Les réacteurs modernes pourraient bénéficier de nouvelles connaissances sur le béton

Le matériau le plus essentiel dans la construction est le béton. Il est durable, polyvalent et résistant. Non seulement le béton peut rester stable pendant de nombreuses années, être moulé en différentes formes et tailles, et résister aux conditions météorologiques sévères mais il peut également supporter les vibrations et les chocs, est incombustible, peu coûteux, et aide à maintenir une température confortable à l’intérieur des bâtiments.

Toutes ces propriétés étonnantes du béton en font un matériau de construction précieux qui est utilisé pour construire toutes sortes de structures différentes, y compris les routes, les ponts, les barrages, les tunnels, les fondations, les piliers, les murs, les dalles, les allées et les terrasses.

Étant donné l’importance du béton dans la construction d’infrastructures, le marché du béton la taille devrait dépasser $972 billion d’ici la fin de cette décennie. 

L’urbanisation rapide et l’industrialisation, ainsi qu’une augmentation des dépenses gouvernementales pour le développement et la reconstruction des infrastructures stimulent cette croissance. Un hausse de l’adoption de matériaux respectueux de l’environnement pour la construction de bâtiments et le coût initial élevé des installations, cependant, constitue une contrainte pour ce marché. 

En ce qui concerne le type de béton, le segment du béton prêt à l’emploi domine le marché. Ce mélange, après tout, est économique et est fabriqué en lots dans une usine centrale plutôt que d’être mélangé sur le chantier. Par ailleurs, le segment du béton armé mène le marché en termes d’application.

Béton pour aider à atteindre la décarbonisation

Aujourd’hui, ce matériau de construction essentiel et populaire est également en train de jouer un rôle dans nous aider à atteindre la décarbonisation grâce aux centrales nucléaires. Ce mélange artificiel de ciment, d’eau et d’agrégats comme le sable, sert en réalité de matériau de construction principal pour le confinement et le blindage des réacteurs.

Le béton est un matériau abordable qui offre une protection contre les rayons gamma et les neutrons. Sa teneur en eau et sa haute densité sont ce qui le rendent si largement utilisé pour le blindage contre les radiations.

Mais tandis que les ingénieurs ont élaboré des formules pour déterminer l’épaisseur optimale du blindage à des fins de radioprotection, ils ne prennent pas en compte les effets des dommages causés par les radiations. Et le maintien à long terme du béton est essentiel pour faire fonctionner ces centrales nucléaires en toute sécurité.

Le processus de dommages radiatifs est simplement pas encore bien compris. Donc, il est crucial que nous résolvions ce problème si nous voulons profiter de l’énergie nucléaire, qui peut nous aider à atteindre un monde neutre en carbone. 

L’énergie nucléaire est une source d’énergie à faible émission de carbone qui peut aider à lutter contre le changement climatique. Elle nous fournit une source d’électricité fiable quel que soit le temps, ce qui pose problème aux sources d’énergie renouvelable comme l’éolien et le solaire. L’énergie nucléaire est même considérée comme plus sûre que l’énergie solaire et éolienne. 

De plus, le combustible nucléaire possède une densité énergétique élevée et une empreinte au sol réduite, tout en protégeant la qualité de l’air puisqu’il n’y a aucune émission nocive.

L’énergie nucléaire constitue une partie clé de la production énergétique totale à l’échelle mondiale, contribuant à environ 12 % de l’électricité mondiale. En Europe, 30 % de la demande en électricité est satisfaite par l’énergie nucléaire tandis que les combustibles fossiles représentent 40 % et le reste de la part est composé d’énergies renouvelables. 

Par ailleurs, les États-Unis sont le plus grand producteur d’énergie nucléaire au monde, détenant une 30% part de la production mondiale d’électricité nucléaire. En 2022, les réacteurs nucléaires du pays ont généré 772 TWh, soit 18 % de la production électrique totale.

Malgré de nombreux avantages, des accidents comme Tchernobyl et Fukushima ont suscité la peur. En conséquence de cela, l’Italie et l’Allemagne ont définitivement fermé toutes leurs centrales nucléaires. 

