Los reactores modernos podrían beneficiarse de nuevos conocimientos sobre el hormigón

El material más esencial en la construcción es el hormigón. Es duradero, versátil y fuerte. No solo el hormigón puede mantenerse estable durante muchos años, moldearse en diferentes formas y tamaños, y resistir condiciones climáticas adversas sino que también puede soportar vibraciones y golpes, es incombustible, económico y ayuda a mantener una temperatura cómoda dentro de los edificios.

Todas estas increíbles propiedades del hormigón lo convierten en un material de construcción valioso que se utiliza para construir todo tipo de estructuras diferentes, incluidas carreteras, puentes, presas, túneles, cimientos, pilares, muros, losas, entradas de vehículos y patios.

Dada la importancia del hormigón en la construcción de infraestructuras, se proyecta que el tamaño del mercado del hormigón supere los $972 billion para finales de esta década.

La rápida urbanización e industrialización, junto con un aumento en los gastos gubernamentales para el desarrollo y la reconstrucción de infraestructuras están impulsando este crecimiento. Un aumento en la adopción de materiales ecológicos para la construcción y el alto costo inicial de instalación de plantas, sin embargo, actúan como restricción para este mercado.

En cuanto al tipo de hormigón, el segmento de hormigón premezclado domina el mercado. Esta mezcla, después de todo, es rentable y se fabrica en lotes en una planta central en lugar de mezclarse en el sitio de obra. Mientras tanto, el segmento de hormigón reforzado lidera el mercado en términos de aplicación.

Hormigón para ayudar a lograr la descarbonización

Ahora, este material de construcción esencial y popular también está desempeñando un papel en ayudarnos a lograr la descarbonización mediante plantas de energía nuclear. Esta mezcla artificial de cemento, agua y agregados como la arena, sirve de hecho como el material de construcción principal para el confinamiento y blindaje de los reactores.

El hormigón es un material asequible que ofrece protección contra rayos gamma y neutrones. Su contenido de agua y alta densidad son lo que lo hacen tan ampliamente usado para el blindaje de radiación.

Pero aunque los ingenieros han desarrollado fórmulas para decidir el espesor óptimo del blindaje para propósitos de radioprotección, no tienen en cuenta los efectos del daño por radiación. Y la permanencia a largo plazo del hormigón es crítica para operar estas plantas de energía nuclear de forma segura.

El proceso de daño por radiación es simplemente no se comprende bien todavía. Por lo tanto, es crucial que solucionemos este problema si queremos aprovechar la energía nuclear, que puede ayudarnos a lograr un mundo neutro en carbono. 

La energía nuclear es una fuente de energía baja en carbono que puede ayudar a combatir el cambio climático. Nos proporciona una fuente confiable de electricidad independientemente del clima, algo con lo que las fuentes de energía renovable como la eólica y la solar tienen dificultades. La energía nuclear incluso se considera más segura que la solar y la eólica. 

Además, el combustible nuclear tiene una alta densidad energética y una pequeña huella territorial, al mismo tiempo que protege la calidad del aire al no generar emisiones nocivas.

La energía nuclear es una parte clave de la generación total de energía a nivel mundial, contribuyendo con alrededor del 12 % de la electricidad del planeta. En Europa, el 30 % de la demanda eléctrica se satisface con energía nuclear, mientras que los combustibles fósiles representan el 40 % y el resto del reparto está compuesto por renovables.

Mientras tanto, EE. UU. es el mayor productor de energía nuclear del mundo, con una participación del 30 % de la electricidad nuclear global producida. En 2022, los reactores nucleares del país generaron 772 TWh, el 18 % de la producción eléctrica total.

A pesar de muchos beneficios, accidentes como Chernóbil y Fukushima han generado temor. Como resultado de eso, Italia y Alemania han cerrado permanentemente todas sus plantas nucleares.

Sin embargo, dado que se necesita energía limpia y sostenible y la nuclear es una fuente de energía limpia sin emisiones, es importante encontrar formas de mejorar la rentabilidad, fiabilidad y seguridad que reduzcan los temores de la gente respecto a esta tecnología y mejoren su aceptación. Esto es donde el hormigón entra en escena.

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El papel crucial del hormigón en la energía nuclear

Una instalación nuclear utiliza un reactor nuclear como su fuente principal de calor y emplea ese calor para generar vapor, que impulsa una turbina de vapor conectada a un generador. Debido a la inherente radiactividad de la fisión nuclear, es fundamental que el núcleo del reactor esté encapsulado en una cubierta protectora. Esto mitiga eficazmente la dispersión de radiación y evita la liberación de sustancias radiactivas al medio ambiente.

