Moderne Reaktoren könnten von neuen Erkenntnissen über Beton profitieren

Das wichtigste Material im Bauwesen ist Beton. Er ist langlebig, vielseitig und stark. Nicht nur Beton kann über viele Jahre stabil bleiben, in verschiedene Formen und Größen gegossen werden und harten Wetterbedingungen standhalten sondern er kann auch Vibrationen und Stöße aushalten, ist nicht brennbar, preisgünstig und hilft, eine angenehme Temperatur in Gebäuden zu erhalten.

All diese erstaunlichen Eigenschaften von Beton machen ihn zu einem wertvollen Baustoff, der zum Bau aller Arten von Strukturen verwendet wird, einschließlich Straßen, Brücken, Dämmen, Tunneln, Fundamenten, Pfeilern, Wänden, Platten, Einfahrten und Terrassen.

Angesichts der Bedeutung von Beton für die Infrastruktur wird erwartet, dass die Marktgröße für Beton bis zum Ende dieses Jahrzehnts $972 billion übersteigen wird. 

Schnelle Urbanisierung und Industrialisierung sowie ein Anstieg der staatlichen Ausgaben für Entwicklung und Wiederaufbau von Infrastrukturen treiben dieses Wachstum an. Ein Anstieg der Nutzung umweltfreundlicher Materialien im Hochbau und die hohen Anfangsinvestitionskosten für Anlagen wirken jedoch als Hemmnis für diesen Markt. 

Bei den Betontypen dominiert das Segment Fertigbeton den Markt. Diese Mischung ist schließlich kostengünstig und wird in Chargen in einer zentralen Anlage hergestellt, anstatt vor Ort gemischt zu werden. Gleichzeitig führt das Segment Stahlbeton den Markt in Bezug auf die Anwendung an.

Beton zur Unterstützung der Dekarbonisierung

Jetzt spielt dieses wesentliche und beliebte Baumaterial auch eine Rolle dabei, uns durch Kernkraftwerke bei der Erreichung der Dekarbonisierung zu unterstützen. Diese vom Menschen hergestellte Mischung aus Zement, Wasser und Zuschlagstoffen wie Sand dient tatsächlich als primäres Baumaterial für die Reaktorgefäße und Abschirmungen.

Beton ist ein erschwingliches Material, das Schutz vor Gammastrahlen und Neutronen bietet. Sein Wassergehalt und seine hohe Dichte sind der Grund, warum er so häufig für Strahlenschutz verwendet wird.

Aber während Ingenieure Formeln entwickelt haben, um die optimale Abschirmdicke für Strahlenschutzzwecke zu bestimmen, berücksichtigen sie nicht die Auswirkungen von Strahlenschäden. Und die langfristige Beständigkeit von Beton ist entscheidend, um diese Kernkraftwerke sicher zu betreiben.

Der Prozess der Strahlenschädigung ist einfach noch nicht gut verstanden. Daher ist es entscheidend, dass wir dieses Problem beheben, wenn wir die Kernenergie nutzen wollen, die uns helfen kann, eine kohlenstoffneutrale Welt zu erreichen.

Kernenergie ist eine kohlenstoffarme Energiequelle, die helfen kann, den Klimawandel zu bekämpfen. Sie liefert uns eine zuverlässige Stromquelle, unabhängig vom Wetter, was erneuerbare Energien wie Wind- und Solarenergie schwerfallen. Kernenergie gilt sogar als sicherer als Solar- und Windenergie.

Außerdem hat Kernbrennstoff eine hohe Energiedichte und einen geringen Flächenbedarf, während er gleichzeitig die Luftqualität schützt, da keine schädlichen Emissionen entstehen.

Kernenergie ist ein wesentlicher Teil der weltweiten Energieerzeugung und trägt etwa 12 % zum Strom der Welt bei. In Europa werden 30 % des Strombedarfs durch Kernenergie gedeckt, während fossile Brennstoffe 40 % ausmachen und der Rest durch erneuerbare Energien gedeckt wird. 