Cependant, compte tenu de la nécessité d’avoir une énergie propre et durable et que le nucléaire est une source d’énergie propre à zéro émission, il est important de trouver des moyens d’améliorer le rapport coût-efficacité, la fiabilité et la sécurité afin de réduire les craintes du public concernant cette technologie ainsi que d’améliorer son acceptation. C’est là que le béton entre en jeu.

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Rôle crucial du béton dans l’énergie nucléaire

Une installation nucléaire utilise un réacteur nucléaire comme source principale de chaleur et utilise cette chaleur pour générer de la vapeur, qui entraîne une turbine à vapeur reliée à un générateur. En raison de la radioactivité inhérente à la fission nucléaire, il est crucial que le cœur du réacteur soit encapsulé dans une coque de protection. Cela atténue efficacement la dispersion des radiations et empêche le relâchement de substances radioactives dans l’environnement.

Ces enceintes de réacteur sont fabriquées en béton, qui est également utilisé pour les fondations structurelles et les boucliers biologiques primaires des réacteurs. Ainsi, pour exploiter les installations nucléaires à long terme, il est nécessaire d’effectuer l’analyse d’intégrité des structures en béton. Après tout, dans les centrales nucléaires, le béton doit subir une exposition sévère et à long terme aux irradiations γ, aux radiations neutroniques et à des températures extrêmement élevées.

Ceci est quelque chose que les structures conventionnelles ne rencontrent pas, ce qui signifie que toutes les évaluations de la performance des composants en béton armé dans les structures d’ingénierie civile générales et les bâtiments ne peuvent pas vraiment aider ici. En conséquence, nous avons besoin de connaissances spécifiques à l’industrie du nucléaire.

De plus, il existe un grand défi lié aux altérations matérielles qui entraînent la dégradation des structures en béton dans les centrales nucléaires. Ces réactions alkali-silice, l’expansion et la formation tardive d’éttringite sont dues à l’amorphisation neutronique des minéraux formant les roches dans les agrégats. Ainsi, c’est une autre raison d’évaluer spécifiquement le béton dans les centrales nucléaires.

Cela, cependant, n’est pas nouveau. Les chercheurs ont examiné l’impact des radiations sur l’intégrité structurelle du béton depuis longtemps. Mais de nouvelles recherches ont découvert les détails plus profonds de l’effet des radiations sur l’expansion du béton.

Recherche avancée sur le béton axée sur les centrales nucléaires

Publié dans Science Direct, l’étude menée par des chercheurs de l’Université de Tokyo, entre autres, a dévoilé les détails de l’effet des radiations sur l’expansion du béton¹. Ils peuvent réellement démontrer quelles propriétés du béton affectent ses attributs structurels lorsqu’il est exposé à différents niveaux de radiation neutronique. 

Pour répondre à la préoccupation importante de l’expansion des agrégats de béton causée par les radiations, comprendre la sensibilité des minéraux formant les roches, le quartz en particulier, aux radiations neutroniques est très important.

Cela est parce que le quartz est l’un des minéraux les plus courants que l’on trouve dans presque tous les types de roches. De plus, des expériences dans des réacteurs de recherche ont démontré que le quartz peut s’étendre jusqu’à 18 % en volume. 

Des études récentes montrent également que, tandis que les pâtes de ciment se contractent et gagnent en résistance sous irradiation neutronique, les minéraux formant les roches s’étendent, entraînant l’initiation de fissures au sein des agrégats. Cela conduit à la fissuration des agrégats, à l’expansion du béton et à la diminution de la robustesse et du module d’Young, qui mesure la capacité d’un matériau à résister aux variations de longueur sous compression.

Ainsi, les chercheurs ont poursuivi l’investigation des effets de l’irradiation neutronique sur différents types de quartz, y compris le grès, le métachert, le granodiorite et le quartz synthétique. Les températures d’irradiation ici variaient de 45 à 62 degrés Celsius.

