Modernit reaktorit voisivat hyötyä uusista näkemyksistä betonista

Rakentamisen tärkein materiaali on betoni. Se on kestävä, monipuolinen ja vahva. Betoni voi pysyä vakaana monien vuosien ajan, sitä voidaan muotoilla eri muotoihin ja kokoihin, ja se kestää ankaria sääolosuhteita mutta se kestää myös tärinää ja iskuja, on palamatonta, edullista ja auttaa ylläpitämään mukavaa lämpötilaa rakennusten sisällä.

Kaikki nämä betonin upeat ominaisuudet tekevät siitä arvokkaan rakennusmateriaalin, jota käytetään erilaisten rakenteiden, kuten teiden, siltojen, patojen, tunnelien, perustusten, pylväiden, seinien, laattojen, ajoteiden ja patioiden, rakentamiseen.

Ottaen huomioon betonin merkityksen infrastruktuurin rakentamisessa, betonimarkkinoiden kokoennusteen odotetaan ylittävän $972 billion tämän vuosikymmenen loppuun mennessä.

Vauhti urbanisaatio ja teollistuminen sekä hallituksen kasvavat menot kehitykseen ja infrastruktuurin jälleenrakentamiseen ohjaavat tätä kasvua. Ympäristöystävällisten rakennusmateriaalien käyttöönoton lisääntyminen sekä laitosten korkea alkukustannus toimivat kuitenkin rajoitteena tälle markkinalle.

Kun tarkastellaan betonityyppejä, valmiin betonin segmentti hallitsee markkinoita. Tämä seos on kustannustehokas ja valmistetaan erissä keskitetystä tehtaasta sen sijaan, että se sekoitettaisiin työmaalla. Samaan aikaan vahvistetun betonin segmentti johtaa markkinoita sovellusten osalta.

Betoni auttamaan hiilineutraaliuden saavuttamisessa

Nyt tämä tärkeä ja suosittu rakennusmateriaali toimii myös roolissa auttaen meitä saavuttamaan hiilineutraaliuden ydinvoimaloiden kautta. Tämä ihmisen valmistama seos, joka koostuu sementistä, vedestä ja kuten hiekasta, aggregaateista, toimii itse asiassa reaktorin säiliön ja suojauksen ensisijaisena rakennusmateriaalina.

Betoni on edullinen materiaali, joka tarjoaa suojan gammasäteitä ja neutroneita vastaan. Sen vesipitoisuus ja korkea tiheys ovat ne tekijät, jotka tekevät siitä laajasti käytetyn säteilysuojauksessa.

Mutta vaikka insinöörit ovat kehittäneet kaavoja optimaalisen suojauksen paksuuden määrittämiseksi säteilysuojauksen tarkoituksiin, he eivät ota huomioon säteilyn aiheuttaman vaurion vaikutuksia. Ja betonin pitkäaikainen kestävyys on kriittinen näiden ydinvoimaloiden turvalliselle toiminnalle.

Säteilyn vaurioprosessia ei yksinkertaisesti vielä ymmärretä hyvin. Siksi on ratkaisevan tärkeää korjata tämä ongelma, jos haluamme hyödyntää ydinvoimaa, joka voi auttaa meitä saavuttamaan hiilineutraalin maailman.

Ydinvoima on vähähiilinen energialähde, joka voi auttaa torjumaan ilmastonmuutosta. Se tarjoaa meille luotettavan sähkönlähteen riippumatta sääolosuhteista, mikä on haaste uusiutuville energialähteille kuten tuuli- ja aurinkoenergiaa. Ydinvoimaa pidetään jopa turvallisempana kuin aurinko- ja tuulivoimaa.

Lisäksi ydinpolttoaineella on korkea energiateho ja pieni maankäyttö, samalla suojaten ilmanlaatua, koska haitallisia päästöjä ei ole.