Unterdessen ist die USA der größte Produzent von Kernenergie weltweit und hat einen Anteil von 30 % an der global erzeugten Kernstrommenge. 30%. Im Jahr 2022 erzeugten die Kernreaktoren des Landes 772 TWh, was 18 % der gesamten Stromerzeugung entspricht.

Trotz vieler Vorteile haben Unfälle wie Tschernobyl und Fukushima Angst erzeugt. Infolgedessen haben Italien und Deutschland alle ihre Kernkraftwerke dauerhaft geschlossen. 

Dennoch ist es angesichts des Bedarfs an sauberer und nachhaltiger Energie und der Tatsache, dass Kernenergie eine emissionsfreie saubere Energiequelle ist, wichtig, Wege zu finden, die Kosteneffizienz, Zuverlässigkeit und Sicherheit zu verbessern, um die Ängste der Menschen gegenüber dieser Technologie zu verringern und ihre Akzeptanz zu erhöhen. Hier kommt Beton ins Spiel.

Klicken Sie hier, um zu erfahren, was Beton zu einem kritischen Material macht und wie wir seine Schwächen überwinden können.

Die entscheidende Rolle von Beton in der Kernenergie

Eine Kernanlage nutzt einen Kernreaktor als primäre Wärmequelle und verwendet diese Wärme, um Dampf zu erzeugen, der eine Dampfturbine antreibt, die mit einem Generator verbunden ist. Aufgrund der inhärenten Radioaktivität der Kernspaltung ist es entscheidend, dass der Reaktorkern in einer schützenden Hülle eingeschlossen ist. Dies reduziert effektiv die Verbreitung von Strahlung und verhindert die Freisetzung radioaktiver Stoffe in die Umwelt.

Diese Reaktorgefäße bestehen aus Beton, der auch für strukturelle Fundamente und primäre biologische Abschirmungen der Reaktoren verwendet wird. Daher ist es notwendig, die Integritätsanalyse von Betonstrukturen durchzuführen, um Kernanlagen langfristig zu betreiben. Schließlich muss Beton in Kernkraftwerken einer schweren und langfristigen Belastung durch γ‑Strahlungsbestrahlung, Neutronenstrahlung und extrem hohen Temperaturen standhalten.

Dies ist etwas, dem konventionelle Strukturen nicht ausgesetzt sind, was bedeutet, dass die Bewertung der Leistung von Stahlbetonkonstruktionen in allgemeinen Bau- und Ingenieurstrukturen hier nicht wirklich helfen kann. Daher benötigen wir spezifisches Wissen für die Kernenergiebranche.

Zusätzlich gibt es eine große Herausforderung durch Materialveränderungen, die zum Abbau von Betonstrukturen in Kernkraftwerken führen. Diese Alkali‑Silica‑Reaktionen, Ausdehnung und verzögerte Ettringitbildung entstehen durch die Neutronen‑Amorphisierung der steinbildenden Mineralien in den Zuschlagstoffen. Das ist ein weiterer Grund, Beton in Kernkraftwerken speziell zu bewerten.

Dies ist jedoch nichts Neues. Forscher untersuchen seit langem die Auswirkungen von Strahlung auf die strukturelle Integrität von Beton. Aber neue Forschungen haben tiefere Details über die Wirkung von Strahlung auf die Betonausdehnung aufgedeckt.

Fortgeschrittene Betonforschung mit Fokus auf Kernkraftwerke

Veröffentlicht in Science Direct hat die Studie von Forschern der Universität Tokio und anderen Details über die Wirkung von Strahlung auf die Betonausdehnung aufgedeckt¹. Sie können tatsächlich zeigen, welche Betoneigenschaften seine strukturellen Merkmale beeinflussen, wenn er unterschiedlichen Neutronenstrahlungsniveaus ausgesetzt wird.

