette medføre mindre udvidelse end tidligere antaget. Som følge heraf kan nedbrydningen være mindre alvorlig end forventet, hvilket , “giver atomkraftværker mulighed for at operere mere sikkert over længere perioder,” udtalte Maruyama. 

Med denne forskning er idéen at bidrage til udvælgelsen af materialer og design af beton til fremtidige atomkraftværker. Derudover kan den give værdifulde indsigter i stabiliteten og holdbarheden af uorganiske materialer, der anvendes i rum‑baserede strukturer til udenjordisk konstruktion både i Jordens kredsløb og videre ud.

I næste skridt sigter teamet mod at løse udfordringer i forståelsen af udvidelsesadfærden for forskellige sten‑dannende mineraler. Dette vil hjælpe med yderligere at klarlægge udvidelsesmekanismerne og udvikle evnen til at forudsige udvidelsen af tilslag baseret på deres materialegenskaber og miljøforhold.

Forskerteamet planlægger også at kunne forudsige, hvordan revner dannes baseret på mineraludvidelse. 

Fremme af strålings‑skærmende beton

I betragtning af den vitale rolle, beton spiller i beskyttelsen mod skadelig ioniserende stråling på tværs af forskellige anvendelser, herunder medicinske faciliteter, forskningslaboratorier, militæret og atomkraftværker, er materialet blevet genstand for omfattende forskning. 

I sidste kvartal af sidste år dykkede internationale forskere dybt ned i strålings‑skærmende beton (RSC), som er blevet fundet at være essentiel for at sikre sikkerhed og understøtte den gavnlige brug af stråling i forskellige felter.

En sådan undersøgelse² offentliggjort i november bemærkede, at strålings‑skærmende beton, fremstillet af cement, vand og tunge tilslag, har evnen til at bære gravitationsbelastninger, tilfældige belastninger såsom jordskælvskræfter og tornado‑genererede projektiler gennem hele dens levetid.

De tilslag, der primært anvendes i RSC, omfatter barit, hematit, magnetit og colemanit. Indarbejdelse af sådanne tætte naturlige tilslag øger materialets densitet og forbedrer RSC’s effektivitet i både medicinske og atomare anvendelser. 

Det er ved at forbedre nogle armerede betonegenskaber for at svække stråling, at RSC er blevet et typisk valg til strålings‑skærmning og beskyttelse.

En anden undersøgelse³ offentliggjort omkring den tid undersøgte forbedring af den almindelige og barit‑betons effektivitet i strålings‑skærmning ved brug af forskellige typer tilslag. 

Studiets resultater, som viser at tættere beton giver bedre beskyttelse sammenlignet med lavere‑densitetsvarianter, understreger den afgørende rolle, materialets densitet spiller for at forbedre strålings‑skærmningseffektiviteten. Her viste baritbeton større skærmningsegenskaber på grund af dens højere lineære attenueringskoefficient, som måler hvor let et materiale absorberer eller spreder en energistråle.

For at opnå høj densitet i RSC erstattede forskere almindelige betontilslag med kvarts, tunge mineraler som zirkon og flyveaske samt kunstige tilslag såsom hydreret jernmalm, jernaffald, tin‑affald, bauxit, galen, bismutoxid og genbrugte tilslag.

Brug af høj‑densitetsbeton som strålings‑skærmning kan reducere tykkelsen af RSC med næsten 40 % sammenlignet med almindelig beton, mens den stadig bevarer bæreevnen.

Studierne opfordrer til yderligere forskning i betons langtidsholdbarhed under kontinuerlig strålingseksponering, herunder vurdering af potentiel kumulativ skade over længere perioder for bedre indsigt i, hvordan materialerne klarer sig over tid. 

Effekter af miljømæssige faktorer som temperatur, fugtighed og kemisk eksponering på betons strålings‑skærmningsegenskaber skal også undersøges for at simulere virkelige forhold og forstå deres indvirkning på betons effektivitet som skærmmateriale.

Relevante virksomheder 

Lad os nu se på fremtrædende navne inden for beton‑ og atomkraftsektoren: 

1. Vulcan Materials Company

Dette er producenten af aggregat‑baserede byggematerialer og en stor leverandør af færdigblandet beton og asfalt. Vulcan Materials’ segmenter omfatter aggregater, asfalt, beton og calcium, som producerer calciumprodukter til dyrefoder‑ og vandbehandlingsindustrien.