Ydinvoima on keskeinen osa maailmanlaajuista energian tuotantoa, osaltaan noin 12 % maailman sähköstä. Euroopassa 30 % sen sähköenergiatarpeesta katetaan ydinvoimalla, fossiilit kattavat 40 % ja loput uusiutuvat energialähteet.

Samaan aikaan Yhdysvallat on maailman suurin ydinvoiman tuottaja, jonka osuus maailmanlaajuisesta ydinvoiman tuotannosta on 30 %. Vuonna 2022 maan ydinreaktorit tuottivat 772 TWh, mikä on 18 % kokonaisenergiantuotannosta.

Huolimatta monista eduista onnettomuudet kuten Tšernoblin ja Fukushiman on aiheuttaneet pelkoa. Tämän seurauksena Italia ja Saksa ovat pysyvästi sulkeneet kaikki ydinvoimalansa.

Kuitenkin, kun puhutaan puhtaasta ja kestävästä energiasta ja ydinvoima on nollapäästöinen puhdas energialähde, on tärkeää löytää keinoja parantaa kustannustehokkuutta, luotettavuutta ja turvallisuutta, mikä vähentää ihmisten pelkoa tätä teknologiaa kohtaan ja parantaa sen hyväksyntää. Tässä betoni astuu kuvaan.

Klikkaa tästä oppiaksesi, mikä tekee betonista kriittisen materiaalin ja miten voimme voittaa sen puutteet.

Betonin keskeinen rooli ydinenergiassa

Ydinlaitos käyttää ydinreaktoria ensisijaisena lämmönlähteenä ja hyödyntää tätä lämpöä höyryn tuottamiseen, joka pyörittää generaattoria ohjaavaa höyryturbiinia. Ydinfuusion sisäisen radioaktiivisuuden vuoksi on kriittistä, että reaktorin ydin on suojattu turvakuorella. Tämä vähentää tehokkaasti säteilyn leviämistä ja estää radioaktiivisten aineiden vapautumisen ympäristöön.

Nämä reaktorin säiliöt on valmistettu betonista, jota käytetään myös rakenteiden perustuksissa ja reaktorien ensisijaisissa biologisissa suojissa. Jotta ydinlaitoksia voitaisiin käyttää pitkällä aikavälillä, on välttämätöntä suorittaa betonirakenteiden eheyden analyysi. Loppujen lopuksi ydinvoimaloissa betonia altistetaan vakaville ja pitkäaikaisille γ-säteilyn, neutronisäteilyn ja äärimmäisen korkeiden lämpötilojen vaikutuksille.

Tämä on jotain, mitä perinteiset rakenteet eivät kohtaa, mikä tarkoittaa, että yleisen siviilirakentamisen rakenteiden ja rakennusten vahvistettujen betonikomponenttien suorituskyvyn arviointi ei todellakaan auta tässä. Siksi tarvitsemme erityistietoa ydinvoimateollisuudesta.

Lisäksi on suuri haaste materiaalimuutoksissa, jotka johtavat betonirakenteiden heikkenemiseen ydinvoimaloissa. Nämä alkalisilikaatio-reaktiot, laajeneminen ja viivästynyt etriittimuodostus johtuvat neutronien aiheuttamasta kiven muodostavien mineraalien amorfisoinnista aggregaateissa. Tämä on siis vielä yksi syy arvioida betonia erityisesti ydinvoimaloissa.

Tämä ei kuitenkaan ole mitään uutta. Tutkijat ovat pitkään tarkastelleet säteilyn vaikutuksia betonin rakenteelliseen eheyteen. Mutta uudet tutkimukset ovat paljastaneet syvällisemmät yksityiskohdat säteilyn vaikutuksesta betonin laajenemiseen.