Um das bedeutende Problem der durch Strahlung verursachten Ausdehnung von Betonaggregaten anzugehen, ist das Verständnis der Empfindlichkeit von steinbildenden Mineralien, insbesondere Quarz, gegenüber Neutronenstrahlung sehr wichtig.

Dies liegt daran, dass Quarz eines der häufigsten Mineralien ist, das in fast allen Gesteinsarten vorkommt. Außerdem haben Experimente in Forschungsreaktoren gezeigt, dass Quarz um bis zu 18 % seines Volumens expandieren kann.

Neuere Studien zeigen auch, dass Zementpastillen unter Neutronenbestrahlung schrumpfen und an Festigkeit gewinnen, während steinbildende Mineralien expandieren, was zur Rissbildung in den Zuschlagstoffen führt. Dies führt zu Rissbildung im Zuschlag, Betonausdehnung und einem Rückgang von Festigkeit und Elastizitätsmodul, der die Fähigkeit eines Materials misst, Längenänderungen unter Druck zu widerstehen.

Daher untersuchten die Forscher die Auswirkungen von Neutronenbestrahlung auf verschiedene Quarzarten, einschließlich Sandstein, Metaschiefer, Granodiorit und synthetischem Quarz. Die Bestrahlungstemperaturen lagen hier zwischen 45 und 62 °C.

Laut Forschungsergebnissen können Quarzkristalle im Beton insbesondere sich selbst heilen. Die strahlungsinduzierte Volumenausdehnung wurde durch die Diffusion von Silizium (Si) oder Sauerstoff (O) innerhalb des Quarzkorns gemindert, was zu einer strahlungsinduzierten Entspannung führt. Dies könnte potenziell ermöglichen, dass einige Reaktoren länger laufen als zunächst angenommen.

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Verbesserung der nuklearen Sicherheit mit Beton

Beton ist ein Verbundmaterial, das aus mehreren Verbindungen besteht, die je nach lokalen geographischen Faktoren variieren können. Das Gesteinsaggregat, ein Hauptbestandteil von Beton, kann sehr unterschiedlich sein, aber dennoch enthält Gestein häufig Quarz.

Quarz kommt in Andesit, Granodiorit (GR), Sandstein (SS) und mehreren anderen Gesteinen vor, was bedeutet, dass Neutronenbestrahlung zu einer Aufquellung des Aggregats und einer anschließenden Betonverschlechterung in Abschirmwänden sowie in Strukturen führen kann, die einem hohen Neutronenfluss ausgesetzt sind.

Das bedeutet, dass es wichtig ist, ein besseres Verständnis dafür zu erlangen, wie sich Quarz unter unterschiedlichen Strahlungsbelastungen verändert. In diesem Zusammenhang bemerkte Professor Ippei Maruyama von der Abteilung für Architektur:

“[Es] kann uns helfen, vorherzusagen, wie sich Beton im Allgemeinen verhalten sollte.”

Allerdings ist die Untersuchung der durch Neutronenstrahlung induzierten Degradation nicht einfach oder billig. Es ist tatsächlich ein kostspieliger Forschungsbereich, der umfangreiche Forschung erschwert. Das Forschungsteam arbeitet seit siebzehn Jahren daran und hat Strategien entwickelt, die in jüngsten Experimenten gipfelten, bei denen Forscher Röntgendiffraktion einsetzen, um bestrahlte Quarzkristalle zu untersuchen.

Ein Aspekt, den das Team untersuchte, sind die beiden Eigenschaften der Neutronenstrahlung – die Gesamtdosis, die die Proben erhalten, und den Fluss, also die Rate, mit der die Dosis empfangen wird.

Das Team stellte fest, dass die Expansionsrate in einem Quarzkristall mit der Dosisrate übereinstimmt; war die Rate höher, war die Ausdehnung ebenfalls deutlich größer, und umgekehrt.

