Energie
Moderne Reaktoren könnten von neuen Erkenntnissen über Beton profitieren
Das wichtigste Material im Bauwesen ist Beton. Es ist langlebig, vielseitig und stark. Nicht nur kann Beton stabil bleiben für viele Jahre, in verschiedene Formen und Größen geformt werden und harte Wetterbedingungen standhalten sondern er kann auch Vibrationen und Stöße standhalten, ist nicht brennbar, preisgünstig und hilft, eine angenehme Temperatur in Gebäuden zu halten.
All diese erstaunlichen Eigenschaften von Beton machen es zu einem wertvollen Baumaterial, das zum Bau aller Arten von Strukturen verwendet wird, einschließlich Straßen, Brücken, Dämmen, Tunneln, Fundamenten, Säulen, Wänden, Platten, Auffahrten und Terrassen.
Angesichts der Bedeutung von Beton im Bau von Infrastrukturen wird der Betonmarkt voraussichtlich bis zum Ende des Jahrzehnts 972 Milliarden Dollar übersteigen.
Schnelle Urbanisierung und Industrialisierung sowie eine Zunahme der staatlichen Ausgaben für die Entwicklung und den Wiederaufbau von Infrastrukturen treiben dieses Wachstum voran. Ein Anstieg der Nachfrage nach umweltfreundlichen Materialien für den Bau und die hohen Anfangsinvestitionen für Anlagen sind jedoch ein Hemmnis für diesen Markt.
Bei der Betonart dominiert der Segment der Transportbetone den Markt. Diese Mischung ist nämlich kostengünstig und wird in Chargen in einer zentralen Anlage hergestellt, anstatt vor Ort gemischt zu werden. Währenddessen führt der Segment der Stahlbetone in Bezug auf die Anwendung den Markt an.
Beton kann dazu beitragen, die Dekarbonisierung zu erreichen
Jetzt spielt dieses essentielle und beliebte Baumaterial auch eine Rolle bei der Erreichung der Dekarbonisierung durch Kernkraftwerke. Diese künstliche Mischung aus Zement, Wasser und Aggregaten wie Sand dient als primäres Baumaterial für Reaktorgehäuse und Abschirmung.
Beton ist ein preisgünstiges Material, das Schutz vor Gammastrahlen und Neutronen bietet. Seine Wassergehalt und hohe Dichte sind es, was es so weit verbreitet für Strahlenschutz verwendet wird.
Aber während Ingenieure Formeln entwickelt haben, um die optimale Dicke der Abschirmung für radioprotektive Zwecke 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 des Strahlenschadens ist einfach noch nicht gut verstanden. Daher ist es wichtig, dass wir dieses Problem lösen, wenn wir die Vorteile der Kernenergie nutzen wollen, die uns helfen kann, eine kohlenstoffneutrale Welt zu erreichen.
Kernenergie ist eine emissionsarme Energiequelle, die uns helfen kann, den Klimawandel zu bekämpfen. Sie bietet uns eine zuverlässige Stromquelle unabhängig von der Wetterlage, was erneuerbare Energiequellen wie Wind- und Solarenergie nicht können. Kernenergie gilt sogar als sicherer als Wind- und Solarenergie.
Darüber hinaus hat Kernbrennstoff eine hohe Energiedichte und einen kleinen Flächenbedarf und schützt gleichzeitig die Luftqualität, da es keine schädlichen Emissionen gibt.
Kernenergie ist ein wichtiger Teil der globalen Energieerzeugung und trägt etwa 12 % der weltweiten Stromerzeugung bei. In Europa deckt Kernenergie 30 % des Strombedarfs ab, während fossile Brennstoffe 40 % ausmachen und der Rest von erneuerbaren Energien gestellt wird.
Währenddessen ist die USA der größte Produzent von Kernenergie weltweit und hat 30 % des globalen Kernstroms produziert. Im Jahr 2022 produzierten die Kernreaktoren des Landes 772 TWh, was 18 % der gesamten Stromerzeugung ausmachte.