Edistynyt betonitutkimus ydinvoimaloihin keskittyen

Science Directissä julkaistu tutkimus, jonka tekijöinä ovat muun muassa Tokion yliopiston tutkijat, on paljastanut säteilyn vaikutuksen betonin laajenemiseen. He voivat todellakin osoittaa, mitkä betonin ominaisuudet vaikuttavat sen rakenteellisiin piirteisiin eri neutronisäteilyn tasoissa.¹

Jotta merkittävää betonin aggregaattien säteilyn aiheuttamaa laajenemista voitaisiin käsitellä, on erittäin tärkeää ymmärtää kiven muodostavien mineraalien, erityisesti kvartsin, herkkyys neutronisäteilylle.

Tämä johtuu siitä, että kvartsi on yksi yleisimmistä mineraaleista, jota löytyy lähes kaikista kivilajeista. Lisäksi tutkimusreaktoreissa tehdyt kokeet ovat osoittaneet, että kvartsi voi laajentua jopa 18 % tilavuudessa.

Viimeaikaiset tutkimukset osoittavat myös, että sementtimassat kutistuvat ja vahvistuvat neutronisäteilyn alaisina, kun taas kiven muodostavat mineraalit laajenevat, mikä johtaa halkeamien syntymiseen aggregaateissa. Tämä aiheuttaa aggregaattien halkeilua, betonin laajenemista sekä kestävyyden ja Youngin modulin heikkenemistä, mikä mittaa materiaalin kykyä kestää pituuden muutoksia puristuksessa.

Joten tutkijat jatkoivat neutronisäteilyn vaikutusten tutkimista erilaisiin kvartsityyppeihin, mukaan lukien hiekkakivi, metakivikko, granodioriitti ja synteettinen kvartsi. Säteilyn lämpötilat vaihtelivat 45–62 celsiusasteen välillä.

Tutkimustulosten mukaan betoniin sisältyvät kvartsikiteet voivat erityisesti parantua itse. Säteilyyn aiheutunut tilavuuslaajeneminen lievennettiin piin (Si) tai hapen (O) diffuusiolla kvartsinjyvän sisällä, mikä loi säteilyyn aiheutuneen rentoutumisen. Tämä voisi mahdollisesti mahdollistaa joidenkin reaktorien toiminnan pidempään kuin alun perin ajateltu.

Klikkaa tästä oppiaksesi, voiko 3D-tulostettu betoni auttaa ympäristön pelastamisessa.

Ydin turvallisuuden parantaminen betonilla

Komposiittimateriaalina betoni koostuu useista yhdisteistä, jotka voivat vaihdella paikallisten tekijöiden, kuten maantieteen, mukaan. Kivijauhe, betonin tärkeä komponentti, voi olla hyvin monimuotoinen, mutta silti “kivi sisältää usein kvartsia”.

Kvartsi löytyy andesiitista, granodioriitista (GR), hiekkakivestä (SS) ja useista muista kivistä, mikä tarkoittaa, että neutronisäteily voi aiheuttaa aggregaattien turpoamista ja peräkkäistä betonin heikkenemistä suojaseinissä sekä rakenteissa, jotka altistuvat korkealle neutronivirralle.

Tämä tarkoittaa, että on tärkeää saada parempi ymmärrys siitä, miten kvartsi muuttuu eri säteilykuormituksissa. Tämän yhteydessä arkkitehtuurin laitoksen professori Ippei Maruyama totesi:

“[Se] voi auttaa meitä ennustamaan, miten betonia tulisi yleisesti käyttäytyä.”

Kuitenkin neutronisäteilyn aiheuttaman heikkenemisen tutkiminen ei ole helppoa eikä halpaa. Se on itse asiassa kalliita tutkimusalueita, mikä vaikeuttaa laajaa tutkimusta. Tutkimusryhmä on työskennellyt tämän parissa viimeiset seitsemäntoista vuotta, luoden strategioita, jotka ovat johtaneet viimeaikaisiin kokeisiin, joissa tutkijat hyödyntävät röntgendiffraktiota tutkiakseen säteiltyjä kvartsikiteitä.