“Die Entdeckung des Flusseffekts zeigt nicht nur, dass Neutronenstrahlung die Kristallstruktur verzerrt, was zu Amorphisierung und Ausdehnung führt, sondern dass es auch ein Phänomen gibt, bei dem sich die verzerrten Kristalle erholen und die Ausdehnung abnimmt, sodass eine niedrigere Rate mehr Zeit zur Heilung bietet.”

– Maruyama

Dieses Phänomen wurde ebenfalls als abhängig von der Größe der Mineral­kristalle im Beton festgestellt. Größere Kristallkörner zeigten weniger Ausdehnung, was auf einen größenabhängigen Effekt hindeutet.

Die durch Neutronen verursachte Degradation von Beton ist derzeit ein Grund zur Besorgnis, aber wie die Ergebnisse zeigen, könnte die Ausdehnung geringer sein als bisher angenommen. Infolgedessen könnte die Degradation weniger schwerwiegend sein als erwartet, wodurch, wie Maruyama erklärte, “Kernkraftwerke über längere Zeiträume sicherer betrieben werden können”.

Mit dieser Forschung soll zur Auswahl von Materialien und zur Gestaltung von Beton für zukünftige Kernkraftwerke beigetragen werden. Darüber hinaus kann sie wertvolle Einblicke in die Stabilität und Haltbarkeit anorganischer Materialien liefern, die in weltraumbasierten Strukturen für extraterrestrischen Bau sowohl in der Erdumlaufbahn als auch darüber hinaus verwendet werden.

Im nächsten Schritt will das Team die Herausforderungen beim Verständnis des Ausdehnungsverhaltens verschiedener steinbildender Mineralien angehen. Dies wird helfen, die Expansionsmechanismen weiter zu klären und die Fähigkeit zu entwickeln, die Ausdehnung von Zuschlagstoffen basierend auf deren Materialeigenschaften und Umweltbedingungen vorherzusagen.

Das Forschungsteam plant außerdem, die Entstehung von Rissen basierend auf der Mineral­ausdehnung vorhersagen zu können.

Fortschrittlicher strahlungsabschirmender Beton

Angesichts der entscheidenden Rolle, die Beton beim Schutz vor schädlicher ionisierender Strahlung in verschiedenen Anwendungen wie medizinischen Einrichtungen, Forschungslabors, dem Militär und Kernkraftwerken spielt, wurde das Material intensiv erforscht.

Im letzten Quartal des vergangenen Jahres haben internationale Forscher den strahlungsabschirmenden Beton (RSC) eingehend untersucht, der sich als wesentlich erwiesen hat, um Sicherheit zu gewährleisten und die vorteilhafte Nutzung von Strahlung in verschiedenen Bereichen zu unterstützen.

Eine solche im November veröffentlichte Forschung stellte fest, dass strahlungsabschirmender Beton, bestehend aus Zement, Wasser und schweren Zuschlagstoffen, in der Lage ist, Schwerkraftlasten, Nebenlasten wie Erdbebenkräfte und durch Tornados erzeugte Geschosse während seiner gesamten Lebensdauer zu tragen.

Die in RSC hauptsächlich verwendeten Zuschlagstoffe umfassen Baryt, Hämatit, Magnetit und Colemanit. Die Einbindung solch dichter natürlicher Zuschlagstoffe erhöht die Dichte des Materials und verbessert die Wirksamkeit von RSC sowohl in medizinischen als auch in nuklearen Anwendungen.

Durch die Verbesserung einiger Eigenschaften von Stahlbeton, um die Strahlung zu schwächen, hat sich RSC zu einer typischen Wahl für Strahlenschutz und -abschirmung entwickelt.

Eine weitere zu dieser Zeit veröffentlichte Studie untersuchte die Verbesserung der Effizienz von gewöhnlichem und Baryt‑Beton beim Strahlenschutz durch die Verwendung verschiedener Arten von Zuschlagstoffen.