Trotz der vielen Vorteile haben Unfälle wie Tschernobyl und Fukushima Angst ausgelöst. Infolgedessen haben Italien und Deutschland alle ihre Kernkraftwerke dauerhaft stillgelegt.
Jedoch ist es angesichts der Notwendigkeit, saubere und nachhaltige Energie zu haben und Kernenergie eine emissionsfreie Energiequelle ist, wichtig, Wege zu finden, um die Wirtschaftlichkeit, Zuverlässigkeit und Sicherheit zu verbessern, um die Ängste der Menschen in Bezug auf diese Technologie zu verringern und ihre Akzeptanz zu erhöhen. Hier kommt Beton ins Spiel.
Die entscheidende Rolle von Beton in der Kernenergie
Eine Kernanlage verwendet einen Kernreaktor als primäre Wärmequelle und nutzt 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 Schutzhülle eingeschlossen ist.
Diese Reaktorgehäuse bestehen aus Beton, der auch für die Strukturellen Fundamente und primären biologischen Schilde für die Reaktoren verwendet wird. Daher ist es notwendig, eine Integritätsanalyse der Betonstrukturen durchzuführen, um die Kernanlagen langfristig zu betreiben.
In Kernkraftwerken muss Beton einer starken und langfristigen Belastung durch γ-Strahlung, Neutronenstrahlung und extrem hohe Temperaturen standhalten.
Dies ist etwas, das konventionelle Strukturen nicht erleben, was bedeutet, dass alle Bewertungen der Leistung von Stahlbetonkomponenten in allgemeinen zivilen Ingenieurbauwerken und Gebäuden hier nicht helfen können. Als solches benötigen wir spezifisches Wissen für die Kernenergieindustrie.
Darüber hinaus gibt es die große Herausforderung der Materialveränderungen, die zur Zerstörung von Betonstrukturen in Kernkraftwerken führen. Diese Alkali-Silika-Reaktionen, Expansion und verzögerte Ettringitbildung sind auf die Neutronenamorphisierung von gesteinsbildenden Mineralien in Aggregaten zurückzuführen.
Dies ist jedoch nichts Neues. Forscher haben bereits seit langem die Auswirkungen von Strahlung auf die Strukturelle Integrität von Beton untersucht. Neue Forschung hat jedoch die tiefere Details der Auswirkungen von Strahlung auf die Expansion von Beton aufgedeckt.
Fortgeschrittene Betonforschung für Kernkraftwerke
In einer im Science Direct veröffentlichten Studie von Forschern der Universität Tokio und anderen wurde die Details der Auswirkungen von Strahlung auf die Expansion von Beton aufgedeckt1. Sie können tatsächlich zeigen, welche Betoneigenschaften seine Strukturellen Attribute beeinflussen, wenn er verschiedenen Neutronenstrahlungsniveaus ausgesetzt ist.
Um die erhebliche Sorge um die Expansion von Betonaggregaten aufgrund von Strahlung zu adressieren, ist es wichtig, die Empfindlichkeit von gesteinsbildenden Mineralien, insbesondere von Quarz, gegenüber Neutronenstrahlung zu verstehen.
Dies ist, weil Quarz eines der häufigsten Minerale ist, die in fast allen Gesteinsarten vorkommen.
Aktuelle Studien zeigen auch, dass während Zementleime unter Neutronenbestrahlung schrumpfen und an Festigkeit gewinnen, gesteinsbildende Minerale expandieren, was zur Initiierung von Rissen innerhalb der Aggregate führt.
Dadurch kommt es zu Aggregatrissbildung, Betonexpansion und Abnahme der Festigkeit und des Young-Moduls, der die Fähigkeit eines Materials misst, Längenänderungen unter Druck zu widerstehen.
Die Forscher untersuchten daher die Auswirkungen von Neutronenbestrahlung auf verschiedene Arten von Quarz, einschließlich Sandstein, Metachert, Granodiorit und synthetischem Quarz. Die Bestrahlungstemperaturen lagen dabei zwischen 45 und 62 Grad Celsius.
Laut den Forschungsergebnissen können Quarzkristalle in Beton sich selbst heilen. Die strahlungsinduzierte Volumenexpansion wurde durch die Diffusion von Silizium (Si) oder Sauerstoff (O) innerhalb des Quarzkorns gemildert, was eine strahlungsinduzierte Relaxation erzeugte.
