Reaktor Modern Dapat Mendapat Manfaat dari Wawasan Baru tentang Beton

Material paling penting dalam konstruksi adalah beton. Beton tahan lama, serbaguna, dan kuat. Tidak hanya beton dapat tetap stabil selama bertahun‑tahun, dibentuk menjadi berbagai bentuk dan ukuran, serta menahan kondisi cuaca yang keras tetapi ia juga dapat menahan getaran dan guncangan, tidak mudah terbakar, murah, dan membantu menjaga suhu yang nyaman di dalam bangunan.

Semua sifat luar biasa beton ini menjadikannya material konstruksi yang berharga yang digunakan untuk membangun berbagai jenis struktur, termasuk jalan, jembatan, bendungan, terowongan, fondasi, tiang, dinding, lantai, jalan masuk, dan teras.

Mengingat pentingnya beton dalam pembangunan infrastruktur, ukuran pasar beton diproyeksikan melampaui $972 billion pada akhir dekade ini.

Urbanisasi dan industrialisasi yang cepat bersama dengan peningkatan pengeluaran pemerintah untuk pengembangan dan rekonstruksi infrastruktur mendorong pertumbuhan ini. Peningkatan adopsi material ramah lingkungan untuk konstruksi bangunan dan biaya awal tinggi untuk pabrik, bagaimanapun, menjadi kendala bagi pasar ini.

Berbicara tentang jenis beton, segmen beton siap pakai mendominasi pasar. Campuran ini, bagaimanapun, hemat biaya dan diproduksi dalam batch di pabrik pusat alih‑alih dicampur di lokasi kerja. Sementara itu, segmen beton bertulang memimpin pasar dalam hal aplikasi.

Beton untuk Membantu Mencapai Dekarbonisasi

Sekarang, material konstruksi penting dan populer ini juga berperan dalam membantu kita mencapai dekarbonisasi melalui pembangkit listrik tenaga nuklir. Campuran buatan manusia yang terdiri dari semen, air, dan agregat seperti pasir ini sebenarnya berfungsi sebagai material konstruksi utama untuk penahanan dan pelindung reaktor.

Beton adalah material yang terjangkau yang menawarkan perlindungan terhadap sinar gamma dan neutron. Kandungan airnya serta kepadatan tinggilah yang membuatnya banyak digunakan untuk pelindung radiasi.

Namun, meskipun insinyur telah merumuskan formula untuk menentukan ketebalan optimal pelindung bagi tujuan radioproteksi, mereka tidak memperhitungkan efek kerusakan radiasi. Dan keberlanjutan jangka panjang beton sangat penting untuk mengoperasikan pembangkit listrik tenaga nuklir ini dengan aman.

Proses kerusakan radiasi masih belum dipahami dengan baik. Oleh karena itu, sangat penting bagi kita untuk mengatasi masalah ini jika ingin memanfaatkan tenaga nuklir, yang dapat membantu kita mencapai dunia netral karbon.

Tenaga nuklir adalah sumber energi rendah karbon yang dapat membantu melawan perubahan iklim. Ia menyediakan sumber listrik yang andal terlepas dari cuaca, sesuatu yang menjadi tantangan bagi sumber energi terbarukan seperti angin dan matahari. Tenaga nuklir bahkan dianggap lebih aman dibandingkan tenaga surya dan angin.

Selain itu, bahan bakar nuklir memiliki kepadatan energi tinggi dan jejak lahan kecil, sekaligus melindungi kualitas udara karena tidak menghasilkan emisi berbahaya.

Tenaga nuklir merupakan bagian penting dari total produksi energi secara global, menyumbang sekitar 12% listrik dunia. Di Eropa, 30% kebutuhan listriknya dipenuhi oleh energi nuklir sementara bahan bakar fosil menyumbang 40% dan sisanya berasal dari energi terbarukan.

Sementara itu, AS adalah produsen tenaga nuklir terbesar di dunia, dengan pangsa 30% listrik nuklir global. Pada tahun 2022, reaktor nuklir negara tersebut menghasilkan 772 TWh, yaitu 18% dari total output listrik.

Meskipun banyak manfaat, kecelakaan seperti Chernobyl dan Fukushima telah menimbulkan ketakutan. Akibatnya, Italia dan Jerman telah menutup secara permanen semua pembangkit listrik tenaga nuklir mereka.

Namun, mengingat kebutuhan akan energi bersih dan berkelanjutan serta nuklir sebagai sumber energi bersih tanpa emisi, penting untuk menemukan cara meningkatkan efektivitas biaya, keandalan, dan keamanan yang dapat mengurangi ketakutan masyarakat terhadap teknologi ini serta meningkatkan penerimaan mereka. Di sinilah beton berperan.