Yksi tiimin tarkastelemista asioista on neutronisäteilyn kaksi ominaisuutta — kokonaisannos, jonka näytteet saavat, ja fluxi, joka on annoksen vastaanottamisen nopeus.

Tiimi havaitsi, että kvartsikiteen laajenemisen nopeus vastaa annosnopeutta; jos nopeus oli korkeampi, laajenemismääräkin oli huomattavasti suurempi, ja päinvastoin.

“Fluxivaikutuksen löytäminen osoittaa, että neutronisäteily ei ainoastaan vääristä kiteistä rakennetta, aiheuttaen amorfisoinnin ja laajenemisen, vaan että on myös ilmiö, jossa vääristyneet kiteet palautuvat ja laajeneminen vähenee, joten alhaisempi nopeus antaa enemmän aikaa parantua.”

– Maruyama

Tämä ilmiö osoittautui myös riippuvaiseksi betonin mineraalikiteiden koosta. Suuremmat kiteiden jyvät laajenivat vähemmän, mikä viittaa kokoon riippuvaiseen vaikutukseen.

Betonin heikkeneminen neutronien vuoksi on tällä hetkellä huolenaihe, mutta tulokset osoittavat, että laajenemista voi olla vähemmän kuin aiemmin uskottiin. Tämän seurauksena heikkeneminen voi olla vähemmän vakavaa kuin odotettiin, jolloin “y dinvoimalat voivat toimia turvallisemmin pidempään”, Maruyama totesi.

Tämän tutkimuksen tavoitteena on edistää materiaalien valintaa ja betonin suunnittelua tuleviin ydinvoimaloihin. Lisäksi se voi tarjota arvokkaita näkemyksiä epäorgaanisten materiaalien vakaudesta ja kestävyydestä avaruusrakenteissa, joita käytetään maapallon kiertoradalla ja sen ulkopuolella tapahtuvaan avaruusrakentamiseen.

Seuraavassa vaiheessa tiimi pyrkii ratkaisemaan haasteita eri kiven muodostavien mineraalien laajenemiskäyttäytymisen ymmärtämisessä. Tämä auttaa tarkentamaan laajenemismekanismeja ja kehittämään kykyä ennustaa aggregaattien laajenemista niiden materiaalien ominaisuuksien ja ympäristöolosuhteiden perusteella.

Tutkimusryhmä aikoo myös pystyä ennustamaan halkeamien muodostumisen mineralien laajenemisen perusteella.

Röntgensäteilysuojauksen betonin edistäminen

Ottaen huomioon betonin keskeinen rooli suojata haitalliselta ionisoivalta säteilyltä eri sovelluksissa, kuten lääketieteellisissä laitoksissa, tutkimuslaboratorioissa, sotilasympäristöissä ja ydinvoimaloissa, materiaalia on tutkittu laajasti.

Viime vuoden viimeisellä neljänneksellä kansainväliset tutkijat syventyivät röntgensäteilysuojauksen betoniin (RSC), jonka on todettu olevan olennaista turvallisuuden varmistamisessa ja säteilyn hyödyllisen käytön tukemisessa eri aloilla.

Yksi tällainen marraskuussa julkaistu tutkimus totesi, että röntgensäteilysuojauksen betoni, joka koostuu sementistä, vedestä ja raskaista aggregaateista, kykenee kantamaan painovoiman kuormia, satunnaisia kuormia kuten maanjäristysvoimia ja tornadojen aiheuttamia projektileja koko elinkaarensa ajan.

RSC:ssä käytetyt aggregaatit sisältävät pääasiassa barittia, hematiteja, magnetiittia ja kolemanittia. Tiheiden luonnollisten aggregaattien sisällyttäminen lisää materiaalin tiheyttä ja parantaa RSC:n tehokkuutta sekä lääketieteellisissä että ydin sovelluksissa.