Estos confinamientos de reactores están hechos de hormigón, que también se usa para cimientos estructurales y escudos biológicos primarios de los reactores. Por lo tanto, para operar instalaciones nucleares a largo plazo, es necesario que realicemos el análisis de integridad de las estructuras de hormigón. Después de todo, en las plantas de energía nuclear, el hormigón debe soportar una exposición severa y prolongada a irradiación γ, radiación de neutrones y temperaturas extremadamente altas.

Esto es algo que las estructuras convencionales no experimentan, lo que significa que la evaluación del rendimiento de los componentes de hormigón reforzado en estructuras civiles generales y edificios realmente no ayuda aquí. Por lo tanto, necesitamos conocimientos específicos para la industria nuclear.

Además, existe un gran desafío de alteraciones materiales que conducen a la degradación de estructuras de hormigón en plantas nucleares. Estas reacciones de álcalis-sílice, expansión y formación tardía de etringita se deben a la amorfización por neutrones de los minerales formadores de rocas en los agregados. Así que esa es otra razón para evaluar específicamente el hormigón en plantas nucleares.

Sin embargo, esto no es nada nuevo. Los investigadores han estado investigando el impacto de la radiación en la integridad estructural del hormigón durante mucho tiempo. Pero investigaciones recientes han descubierto detalles más profundos del efecto de la radiación sobre la expansión del hormigón.

Investigación avanzada del hormigón centrada en plantas nucleares

Publicado en Science Direct, el estudio de investigadores de la Universidad de Tokio, entre otros, ha revelado detalles del efecto de la radiación en la expansión del hormigón¹. En realidad pueden demostrar qué propiedades del hormigón afectan sus atributos estructurales cuando se expone a diferentes niveles de radiación de neutrones. 

Para abordar la preocupación significativa de la expansión de agregados de hormigón causada por la radiación, comprender la sensibilidad de los minerales formadores de rocas, el cuarzo en particular, a la radiación de neutrones es muy importante.

Esto se debe a que el cuarzo es uno de los minerales más comunes que se encuentran en casi todos los tipos de roca. Además, experimentos en reactores de investigación han demostrado que el cuarzo puede expandirse hasta un 18 % en volumen. 

Estudios recientes también muestran que mientras las pastas de cemento se contraen y ganan resistencia bajo irradiación de neutrones, los minerales formadores de rocas se expanden, lo que lleva a la iniciación de grietas dentro de los agregados. Esto conduce a la fractura de los agregados, expansión del hormigón y disminución de la robustez y del módulo de Young, que mide la capacidad de un material para resistir cambios de longitud bajo compresión.

Así que los investigadores continuaron investigando los efectos de la irradiación de neutrones en diferentes tipos de cuarzo, incluidos arenisca, metacuarzo, granodiorita y cuarzo sintético. Las temperaturas de irradiación aquí oscilaron entre 45 y 62 °C.

Según los hallazgos de la investigación, los cristales de cuarzo en el hormigón, en particular, pueden autorrepararse. La expansión de volumen inducida por radiación se mitigó mediante la difusión de silicio (Si) u oxígeno (O) dentro del grano de cuarzo, creando una relajación inducida por radiación. Esto podría potencialmente permitir que algunos reactores funcionen durante más tiempo del que se pensaba posible inicialmente.

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Mejorando la seguridad nuclear con hormigón

Un material compuesto, el hormigón está formado por múltiples compuestos, que pueden variar según diversos factores como la geografía local. El agregado rocoso, un componente principal del hormigón, específicamente puede resultar muy diverso pero, aun así, “la roca a menudo contiene cuarzo”.

El cuarzo se encuentra en andesita, granodiorita (GR), arenisca (SS) y varias otras rocas, lo que significa que la irradiación de neutrones puede causar hinchamiento del agregado y degradación sucesiva del hormigón en paredes de blindaje así como en estructuras que están expuestas a un alto flujo de neutrones.

Esto significa que es importante comprender mejor cómo cambia el cuarzo bajo diferentes cargas de radiación. Al hacerlo, el profesor Ippei Maruyama del Departamento de Arquitectura señaló que:

“[Él] puede ayudarnos a predecir cómo debería comportarse también el hormigón en general.”

Sin embargo, estudiar la degradación inducida por radiación de neutrones no es fácil ni barato. Es realmente un área de estudio costosa, lo que dificulta la investigación extensiva. El equipo de investigación ha trabajado en esto durante los últimos diecisiete años, creando estrategias que culminaron en experimentos recientes en los que los investigadores utilizan difracción de rayos X para explorar cristales de cuarzo irradiados.

Una de las cosas que el equipo analizó son las dos propiedades de la radiación de neutrones: la dosis total que reciben las muestras y el flujo, que es la tasa a la que se recibe la dosis. 

El equipo descubrió que la tasa de expansión en un cristal de cuarzo está alineada con la tasa de dosis; si la tasa era mayor, la cantidad de expansión también era mucho mayor, y viceversa.