Selon les résultats de recherche, les cristaux de quartz dans le béton, en particulier, peuvent s’auto-réparer. L’expansion volumétrique induite par les radiations a été atténuée par la diffusion de silicium (Si) ou d’oxygène (O) à l’intérieur du grain de quartz, créant une relaxation induite par les radiations. Cela pourrait potentiellement permettre à certains réacteurs de fonctionner plus longtemps que ce qui était initialement pensé possible.

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Améliorer la sécurité nucléaire avec le béton

Matériau composite, le béton est composé de multiples composés, qui peuvent varier selon divers facteurs tels que la géographie locale. L’agrégat rocheux, un composant majeur du béton, peut spécifiquement s’avérer être très divers, mais néanmoins, “la roche contiendra souvent du quartz”.

Le quartz se trouve dans l’andésite, le granodiorite (GR), le grès (SS) et plusieurs autres roches, ce qui signifie que l’irradiation neutronique peut provoquer le gonflement des agrégats et la dégradation successive du béton dans les parois de blindage ainsi que les structures qui sont exposées à un flux neutronique élevé.

Cela signifie qu’il est important de mieux comprendre comment le quartz change sous différentes charges de radiation. Ce faisant, le professeur Ippei Maruyama du Département d’Architecture a noté que:

“[Cela] peut nous aider à prédire comment le béton devrait également se comporter en général.”

Cependant, étudier la dégradation induite par les radiations neutroniques n’est pas si simple ni bon marché. C’est en réalité un domaine d’étude coûteux, ce qui rend la recherche approfondie difficile. L’équipe de recherche travaille sur ce sujet depuis dix-sept ans, créant des stratégies qui ont culminé dans des expériences récentes où les chercheurs utilisent la diffraction des rayons X pour explorer les cristaux de quartz irradiés.

L’un des aspects étudiés par l’équipe concerne les deux propriétés de la radiation neutronique — la dose totale reçue par les échantillons et le flux, qui est le taux auquel la dose est reçue. 

L’équipe a constaté que le taux d’expansion d’un cristal de quartz est proportionnel au taux de dose ; si le taux était plus élevé, l’expansion était également beaucoup plus importante, et inversement.

“La découverte de l’effet de flux indique non seulement que la radiation neutronique déforme la structure cristalline, provoquant l’amorphisation et l’expansion, mais qu’il existe également un phénomène où les cristaux déformés se réparent et l’expansion diminue, d’où un taux plus bas offre plus de temps pour guérir.”

– PDG Tom Hill

Ce phénomène a également été trouvé dépendant de la taille des cristaux minéraux dans le béton. Les grains cristallins plus gros ont montré moins d’expansion, ce qui suggère un effet dépendant de la taille. 

La dégradation du béton à cause de neutrons est actuellement une source de préoccupation mais comme les résultats montrent que cela pourrait connaître moins d’expansion que ce qui était auparavant cru. En conséquence, la dégradation pourrait être moins sévère que prévu, d’où, “permettant aux centrales nucléaires de fonctionner plus sûrement sur de plus longues périodes,” a déclaré Maruyama. 

Avec cette recherche, l’idée est de contribuer à la sélection des matériaux et à la conception du béton pour les futures centrales nucléaires. De plus, cela peut fournir des informations précieuses sur la stabilité et la durabilité des matériaux inorganiques utilisés dans les structures spatiales pour la construction extraterrestre, tant en orbite terrestre qu’au-delà.

Dans l’étape suivante, l’équipe vise à relever les défis liés à la compréhension du comportement d’expansion des différents minéraux formant les roches. Cela aidera à clarifier davantage les mécanismes d’expansion et à développer la capacité de prédire l’expansion des agrégats en fonction de leurs propriétés matérielles et des conditions environnementales.

L’équipe de recherche prévoit également de pouvoir prédire la façon dont les fissures se forment en fonction de l’expansion des minéraux. 

Faire progresser le béton de protection contre les radiations

Étant donné le rôle vital que le béton joue dans la protection contre les radiations ionisantes nocives dans diverses applications, y compris les installations médicales, les laboratoires de recherche, le secteur militaire et les centrales nucléaires, le matériau a été soumis à de nombreuses recherches. 