Parantamalla joitakin vahvistetun betonin ominaisuuksia säteilyn heikentämiseksi RSC on tullut tyypilliseksi valinnaksi säteilysuojaukseen ja -suojeluun.

Toinen tuolloin julkaistu tutkimus tarkasteli tavallisen ja baritti-betonin tehokkuuden parantamista säteilysuojauksessa erilaisten aggregaattien avulla.

Tutkimustulokset, jotka osoittavat, että tiheämpi betoni tarjoaa paremman suojan kuin vähemmän tiheät variantit, korostavat materiaalin tiheyden keskeistä roolia säteilysuojauksen tehokkuuden parantamisessa. Tässä baritti-betoni osoitti parempia suojautumisia korkeamman lineaarisen vaimennuskerroinensa vuoksi, mikä mittaa kuinka helposti materiaali absorboi tai hajottaa energiasäde.

Saavuttaakseen korkean RSC:n tiheyden, tutkijat korvasivat tavalliset betonin aggregaatit kvartsilla, raskailla mineraaleilla kuten zirkonilla ja lentotuhkalla sekä keinotekoisilla aggregaateilla, kuten vesipitoisella rautamalmilla, rautajätteellä, tinajätteellä, bauxiittilla, galenalla, bismuttioksidilla ja kierrätetyillä aggregaateilla.

Korkeatiheän betonin käyttö säteilysuojauksena voi vähentää RSC:n paksuutta lähes 40 % verrattuna tavalliseen betoniin, samalla säilyttäen kantokyvyn.

Tutkimukset vaativat lisätutkimuksia betonin pitkäaikaisesta kestävyydestä jatkuvan säteilyn altistuksen alla, mukaan lukien mahdollisen kumulatiivisen vaurion arviointi pitkien aikojen aikana, jotta saadaan parempi käsitys siitä, miten materiaalit kestävät ajan myötä.

Ympäristötekijöiden, kuten lämpötilan, kosteuden ja kemiallisen altistumisen, vaikutuksia betonin säteilysuojauksen ominaisuuksiin on myös tutkittava, jotta voidaan simuloida todellisia olosuhteita ja ymmärtää niiden vaikutus betonin tehokkuuteen suojamateriaalina.

Relevantit yritykset 

Tarkastellaanpa nyt merkittäviä nimiä betonin ja ydinvoiman alalta: 

1. Vulcan Materials Company

Tämä yritys on aggregaattipohjaisten rakennusmateriaalien tuottaja ja merkittävä valmiin betonin ja asfaltin toimittaja. Vulcan Materialsin segmentteihin kuuluvat aggregaatit, asfaltti, betoni ja kalsium, jotka tuottavat kalsiummituotteita eläinrehun ja vesienkäsittelyn teollisuudelle.

Sillä on markkina-arvo 35,8 miljardia dollaria, ja VMC-osakkeet käyvät kauppaa hintaan 270,16 dollaria, nousua 5,42 % vuoden alusta. Yrityksen EPS (TTM) on 6,40, P/E (TTM) -suhde on 42,36 ja osinkotuotto on 0,68 %.

Vuoden 2024 syyskuun 30. päivään päättyneelle neljännekselle yrityksen liikevaihto oli 2 miljardia dollaria, mikä oli 8,3 % vähemmän kuin 3Q23:sta. Nettotulos oli 208,9 miljoonaa dollaria, voitto‑% oli 10 % ja EPS oli 1,58 dollaria. Yritys jakoi osakkailleen 61 miljoonaa dollaria osinkojen kautta. Tänä aikana Vulcan Materials hankki Wake Stone Corporationin laajentaakseen toimintaansa nopeasti kasvavilla alueilla Karolina‑alueella.

“Vaikka merkittävät sääkatkokset ovat vaikuttaneet rakennustoimintaan vuoden ensimmäisen yhdeksän kuukauden aikana, kokonaiskysynnän perusteet tukevat edelleen pitkän aikavälin kasvua.”