Klik di sini untuk mempelajari apa yang membuat beton menjadi material penting dan bagaimana kita dapat mengatasi kekurangannya.

Peran Penting Beton dalam Energi Nuklir

Fasilitas nuklir menggunakan reaktor nuklir sebagai sumber panas utama dan memanfaatkan panas tersebut untuk menghasilkan uap, yang menggerakkan turbin uap yang terhubung ke generator. Karena radioaktivitas inheren dari fisi nuklir, sangat penting bahwa inti reaktor dibungkus dalam selubung pelindung. Hal ini secara efektif mengurangi penyebaran radiasi dan mencegah pelepasan zat radioaktif ke lingkungan.

Penahanan reaktor ini terbuat dari beton, yang juga digunakan untuk fondasi struktural dan perisai biologis utama bagi reaktor. Jadi, untuk mengoperasikan fasilitas nuklir dalam jangka panjang, diperlukan analisis integritas struktur beton. Karena di pembangkit listrik tenaga nuklir, beton harus mengalami paparan berat dan jangka panjang terhadap radiasi sinar γ, radiasi neutron, serta suhu yang sangat tinggi.

Ini adalah sesuatu yang tidak dialami oleh struktur konvensional, yang berarti semua evaluasi kinerja komponen beton bertulang dalam struktur teknik sipil umum dan bangunan tidak dapat membantu di sini. Oleh karena itu, kita membutuhkan pengetahuan khusus untuk industri tenaga nuklir.

Selain itu, terdapat tantangan besar berupa perubahan material yang menyebabkan degradasi struktur beton di pembangkit listrik tenaga nuklir. Reaksi alkali‑silikat, ekspansi, dan pembentukan ettringit tertunda disebabkan oleh amorfisasi neutron pada mineral pembentuk batuan dalam agregat. Jadi, itu menjadi alasan tambahan untuk menilai beton secara khusus di pembangkit listrik tenaga nuklir.

Namun, hal ini bukanlah hal baru. Peneliti telah mempelajari dampak radiasi pada integritas struktural beton selama cukup lama. Namun penelitian baru telah mengungkap detail lebih dalam tentang efek radiasi pada ekspansi beton.

Penelitian Beton Lanjutan yang Difokuskan pada Pembangkit Nuklir

Dipublikasikan di Science Direct, studi oleh peneliti di Universitas Tokyo, antara lain, telah mengungkap detail efek radiasi pada ekspansi beton¹. Mereka dapat secara nyata menunjukkan properti beton mana yang memengaruhi atribut strukturalnya ketika terpapar pada tingkat radiasi neutron yang berbeda.

Untuk mengatasi kekhawatiran signifikan mengenai ekspansi agregat beton yang disebabkan oleh radiasi, memahami sensitivitas mineral pembentuk batu, khususnya kuarsa, terhadap radiasi neutron sangat penting.

Hal ini karena kuarsa adalah salah satu mineral paling umum yang ditemukan di hampir semua jenis batu. Selain itu, percobaan di reaktor penelitian telah menunjukkan bahwa kuarsa dapat mengembang hingga 18% dalam volume.

Studi terbaru juga menunjukkan bahwa sementara pasta semen menyusut dan memperoleh kekuatan di bawah iradiasi neutron, mineral pembentuk batu mengembang, menyebabkan inisiasi retakan di dalam agregat. Hal ini menyebabkan retakan agregat, ekspansi beton, dan penurunan kekuatan serta modulus Young, yang mengukur kemampuan material menahan perubahan panjang di bawah kompresi.

Jadi, para peneliti melanjutkan penyelidikan efek iradiasi neutron pada berbagai jenis kuarsa, termasuk batu pasir, metachert, granodiorit, dan kuarsa sintetis. Suhu iradiasi di sini berkisar antara 45 hingga 62 derajat Celsius.

Menurut temuan penelitian, kristal kuarsa dalam beton, khususnya, dapat menyembuhkan dirinya sendiri. Ekspansi volume yang diinduksi radiasi dikurangi oleh difusi silikon (Si) atau oksigen (O) di dalam butir kuarsa, menciptakan relaksasi yang diinduksi radiasi. Hal ini berpotensi memungkinkan beberapa reaktor beroperasi lebih lama daripada yang diperkirakan sebelumnya.

Klik di sini untuk mempelajari apakah beton cetak 3D dapat membantu menyelamatkan lingkungan.

Meningkatkan Keamanan Nuklir dengan Beton

Sebagai material komposit, beton terbuat dari beberapa senyawa, yang dapat bervariasi tergantung pada faktor-faktor seperti geografi lokal. Agregat batu, komponen utama dalam beton, khususnya dapat sangat beragam tetapi tetap, “batu sering mengandung kuarsa.”