Dies könnte potenziell erlauben, dass einige Reaktoren länger als ursprünglich möglich laufen.
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Verbesserung der Kernsicherheit durch Beton
Ein Verbundmaterial ist Beton, das aus mehreren Verbindungen besteht, die je nach verschiedenen Faktoren wie lokaler Geographie variieren können. Das Gesteinsaggregat, eine wichtige Komponente in Beton, kann sich als sehr vielfältig erweisen, aber dennoch “wird Gestein oft Quarz enthalten”.
Quarz ist in Andesit, Granodiorit (GR), Sandstein (SS) und vielen anderen Gesteinen zu finden, was bedeutet, dass Neutronenbestrahlung die Quellung von Aggregaten und die anschließende Zerstörung von Beton in Schutzwänden sowie in Strukturen verursachen kann, die hohen Neutronenfluss ausgesetzt sind.
Dies bedeutet, dass es wichtig ist, die Veränderungen von Quarz unter verschiedenen Strahlungsbelastungen besser zu verstehen.
Durch die Untersuchung der beiden Eigenschaften von Neutronenstrahlung – der Gesamtdosis, die die Proben erhalten, und dem Fluss, der die Rate angibt, mit der die Dosis erhalten wird – fand das Team heraus, dass die Rate der Expansion in einem Quarzkristall mit der Dosisrate übereinstimmt; wenn die Rate höher war, war auch die Expansionsmenge höher und umgekehrt.
“Die Entdeckung des Fluseffekts zeigt nicht nur, dass Neutronenstrahlung die Kristallstruktur verformt, was zu Amorphisierung und Expansion führt, sondern auch, dass es ein Phänomen gibt, bei dem die verformten Kristalle sich erholen und die Expansion verringert, was bedeutet, dass eine geringere Rate mehr Zeit zur Heilung bietet.”
– Maruyama
Dieses Phänomen wurde auch als von der Größe der Mineralienkristalle in Beton abhängig erkannt. Größere Kristallkörner zeigten weniger Expansion, was auf einen größenabhängigen Effekt hindeutet.
Die Zerstörung von Beton aufgrund von Neutronen ist derzeit ein Anliegen, aber wie die Ergebnisse zeigen, kann dies weniger Expansion als zuvor angenommen zeigen. Daher kann die Zerstörung weniger schwerwiegend sein als erwartet, was “die Kernkraftwerke sicherer über längere Zeiträume betreiben lässt”, so Maruyama.
Mit dieser Forschung soll zur Auswahl von Materialien und zur Auslegung von Beton für zukünftige Kernkraftwerke beigetragen werden. Darüber hinaus kann sie wertvolle Einblicke in die Stabilität und Haltbarkeit von anorganischen Materialien liefern, die in Weltraumstrukturen für den extraterrestrischen Bau sowohl in der Umlaufbahn der Erde als auch darüber hinaus verwendet werden.
Im nächsten Schritt will das Team die Herausforderungen bei der Verständnis des Expansionsverhaltens verschiedener gesteinsbildender Minerale angehen.
Dies wird helfen, die Expansionsmechanismen weiter zu klären und die Fähigkeit zu entwickeln, die Expansion von Aggregaten auf der Grundlage ihrer Materialeigenschaften und Umgebungsbedingungen vorherzusagen.
Das Forschungsteam plant auch, in der Lage zu sein, die Art und Weise vorherzusagen, wie Risse auf der Grundlage der Mineralienexpansion entstehen.
Weiterentwicklung von Strahlenschutz-Beton
Angesichts der entscheidenden Rolle, die Beton bei der Abschirmung gegen schädliche ionisierende Strahlung spielt, in verschiedenen Anwendungen, einschließlich medizinischer Einrichtungen, Forschungslabors, Militär und Kernkraftwerke, wurde das Material Gegenstand vieler Forschungen.