– CEO Tom Hill

2. Constellation Energy   

Tämä yritys keskittyy puhtaisiin energiaratkaisuihin ydin-, hydro-, tuuli- ja aurinkovoimalaitostensa kautta, joiden kapasiteetti kattaa noin 16 miljoonaa kotia. Constellation Energy (CEG ) tuottaa noin 10 % Yhdysvaltojen hiilinepästä energiasta.

Sillä on markkina-arvo 95,8 miljardia dollaria, ja CEG-osakkeet käyvät kauppaa hintaan 307,83 dollaria, lähes 37 % nousua vuoden alusta. Yrityksen EPS (TTM) on 9,06, P/E (TTM) -suhde on 33,81 ja osinkotuotto on 0,46 %.

Vuoden 2024 Q3:ssa yritys näki tuloksensa olevan 1,2 miljardia dollaria, nousua 731 miljoonasta dollaria 3Q23:sta. Liikevaihto nousi myös 7,2 % 6,55 miljardiin dollariin. Sen GAAP-nettotulos neljännekselle oli 3,82 dollaria per osake ja säädetyt liiketulokset olivat 2,74 dollaria per osake. Merkittävää on, että Constellation Energy allekirjoitti 20‑vuotisen sähköostosopimuksen Microsoftin kanssa tukeakseen sen Crane Clean Energy Centeriä.

Yrityksen ydinvoimakanta tuotti tämän neljänneksen aikana 45 510 GWh, nousua 44 125 GWh:sta edellisvuoteen verrattuna. Tämän myötä se saavutti 95 % kapasiteettikerroin, joka laski 97,2 %:sta edellisvuoteen. Constellation Energy:n suunnitellut polttoaineen vaihtoon liittyvät käyttökatkokset kasvoivat 37 päivään, ja polttoainetta vaihtamattomat käyttökatkokset kaksinkertaistuivat 20:een.

Päätelmä 

Ydinenergia on voimakas ja puhdas energialähde, joka tarjoaa korkean luotettavuuden ja pienen maankäytön. Mutta vakavat ydinvoimaloiden onnettomuudet ovat aiheuttaneet pelkoa ihmisten keskuudessa. Ydinvoimaloiden turvallisuuden ja pitkäikäisyyden keskeinen osa-alue on niiden rakennusmateriaaleissa, erityisesti betonissa, jota käytetään koko rakennuksessa.

Betoni on suhteellisen edullinen, kestävä ja pitkäikäinen materiaali, jonka voi helposti valaa erilaisiin rakenteisiin, ja sillä on hyvät säteilysuojauksen ominaisuudet, mikä tekee siitä suositun valinnan säteilysuojauksessa.

Vaikka tutkimukset ovat tarkastelleet säteilyn vaikutuksia betonin rakenteelliseen eheyteen, uusin tutkimus vahvistaa säteilyn vaikutukset ja tarjoaa entistä selkeämmän kuvan materiaalin suojauskyvystä.

Esimerkiksi selkeän fluxiriippuvuuden havaitseminen, jossa korkeampi neutronifluxi johtaa suurempaan laajenemisen nopeuteen, sekä jyvän koon riippuvuus, erityisesti korkeammassa neutronifluenssialueessa, viittaa säteilyn aiheuttaman tilavuuslaajenemisen taustalla olevaan parantumismekanismiin.

Tällaisilla oivalluksilla tutkimus voi auttaa kehittämään kestävämpiä rakenteita, jotka parantavat olemassa olevien reaktorien turvallisuutta sekä rakentaa seuraavan sukupolven ydinvoimaloita, muodostaen näin elinkelpoisen ja turvallisen tulevaisuuden.

Klikkaa tästä saadaksesi listan parhaista ydinosakkeista.

Opintoviitteet:

^{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 tammikuu 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