Kuarsa ditemukan dalam andesit, granodiorit (GR), batu pasir (SS), dan beberapa batu lainnya, yang berarti iradiasi neutron dapat menyebabkan pembengkakan agregat dan degradasi beton berurutan pada dinding pelindung serta struktur yang terpapar fluks neutron tinggi.

Ini berarti penting untuk memperoleh pemahaman yang lebih baik tentang bagaimana kuarsa berubah di bawah beban radiasi yang berbeda. Dalam melakukannya, Profesor Ippei Maruyama dari Departemen Arsitektur mencatat bahwa:

“[It] dapat membantu kami memprediksi bagaimana beton seharusnya berperilaku secara umum.”

Namun, mempelajari degradasi yang diinduksi radiasi neutron tidaklah mudah atau murah. Ini sebenarnya merupakan bidang studi yang mahal, sehingga penelitian ekstensif menjadi sulit. Tim peneliti telah mengerjakan ini selama tujuh belas tahun terakhir, menciptakan strategi yang berujung pada eksperimen terbaru di mana peneliti menggunakan difraksi sinar‑X untuk mengeksplorasi kristal kuarsa yang teriradiasi.

Salah satu hal yang diteliti tim adalah dua properti radiasi neutron — total dosis yang diterima sampel dan fluks, yaitu laju penerimaan dosis.

Tim menemukan bahwa laju ekspansi pada kristal kuarsa sejalan dengan laju dosis; jika laju lebih tinggi, jumlah ekspansi juga jauh lebih tinggi, dan sebaliknya.

“Penemuan efek fluks menunjukkan tidak hanya bahwa radiasi neutron mengubah struktur kristal, menyebabkan amorfisasi dan ekspansi, tetapi juga ada fenomena di mana kristal yang terdistorsi pulih dan ekspansi berkurang, sehingga laju yang lebih rendah memberikan lebih banyak waktu untuk penyembuhan.”

– Maruyama

Fenomena ini juga ditemukan bergantung pada ukuran kristal mineral dalam beton. Butir kristal yang lebih besar menunjukkan ekspansi yang lebih sedikit, yang menyiratkan efek tergantung ukuran.

Degradasi beton akibat neutron saat ini menjadi sumber kekhawatiran, tetapi temuan menunjukkan bahwa ekspansi mungkin lebih sedikit daripada yang diperkirakan sebelumnya. Akibatnya, degradasi mungkin kurang parah daripada yang diantisipasi, sehingga, “memungkinkan pembangkit listrik tenaga nuklir beroperasi lebih aman dalam jangka waktu yang lebih lama,” kata Maruyama.

Dengan penelitian ini, idenya adalah berkontribusi pada pemilihan material dan desain beton untuk pembangkit listrik tenaga nuklir masa depan. Selain itu, dapat memberikan wawasan berharga tentang stabilitas dan daya tahan material anorganik yang digunakan dalam struktur berbasis ruang untuk konstruksi ekstraterestrial baik di orbit Bumi maupun di luar.

Pada langkah berikutnya, tim berupaya mengatasi tantangan dalam memahami perilaku ekspansi mineral pembentuk batu yang berbeda. Hal ini akan membantu memperjelas mekanisme ekspansi dan mengembangkan kemampuan memprediksi ekspansi agregat berdasarkan properti material dan kondisi lingkungan mereka.

Tim penelitian juga berencana dapat memprediksi cara retakan terbentuk berdasarkan ekspansi mineral.

Meningkatkan Beton Pelindung Radiasi

Mengingat peran penting beton dalam melindungi dari radiasi pengion berbahaya di berbagai aplikasi termasuk fasilitas medis, laboratorium penelitian, militer, dan pembangkit listrik tenaga nuklir, material ini telah menjadi subjek banyak penelitian.

Pada kuartal terakhir tahun lalu, peneliti internasional melakukan penyelaman mendalam ke dalam beton pelindung radiasi (RSC), yang terbukti penting dalam memastikan keselamatan dan mendukung penggunaan radiasi yang bermanfaat di berbagai bidang.

Salah satu penelitian yang dipublikasikan pada bulan November mencatat bahwa beton pelindung radiasi, yang terbuat dari semen, air, dan agregat berat, memiliki kemampuan menahan beban gravitasi, beban insidental seperti gaya gempa bumi, dan proyektil yang dihasilkan tornado sepanjang masa pakainya.research².