“El descubrimiento del efecto de flujo indica no solo que la radiación de neutrones distorsiona la estructura cristalina, provocando amorfización y expansión, sino que también existe un fenómeno en el que los cristales distorsionados se recuperan y la expansión disminuye, por lo que una tasa más baja brinda más tiempo para sanar.”

– Maruyama

Este fenómeno también se encontró dependiente del tamaño de los cristales minerales dentro del hormigón. Los granos cristalinos más grandes mostraron menos expansión, lo que sugiere un efecto dependiente del tamaño.

La degradación del hormigón debido a neutrones es actualmente una causa de preocupación pero, según los hallazgos, esto puede presentar menos expansión de lo que se creía anteriormente. Como resultado, la degradación podría ser menos severa de lo anticipado, por lo que “permitiendo que las plantas nucleares operen de manera más segura durante períodos más largos,” afirmó Maruyama.

Con esta investigación, la idea es contribuir a la selección de materiales y al diseño del hormigón para futuras plantas nucleares. Además, puede proporcionar valiosos conocimientos sobre la estabilidad y durabilidad de materiales inorgánicos utilizados en estructuras basadas en el espacio para construcciones extraterrestres tanto en órbita terrestre como más allá.

En el siguiente paso, el equipo pretende abordar los desafíos en la comprensión del comportamiento de expansión de diferentes minerales formadores de rocas. Esto ayudará a aclarar aún más los mecanismos de expansión y a desarrollar la capacidad de predecir la expansión de los agregados basándose en sus propiedades materiales y condiciones ambientales.

El equipo de investigación también planea poder predecir la forma en que se forman las grietas basándose en la expansión mineral. 

Avanzando el hormigón de blindaje contra radiación

Dado el papel vital que el hormigón desempeña en la protección contra la radiación ionizante dañina en diversas aplicaciones, incluidas instalaciones médicas, laboratorios de investigación, militares y plantas nucleares, el material ha sido sujeto a una gran cantidad de investigación.

En el último trimestre del año pasado, investigadores internacionales profundizaron en el hormigón de blindaje contra radiación (RSC), que ha demostrado ser esencial para garantizar la seguridad y apoyar el uso beneficioso de la radiación en varios campos.

Una investigación² publicada en noviembre señaló que el hormigón de blindaje contra radiación, compuesto de cemento, agua y agregados de gran peso, tiene la capacidad de soportar cargas gravitacionales, cargas incidentales como fuerzas sísmicas y proyectiles generados por tornados a lo largo de su vida útil.

Los agregados utilizados principalmente en el RSC incluyen barita, hematita, magnetita y colemanita. Incorporar agregados naturales densos aumenta la densidad del material y mejora la efectividad del RSC tanto en aplicaciones médicas como nucleares. 

Al mejorar algunas propiedades del hormigón reforzado para atenuar la radiación, el RSC se ha convertido en una opción típica para el blindaje y la protección contra radiación.

Otro estudio³ publicado alrededor de esa época analizó la mejora de la eficiencia del hormigón común y de barita en el blindaje de radiación utilizando diferentes tipos de agregados.

Los hallazgos del estudio, que indican que el hormigón más denso ofrece mejor protección en comparación con variantes de menor densidad, subrayan el papel clave de la densidad del material en la mejora de la efectividad del blindaje contra radiación. Aquí, el hormigón de barita mostró mayores propiedades de blindaje debido a su mayor coeficiente de atenuación lineal, que mide cuán fácilmente un material absorbe o dispersa un haz de energía.

Para lograr una alta densidad del RSC, los investigadores reemplazaron los agregados de hormigón ordinario con cuarzo, minerales pesados como circonio y ceniza volante, y agregados artificiales como mineral de hierro hidratado, desechos de hierro, relaves de estaño, bauxita, galena, óxido de bismuto y agregados reciclados.

El uso de hormigón de alta densidad como blindaje contra radiación puede reducir el espesor del RSC en casi un 40 % en comparación con el hormigón ordinario, manteniendo aún la capacidad de carga.

Los estudios solicitan más investigación sobre la durabilidad a largo plazo del hormigón bajo exposición continua a radiación, incluida la evaluación de posibles daños acumulativos durante períodos prolongados para obtener una mejor comprensión de cómo se comportan los materiales con el tiempo. 

Los efectos de factores ambientales como la temperatura, la humedad y la exposición química sobre las propiedades de blindaje contra radiación del hormigón también deben investigarse para simular condiciones del mundo real y comprender su impacto en la efectividad del hormigón como material de blindaje.

Empresas relevantes 

Ahora, echemos un vistazo a nombres prominentes en el espacio del hormigón y la energía nuclear: 

1. Vulcan Materials Company

Esta es la productora de materiales de construcción basados en agregados y un importante proveedor de hormigón premezclado y asfalto. Los segmentos de Vulcan Materials incluyen agregados, asfalto, hormigón y calcio, que producen productos de calcio para la industria de alimentos para animales y tratamiento de agua.