Det har en markedsværdi på $35,8 milliarder, og VMC‑aktier handles til $270,16, op 5,42 % år‑til‑dato. Selskabets EPS (TTM) er 6,40, P/E‑forholdet (TTM) er 42,36, og udbytteafkastet er 0,68 %.

For kvartalet, der sluttede 30. september 2024, udgjorde selskabets omsætning $2 milliarder, hvilket var et fald på 8,3 % i forhold til 3Q23. Nettoresultatet var $208,9 millioner, profitmarginen 10 % og EPS $1,58. Selskabet udbetalte $61 millioner til aktionærerne gennem udbytte. I denne periode erhvervede Vulcan Materials Wake Stone Corporation for at udvide sin tilstedeværelse i høj‑vækst‑regioner i Carolinas. 

“Mens betydelige vejrforstyrrelser har påvirket byggeaktiviteten i de første ni måneder af året, fortsætter de grundlæggende efterspørgsels‑fundamentaler med at understøtte langsigtet vækst.”

– CEO Tom Hill

2. Constellation Energy   

Dette fokuserer på rene energiløsninger gennem sine atom‑, vand‑, vind‑ og solenergi‑anlæg, som har kapacitet til at forsyne omkring 16 millioner hjem. Constellation Energy (CEG ) producerer omkring 10 % af den CO₂‑fri energi i USA.

Det har en markedsværdi på $95,8 milliarder, og CEG‑aktier handles til $307,83, op næsten 37 % år‑til‑dato. Selskabets EPS (TTM) er 9,06, P/E‑forholdet (TTM) er 33,81, og udbytteafkastet er 0,46 %.

I 3. kvartal 2024 så selskabet sin indtjening stige til $1,2 milliarder, op fra $731 millioner i 3Q23. Omsætningen steg også 7,2 % til $6,55 milliarder. Dets GAAP‑nettoresultat for kvartalet var $3,82 per aktie, og justeret driftsresultat var $2,74 per aktie. Bemærkelsesværdigt har Constellation Energy indgået en 20‑årig kraftkøbs‑aftale med Microsoft (MSFT ) for at støtte deres Crane Clean Energy Center.

Selskabets atomflåde producerede 45.510 GWh i dette kvartal — en stigning fra 44.125 GWh år‑til‑år. Med dette opnåede de en kapacitetsfaktor på 95 %, hvilket faldt fra 97,2 % år‑til‑år. Constellation Energies planlagte udtænkning‑nedlukningsdage steg til 37, mens ikke‑udtænkning‑nedlukningsdage fordobledes til 20.

Konklusion 

Atomenergi er en kraftfuld og ren energikilde, der tilbyder høj pålidelighed og et lille fodaftryk. Men alvorlige ulykker på atomkraftværker har skabt frygt blandt folk. En kritisk faktor for sikkerheden og levetiden af atomkraftværker ligger i de materialer, der anvendes i deres konstruktion, nemlig beton der anvendes gennem hele bygningerne. 

Beton er et relativt billigt, robust og holdbart materiale, som let kan støbes i forskellige strukturer og har gode skærmningsegenskaber mod stråling, hvilket gør det til et populært valg til strålings‑skærmningsapplikationer. 

Selvom studier har undersøgt strålingens påvirkning på betons strukturelle integritet, bekræfter den seneste forskning strålings‑effekterne og giver endnu klarere indsigt i dette materiales beskyttelses‑evne.

For eksempel viser observationen af en klar flux‑afhængighed, hvor højere neutronflux resulterer i en højere udvidelsesrate, samt kornstørrelses‑afhængighed, især i det højere neutron‑fluens‑område, at der findes en helingsmekanisme bag den strålings‑inducerede volumenudvidelse. 

Med sådanne indsigter kan forskning hjælpe med at udvikle mere modstandsdygtige strukturer, som forbedrer sikkerheden for eksisterende reaktorer samt bygger næste generations atomkraftværker, og derved forme en levedygtig og sikker fremtid.

Klik her for en liste over de bedste atomaktier.

Studierreferencer:

^{1. Maruyama, I., Murakami, K., Ohkubo, T., Sawada, S., Kontani, O., Igari, T., Kawai, M., & Etoh, J. (2025). Neutron flux impact on rate of expansion of quartz. Journal of Nuclear Materials. Available online 13 januar 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). Radiation-shielding concrete: A review of materials, performance, and the impact of radiation on concrete properties. 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. Enhancing shielding efficiency of ordinary and barite concrete in radiation shielding utilizations. Sci Rep 14, 26029 (2024). https://doi.org/10.1038/s41598-024-76402-0