Au dernier trimestre de l’année dernière, des chercheurs internationaux ont approfondi le béton de protection contre les radiations (RSC), qui a été trouvé comme essentiel pour garantir la sécurité et soutenir l’utilisation bénéfique des radiations dans divers domaines.

Une telle recherche² publiée en novembre a noté que le béton de protection contre les radiations, composé de ciment, d’eau et d’agrégats lourds, a la capacité de supporter les charges gravitationnelles, les charges incidentes telles que les forces sismiques, et les projectiles générés par les tornades tout au long de sa durée de vie.

Les agrégats principalement utilisés dans le RSC comprennent la barytine, l’hématite, la magnétite et la colemanite. L’incorporation de tels agrégats naturels denses augmente la densité du matériau et améliore l’efficacité du RSC tant dans les applications médicales que nucléaires. 

C’est en améliorant certaines propriétés du béton armé pour atténuer les radiations que le RSC est devenu un choix typique pour le blindage et la protection contre les radiations.

Une autre étude³ publiée à cette époque a examiné l’amélioration du béton ordinaire et à base de barytine l’efficacité du béton dans le blindage des radiations en utilisant différents types d’agrégats. 

Les résultats de l’étude, qui indiquent que le béton plus dense offre une meilleure protection comparé aux variantes à moindre densité, soulignent le rôle clé de la densité du matériau dans l’amélioration de l’efficacité du blindage contre les radiations. Ici, le béton à base de barytine a montré de meilleures propriétés de blindage en raison de son coefficient d’atténuation linéaire plus élevé, qui mesure la facilité avec laquelle un matériau absorbe ou diffuse un faisceau d’énergie.

Pour obtenir une haute densité de RSC, les chercheurs ont remplacé les agrégats du béton ordinaire par du quartz, des minéraux lourds comme le zircon et les cendres volantes, ainsi que des agrégats artificiels tels que le minerai de fer hydraté, les déchets de fer, les résidus d’étain, la bauxite, la galène, l’oxyde de bismuth et les agrégats recyclés.

Utiliser du béton à haute densité comme blindage contre les radiations peut réduire l’épaisseur du RSC de près de 40 % par rapport au béton ordinaire tout en conservant la capacité de charge.

Les études appellent à davantage de recherches sur la durabilité à long terme du béton sous exposition continue aux radiations, y compris l’évaluation des dommages cumulatifs potentiels sur de longues périodes afin d’obtenir une meilleure compréhension de la résistance des matériaux au fil du temps. 

Les effets des facteurs environnementaux tels que la température, l’humidité et l’exposition chimique sur les propriétés de blindage contre les radiations du béton doivent également être étudiés afin de simuler les conditions réelles et de comprendre leur impact sur l’efficacité du béton en tant que matériau de blindage.

Entreprises pertinentes 

Voyons maintenant les noms majeurs dans le domaine du béton et de l’énergie nucléaire : 

1. Vulcan Materials Company

Il s’agit du producteur de matériaux de construction à base d’agrégats et d’un important fournisseur de béton prêt à l’emploi et d’asphalte. Les segments de Vulcan Materials comprennent les agrégats, l’asphalte, le béton et le calcium, qui produisent des produits à base de calcium pour les industries de l’alimentation animale et du traitement de l’eau.

Il a une capitalisation boursière de 35,8 milliards de dollars, les actions VMC se négociant à 270,16 $, en hausse de 5,42 % depuis le début de l’année. Le BPA (TTM) de l’entreprise est de 6,40, son ratio P/E (TTM) est de 42,36, et son rendement du dividende est de 0,68 %.

Pour le trimestre se terminant le 30 septembre 2024, le chiffre d’affaires de l’entreprise s’est élevé à 2 milliards de dollars, en baisse de 8,3 % par rapport au 3T23. Le revenu net était de 208,9 millions de dollars, la marge bénéficiaire était de 10 % et le BPA était de 1,58 $. L’entreprise a versé 61 millions de dollars à ses actionnaires sous forme de dividendes. Au cours de cette période, Vulcan Materials a acquis Wake Stone Corporation pour étendre sa présence dans les régions à forte croissance des Carolines.