Im letzten Quartal des letzten Jahres haben internationale Forscher eine tiefe Analyse von Strahlenschutz-Beton (RSC) durchgeführt, der als entscheidend für die Gewährleistung der Sicherheit und die Förderung der vorteilhaften Verwendung von Strahlung in verschiedenen Bereichen erkannt wurde.
Eine solche Studie2 veröffentlicht im November festgestellt, dass Strahlenschutz-Beton, der aus Zement, Wasser und schweren Aggregaten besteht, in der Lage ist, Schwerlasten, zufällige Lasten wie Erdbebenkräfte und tornadoerzeugte Projektilien während seiner gesamten Lebensdauer zu tragen.
Die hauptsächlich in RSC verwendeten Aggregatbestandteile umfassen Baryt, Hämatit, Magnetit und Colemanit. Die Einbindung dieser dichten natürlichen Aggregatbestandteile erhöht die Dichte des Materials und verbessert die Wirksamkeit von RSC in medizinischen und nuklearen Anwendungen.
Indem einige Eigenschaften von Stahlbeton verbessert werden, um Strahlung zu schwächen, ist RSC zu einer typischen Wahl für Strahlenschutz und -abschirmung geworden.
Eine weitere Studie3 veröffentlicht zu dieser Zeit untersuchte die Verbesserung der Effizienz von gewöhnlichem und Baryt-Beton im Strahlenschutz durch die Verwendung verschiedener Arten von Aggregaten.
Die Studien zeigen, dass dichterer Beton im Vergleich zu Varianten mit geringerer Dichte besseren Schutz bietet, was die wichtige Rolle der Materialdichte bei der Verbesserung der Strahlenschutzeffektivität unterstreicht.
Um eine hohe Dichte von RSC zu erreichen, ersetzten Forscher herkömmliche Betonaggregatbestandteile durch Quarz, schwere Minerale wie Zirkon und Flugasche sowie künstliche Aggregatbestandteile wie hydrierten Eisenstein, Eisenabfall, Zinn-Tailings, Bauxit, Galenit, Wismutoxid und recycelte Aggregatbestandteile.
Die Verwendung von hochdichtem Beton als Strahlenschutz kann die Dicke von RSC um fast 40 % im Vergleich zu herkömmlichem Beton reduzieren, während gleichzeitig die Tragfähigkeit erhalten bleibt.
Die Studien fordern weitere Forschungen zur Langzeitbeständigkeit von Beton unter kontinuierlicher Strahlungsexposition, einschließlich der Bewertung möglicher kumulativer Schäden über einen längeren Zeitraum, um bessere Einblicke in die Haltbarkeit des Materials zu erhalten.
Die Auswirkungen von Umweltfaktoren wie Temperatur, Feuchtigkeit und chemischer Exposition auf die Strahlenschutzeigenschaften von Beton müssen ebenfalls untersucht werden, um reale Bedingungen zu simulieren und ihre Auswirkungen auf die Wirksamkeit von Beton als Schutzmaterial zu verstehen.
Relevante Unternehmen
Lassen Sie uns nun einen Blick auf bekannte Namen im Beton- und Kernenergiebereich werfen:
1. Vulcan Materials Company (VMC )
Dieses Unternehmen ist der Hersteller von aggregatbasierten Baustoffen und ein wichtiger Lieferant von Transportbeton und Asphalt. Die Segmente von Vulcan Materials umfassen Aggregatbestandteile, Asphalt, Beton und Calcium, die Calciumprodukte für die Tierfutter- und Wasseraufbereitungsindustrie herstellen.
(VMC
)
Es hat eine Marktkapitalisierung von 35,8 Milliarden Dollar, wobei die VMC-Aktien bei 270,16 Dollar gehandelt werden, was einem Anstieg von 5,42 % seit Jahresbeginn entspricht. Das Unternehmen hat ein EPS (TTM) von 6,40, ein KGV (TTM) von 42,36 und eine Dividendenrendite von 0,68 %.