Die Studienergebnisse, die besagen, dass dichterer Beton im Vergleich zu weniger dichten Varianten besseren Schutz bietet, unterstreichen die Schlüsselrolle der Materialdichte bei der Verbesserung der Strahlungsabschirmung. Hier zeigte Baryt‑Beton aufgrund seines höheren linearen Abschwächungskoeffizienten, der misst, wie leicht ein Material einen Energiestreifen absorbiert oder streut, bessere Abschirmeigenschaften.

Um eine hohe Dichte von RSC zu erreichen, ersetzten Forscher herkömmliche Beton­zuschlagstoffe durch Quarz, schwere Mineralien wie Zirkon und Flugasche sowie künstliche Zuschlagstoffe wie nasses Eisenerz, Eisenabfälle, Zinn‑Rückstände, Bauxit, Galen, Bismutoxid und recycelte Zuschlagstoffe.

Der Einsatz von hochdichtem Beton als Strahlungsabschirmung kann die Dicke von RSC im Vergleich zu herkömmlichem Beton um fast 40 % reduzieren, während die Tragfähigkeit erhalten bleibt.

Die Studien fordern weitere Forschungen zur Langzeitbeständigkeit von Beton unter kontinuierlicher Strahlungsbelastung, einschließlich der Bewertung potenzieller kumulativer Schäden über längere Zeiträume, um ein besseres Verständnis dafür zu erhalten, wie die Materialien über die Zeit hinweg bestehen.

Die Auswirkungen von Umgebungsfaktoren wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit und chemischer Belastung auf die Strahlungsabschirmungseigenschaften von Beton müssen ebenfalls untersucht werden, um reale Bedingungen zu simulieren und ihre Auswirkungen auf die Wirksamkeit von Beton als Abschirmmaterial zu verstehen.

Relevante Unternehmen 

Werfen wir nun einen Blick auf prominente Namen im Bereich Beton und Kernenergie: 

1. Vulcan Materials Company

Dieses Unternehmen ist Hersteller von auf Zuschlagstoffen basierenden Baumaterialien und ein wichtiger Lieferant von Fertigbeton und Asphalt. Die Segmente von Vulcan Materials umfassen Zuschlagstoffe, Asphalt, Beton und Calcium, die Calciumprodukte für die Tierfutter- und Wasseraufbereitungsindustrie herstellen.

Es hat eine Marktkapitalisierung von 35,8 Milliarden $, wobei die VMC-Aktien bei 270,16 $ gehandelt werden, ein Anstieg von 5,42 % im Jahresverlauf. Das EPS (TTM) des Unternehmens beträgt 6,40, das KGV (TTM) liegt bei 42,36 und die Dividendenrendite beträgt 0,68 %.

Für das am 30. September 2024 endende Quartal erzielte das Unternehmen einen Umsatz von 2 Milliarden $, was einem Rückgang von 8,3 % gegenüber dem 3. Quartal 2023 entspricht. Der Nettogewinn betrug 208,9 Millionen $, die Gewinnspanne lag bei 10 % und das EPS bei 1,58 $. Das Unternehmen schüttete seinen Aktionären 61 Millionen $ an Dividenden aus. In diesem Zeitraum erwarb Vulcan Materials die Wake Stone Corporation, um seine Präsenz in wachstumsstarken Regionen in den Carolinas auszubauen.

“Während erhebliche Wetterstörungen die Bautätigkeit in den ersten neun Monaten des Jahres beeinträchtigt haben, stützen die grundsätzlichen Nachfragedaten weiterhin das langfristige Wachstum.”

– CEO Tom Hill

2. Constellation Energy   

Dieses Unternehmen konzentriert sich auf saubere Energielösungen durch seine Kern-, Wasser-, Wind- und Solargenerierungsanlagen, die etwa 16 Millionen Haushalte versorgen können. Constellation Energy (CEG ) erzeugt etwa 10 % der CO₂‑freien Energie in den USA.