« Bien que d’importantes perturbations météorologiques aient affecté l’activité de construction au cours des neuf premiers mois de l’année, les fondamentaux de la demande globale continuent de soutenir la croissance à long terme. »

– PDG Tom Hill

2. Constellation Energy   

Il se concentre sur les solutions d’énergie propre grâce à ses installations de production nucléaire, hydroélectrique, éolienne et solaire, capables d’alimenter environ 16 millions de foyers. Constellation Energy (CEG ) produit environ 10 % de l’énergie sans carbone aux États‑Unis.

Il a une capitalisation boursière de 95,8 milliards de dollars, les actions CEG se négociant à 307,83 $, en hausse de près de 37 % depuis le début de l’année. Le BPA (TTM) de l’entreprise est de 9,06, son ratio P/E (TTM) est de 33,81, et le rendement du dividende est de 0,46 %.

Au troisième trimestre 2024, l’entreprise a vu ses bénéfices atteindre 1,2 milliard de dollars, en hausse par rapport à 731 millions de dollars au 3T23. Le chiffre d’affaires a également augmenté de 7,2 % pour atteindre 6,55 milliards de dollars. Son revenu net GAAP pour le trimestre était de 3,82 $ par action et le bénéfice d’exploitation ajusté était de 2,74 $ par action. Il est à noter que Constellation Energy a signé un accord d’achat d’électricité de 20 ans avec Microsoft (MSFT ) pour soutenir son Crane Clean Energy Center.

La flotte nucléaire de l’entreprise a produit 45 510 GWh au cours de ce trimestre — en hausse par rapport à 44 125 GWh d’une année sur l’autre. Avec cela, elle a atteint un facteur de capacité de 95 %, en baisse par rapport à 97,2 % d’une année sur l’autre. Le nombre de jours d’arrêt prévus pour le rechargement de Constellation Energy a quant à lui augmenté à 37, et les jours d’arrêt non liés au rechargement ont doublé à 20.

Conclusion 

L’énergie nucléaire est une source d’énergie puissante et propre qui offre une grande fiabilité et une empreinte réduite. Mais les accidents graves dans les centrales nucléaires ont suscité la peur parmi les populations. Un aspect crucial de la sécurité et de la longévité des centrales nucléaires réside dans les matériaux utilisés pour leur construction, à savoir le béton utilisé dans l’ensemble des bâtiments. 

Le béton est un matériau relativement bon marché, robuste et durable qui peut être facilement coulé en diverses structures et possède de bonnes propriétés de blindage contre les radiations, ce qui en fait un choix populaire pour les applications de protection contre les radiations. 

Alors que des études ont exploré l’impact des radiations sur l’intégrité structurelle du béton, les recherches les plus récentes confirment les effets des radiations et offrent encore plus de clarté sur la capacité de protection de ce matériau.

Par exemple, l’observation d’une dépendance claire au flux, avec un flux neutronique plus élevé entraînant un taux d’expansion plus important, ainsi que d’une dépendance à la taille des grains, notamment dans la gamme de fluence neutronique élevée, implique l’existence d’un mécanisme de guérison sous-jacent à l’expansion volumétrique induite par les radiations. 

Grâce à ces connaissances, la recherche peut aider à développer des structures plus résilientes afin d’améliorer la sécurité des réacteurs existants ainsi que de construire des centrales nucléaires de nouvelle génération, façonnant ainsi un avenir viable et sûr.

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Référence de l’étude:

^{1. Maruyama, I., Murakami, K., Ohkubo, T., Sawada, S., Kontani, O., Igari, T., Kawai, M., & Etoh, J. (2025). Impact du flux neutronique sur le taux d’expansion du quartz. Journal of Nuclear Materials. Disponible en ligne le 13 janvier 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). Béton de protection contre les radiations : une revue des matériaux, des performances et de l’impact des radiations sur les propriétés du béton. 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. Amélioration de l’efficacité du blindage du béton ordinaire et à base de barytine dans les utilisations de protection contre les radiations. Sci Rep 14, 26029 (2024). https://doi.org/10.1038/s41598-024-76402-0