Im Quartal, das am 30. September 2024 endete, betrug der Umsatz des Unternehmens 2 Milliarden Dollar, was einem Rückgang von 8,3 % im Vergleich zum 3. Quartal 2023 entspricht. Der Nettogewinn betrug 208,9 Millionen Dollar, die Gewinnmarge lag bei 10 % und das EPS bei 1,58. Das Unternehmen hat 61 Millionen Dollar an seine Aktionäre in Form von Dividenden ausgeschüttet. Während dieses Zeitraums hat Vulcan Materials Wake Stone Corporation erworben, um seine Reichweite in wachstumsstarken Regionen in den Carolinas zu erweitern.
“Obwohl erhebliche Wetterstörungen die Baustätigkeit in den ersten neun Monaten des Jahres beeinträchtigt haben, untermauern die allgemeinen Nachfragegrundlagen weiterhin das langfristige Wachstum.”
– CEO Tom Hill
2. Constellation Energy (CEG )
Dieses Unternehmen konzentriert sich auf saubere Energie Lösungen durch seine Kern-, Wasser-, Wind- und Solarenergieanlagen, die eine Kapazität haben, um etwa 16 Millionen Haushalte mit Strom zu versorgen. Constellation Energy produziert etwa 10 % der kohlenstofffreien Energie in den USA.
(CEG
)
Es hat eine Marktkapitalisierung von 95,8 Milliarden Dollar, wobei die CEG-Aktien bei 307,83 Dollar gehandelt werden, was einem Anstieg von fast 37 % seit Jahresbeginn entspricht. Das Unternehmen hat ein EPS (TTM) von 9,06, ein KGV (TTM) von 33,81 und eine Dividendenrendite von 0,46 %.
Im 3. Quartal 2024 erzielte das Unternehmen einen Gewinn von 1,2 Milliarden Dollar, was einem Anstieg von 731 Millionen Dollar im 3. Quartal 2023 entspricht. Der Umsatz stieg um 7,2 % auf 6,55 Milliarden Dollar. Der GAAP-Nettogewinn für das Quartal betrug 3,82 Dollar pro Aktie und der bereinigte Betriebsgewinn betrug 2,74 Dollar pro Aktie.
Das Unternehmen schloss außerdem eine 20-jährige Stromabnahmevereinbarung mit Microsoft, um sein Crane Clean Energy Center zu unterstützen.
Fazit
Kernenergie ist eine leistungsstarke und saubere Energiequelle, die hohe Zuverlässigkeit und einen kleinen Fußabdruck bietet. Aber schwere Unfälle in Kernkraftwerken haben Angst bei den Menschen ausgelöst. Ein entscheidender Aspekt der Sicherheit und Langlebigkeit von Kernkraftwerken liegt in den Materialien, die in ihrem Bau verwendet werden, also Beton, der im gesamten Gebäude verwendet wird.
Beton ist ein relativ preisgünstiges, robustes und langlebiges Material, das leicht in verschiedene Strukturen gegossen werden kann und über gute Strahlenschutzeigenschaften verfügt, was es zu einer beliebten Wahl für Strahlenschutzanwendungen macht.
Während Studien die Auswirkungen von Strahlung auf die Strukturelle Integrität von Beton untersucht haben, bestätigt die neueste Forschung die Strahlungseffekte und gibt noch mehr Klarheit über die Schutzeigenschaften dieses Materials.
Mit Erkenntnissen wie diesen kann die Forschung dazu beitragen, widerstandsfähigere Strukturen zu entwickeln, um die Sicherheit bestehender Reaktoren zu verbessern und neue Kernkraftwerke zu bauen, um so eine lebenswerte und sichere Zukunft zu gestalten.
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Studienreferenz:
1. Maruyama, I., Murakami, K., Ohkubo, T., Sawada, S., Kontani, O., Igari, T., Kawai, M., & Etoh, J. (2025). Neutronenfluseffekt auf die Rate der Expansion 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). Strahlenschutz-Beton: Eine Übersicht über Materialien, Leistung und die Auswirkungen von Strahlung auf die Eigenschaften von Beton. 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 Schutzeffizienz von herkömmlichem und Baryt-Beton bei Strahlenschutzanwendungen durch die Verwendung verschiedener Arten von Aggregaten. Sci Rep 14, 26029 (2024). https://doi.org/10.1038/s41598-024-76402-0