Es hat eine Marktkapitalisierung von 95,8 Milliarden $, wobei die CEG-Aktien bei 307,83 $ gehandelt werden, ein Anstieg von fast 37 % im Jahresverlauf. Das EPS (TTM) des Unternehmens beträgt 9,06, das KGV (TTM) liegt bei 33,81 und die Dividendenrendite beträgt 0,46 %.

Im 3. Quartal 2024 verzeichnete das Unternehmen einen Gewinn von 1,2 Milliarden $, gegenüber 731 Millionen $ im 3. Quartal 2023. Der Umsatz stieg ebenfalls um 7,2 % auf 6,55 Milliarden $. Das GAAP‑Nettoeinkommen für das Quartal betrug 3,82 $ pro Aktie und das bereinigte operative Ergebnis 2,74 $ pro Aktie. Bemerkenswert ist, dass Constellation Energy einen 20‑jährigen Stromabnahmevertrag mit Microsoft (MSFT ) unterzeichnet hat, um dessen Crane Clean Energy Center zu unterstützen.

Die Kernflotte des Unternehmens produzierte in diesem Quartal 45.510 GWh, ein Anstieg gegenüber 44.125 GWh im Vorjahr. Damit erreichte es einen Kapazitätsfaktor von 95 %, der im Vorjahr bei 97,2 % lag. Die geplanten Abschaltzeiten für Nachbrennstoffe stiegen auf 37 Tage, während sich die Nicht‑Nachbrennstoff‑Ausfalltage auf 20 verdoppelten.

Fazit 

Kernenergie ist eine leistungsstarke und saubere Energiequelle, die hohe Zuverlässigkeit und einen geringen Platzbedarf bietet. Doch schwere Unfälle in Kernkraftwerken haben Angst bei den Menschen erzeugt. Ein entscheidender Aspekt der Sicherheit und Langlebigkeit von Kernkraftwerken liegt in den für den Bau verwendeten Materialien, nämlich dem Beton, der im gesamten Gebäude eingesetzt wird. 

Beton ist ein relativ günstiges, robustes und langlebiges Material, das leicht in verschiedene Strukturen gegossen werden kann und gute Abschirmeigenschaften gegen Strahlung aufweist, wodurch er eine beliebte Wahl für strahlungsabschirmende Anwendungen ist.

Während Studien die Auswirkungen von Strahlung auf die strukturelle Integrität von Beton untersucht haben, bestätigen die neuesten Forschungen die Strahlungseffekte und geben noch mehr Klarheit über die Schutzfähigkeit dieses Materials.

Zum Beispiel deutet die Beobachtung einer klaren Flussabhängigkeit, bei der ein höherer Neutronenfluss zu einer höheren Expansionsrate führt, sowie einer Korn­größenabhängigkeit, insbesondere im Bereich höherer Neutronenfluenz, auf das Vorhandensein eines Heilungsmechanismus zugrunde liegenden strahlungsinduzierten Volumenausdehnung hin.

Mit solchen Erkenntnissen kann die Forschung helfen, robustere Strukturen zu entwickeln, um die Sicherheit bestehender Reaktoren zu erhöhen und gleichzeitig nächste‑Generation‑Kernkraftwerke zu bauen, was wiederum eine lebensfähige und sichere Zukunft gestaltet.

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Studienreferenz:

^{1. Maruyama, I., Murakami, K., Ohkubo, T., Sawada, S., Kontani, O., Igari, T., Kawai, M., & Etoh, J. (2025). Einfluss des Neutronenflusses auf die Expansionsrate von Quarz. Journal of Nuclear Materials. Online verfügbar am 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). Strahlungsabschirmender Beton: Ein Überblick über Materialien, Leistung und die Auswirkungen von Strahlung auf Betoneigenschaften. 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. Verbesserung der Abschirmungseffizienz von gewöhnlichem und Baryt‑Beton bei Strahlenschutzanwendungen. Sci Rep 14, 26029 (2024). https://doi.org/10.1038/s41598-024-76402-0