Tiene una capitalización de mercado de $35.8 mil millones con acciones VMC cotizando a $270.16, un 5.42 % de aumento en lo que va del año. El EPS (TTM) de la compañía es 6.40, su ratio P/E (TTM) es 42.36 y su rendimiento de dividendo es 0.68 %.

Para el trimestre que finalizó el 30 de septiembre de 2024, los ingresos de la compañía fueron de $2 mil millones, lo que representó una caída del 8.3 % respecto al 3T23. El ingreso neto fue de $208.9 millones mientras que el margen de beneficio fue del 10 % y el EPS fue de $1.58. La compañía entregó $61 millones a sus accionistas mediante dividendos. Durante este período, Vulcan Materials adquirió Wake Stone Corporation para expandir su alcance en geografías de alto crecimiento en las Carolinas. 

“Aunque interrupciones climáticas significativas han afectado la actividad de construcción durante los primeros nueve meses del año, los fundamentos de la demanda continúan sustentando el crecimiento a largo plazo.”

– CEO Tom Hill

2. Constellation Energy   

Esta se centra en soluciones de energía limpia a través de sus instalaciones de generación nuclear, hidroeléctrica, eólica y solar, que tienen la capacidad de abastecer a aproximadamente 16 millones de hogares. Constellation Energy (CEG ) produce alrededor del 10 % de la energía libre de carbono en EE. UU.

Tiene una capitalización de mercado de $95.8 mil millones con acciones CEG cotizando a $307.83, un aumento de casi el 37 % en lo que va del año. El EPS (TTM) de la compañía es 9.06, su ratio P/E (TTM) es 33.81 y el rendimiento de dividendo es 0.46 %.

En el tercer trimestre de 2024, la compañía registró ganancias de $1.2 mil millones, frente a $731 millones en el 3T23. Los ingresos también aumentaron un 7.2 % a $6.55 mil millones. Su ingreso neto GAAP por acción fue de $3.82 y las ganancias operativas ajustadas fueron de $2.74 por acción. Notablemente, Constellation Energy firmó un contrato de compra de energía de 20 años con Microsoft (MSFT ) para apoyar su Crane Clean Energy Center.

La flota nuclear de la compañía produjo 45,510 GWh durante este trimestre — un aumento respecto a 44,125 GWh interanual. Con ello, alcanzó un factor de capacidad del 95 %, que descendió del 97.2 % interanual. Los días de parada programada para recarga de combustible aumentaron a 37 y los días de parada no programada se duplicaron a 20.

Conclusión 

La energía nuclear es una fuente de energía poderosa y limpia que ofrece alta fiabilidad y una pequeña huella territorial. Pero los graves accidentes en plantas nucleares han generado temor entre la población. Un aspecto crítico de la seguridad y longevidad de las centrales nucleares radica en los materiales utilizados en su construcción, que es el hormigón empleado en todo el edificio.

El hormigón es un material relativamente barato, robusto y duradero que puede moldearse fácilmente en diversas estructuras y cuenta con buenas propiedades de blindaje contra la radiación, lo que lo convierte en una opción popular para aplicaciones de blindaje radiológico. 

Aunque los estudios han explorado el impacto de la radiación en la integridad estructural del hormigón, la investigación más reciente verifica los efectos de la radiación y brinda una mayor claridad sobre la capacidad de protección de este material.

Por ejemplo, la observación de una clara dependencia del flujo, con un mayor flujo de neutrones que resulta en una mayor tasa de expansión, y la dependencia del tamaño de grano, particularmente en el rango de mayor fluencia de neutrones, implica la existencia de un mecanismo de curación subyacente a la expansión de volumen inducida por radiación. 

Con conocimientos como estos, la investigación puede ayudar a desarrollar estructuras más resilientes para mejorar la seguridad de los reactores existentes, así como construir plantas nucleares de próxima generación, moldeando a su vez un futuro viable y seguro.

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Referencia del estudio:

^{1. Maruyama, I., Murakami, K., Ohkubo, T., Sawada, S., Kontani, O., Igari, T., Kawai, M., & Etoh, J. (2025). Impacto del flujo de neutrones en la tasa de expansión del cuarzo. Journal of Nuclear Materials. Disponible en línea 13 de enero de 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). Hormigón de blindaje contra radiación: una revisión de materiales, rendimiento y el impacto de la radiación en las propiedades del hormigón. 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. Mejorando la eficiencia de blindaje del hormigón ordinario y de barita en utilizaciones de blindaje de radiación. Sci Rep 14, 26029 (2024). https://doi.org/10.1038/s41598-024-76402-0