Agregat yang utama digunakan dalam RSC meliputi barit, hematit, magnetit, dan kolemanit. Menggabungkan agregat alami yang padat ini meningkatkan kepadatan material dan meningkatkan efektivitas RSC dalam aplikasi medis dan nuklir.

Dengan meningkatkan beberapa properti beton bertulang untuk mengurangi radiasi, RSC telah menjadi pilihan umum untuk pelindung dan perlindungan radiasi.

Studi lain yang dipublikasikan pada waktu itu meneliti peningkatan efisiensi beton biasa dan barit dalam melindungi radiasi dengan memanfaatkan berbagai jenis agregat.

Temuan studi, yang menyatakan bahwa beton yang lebih padat menawarkan perlindungan lebih baik dibandingkan varian dengan kepadatan lebih rendah, menekankan peran kunci kepadatan material dalam meningkatkan efektivitas pelindung radiasi. Di sini, beton barit menunjukkan sifat pelindung yang lebih besar karena koefisien atenuasi linearnya yang lebih tinggi, yang mengukur seberapa mudah material menyerap atau menyebarkan berkas energi.

Untuk mencapai kepadatan tinggi RSC, peneliti mengganti agregat beton biasa dengan kuarsa, mineral berat seperti zirkon dan abu terbang, serta agregat buatan seperti bijih besi hidrat, limbah besi, tailing timah, bauksit, galena, oksida bismut, dan agregat daur ulang.

Menggunakan beton berkapadatan tinggi sebagai pelindung radiasi dapat mengurangi ketebalan RSC hampir 40% dibandingkan beton biasa sekaligus mempertahankan kapasitas menahan beban.

Studi-studi tersebut menyerukan penelitian lebih lanjut tentang daya tahan jangka panjang beton di bawah paparan radiasi terus‑menerus, termasuk menilai potensi kerusakan kumulatif selama periode yang diperpanjang untuk mendapatkan wawasan lebih baik tentang bagaimana material bertahan seiring waktu.

Pengaruh faktor lingkungan seperti suhu, kelembaban, dan paparan kimia terhadap sifat pelindung radiasi beton juga perlu diselidiki untuk mensimulasikan kondisi dunia nyata dan memahami dampaknya pada efektivitas beton sebagai material pelindung.

Perusahaan Terkait 

Sekarang, mari kita lihat nama-nama terkemuka dalam bidang beton dan tenaga nuklir: 

1. Vulcan Materials Company

Perusahaan ini adalah produsen material konstruksi berbasis agregat dan pemasok utama beton siap pakai serta aspal. Segmen Vulcan Materials meliputi agregat, aspal, beton, dan kalsium, yang menghasilkan produk kalsium untuk industri pakan ternak dan pengolahan air.

Perusahaan ini memiliki kapitalisasi pasar sebesar $35,8 miliar dengan saham VMC diperdagangkan pada $270,16, naik 5,42% YTD. EPS (TTM) perusahaan adalah 6,40, rasio P/E (TTM) adalah 42,36, dan hasil dividen sebesar 0,68%.

Untuk kuartal yang berakhir pada 30 September 2024, pendapatan perusahaan sebesar $2 miliar, turun 8,3% dari Q3 2023. Laba bersih sebesar $208,9 juta dengan margin laba 10% dan EPS $1,58. Perusahaan memberikan $61 juta kepada pemegang sahamnya melalui dividen. Selama periode ini, Vulcan Materials mengakuisisi Wake Stone Corporation untuk memperluas jangkauannya di wilayah pertumbuhan tinggi di Carolina.

“Sementara gangguan cuaca yang signifikan telah memengaruhi aktivitas konstruksi selama sembilan bulan pertama tahun ini, fundamental permintaan secara keseluruhan terus mendukung pertumbuhan jangka panjang.”

– CEO Tom Hill

2. Constellation Energy   

Perusahaan ini fokus pada solusi energi bersih melalui fasilitas pembangkit nuklir, hidro, angin, dan surya, yang memiliki kapasitas untuk memasok listrik ke sekitar 16 juta rumah. Constellation Energy (CEG ) menghasilkan sekitar 10% energi bebas karbon di AS.

Perusahaan ini memiliki kapitalisasi pasar sebesar $95,8 miliar dengan saham CEG diperdagangkan pada $307,83, naik hampir 37% YTD. EPS (TTM) perusahaan adalah 9,06, rasio P/E (TTM) adalah 33,81, dan hasil dividen sebesar 0,46%.

Pada Q3 2024, perusahaan mencatat pendapatan sebesar $1,2 miliar, naik dari $731 juta pada Q3 2023. Pendapatan juga naik 7,2% menjadi $6,55 miliar. Laba bersih GAAP per kuartal adalah $3,82 per saham dan laba operasional yang disesuaikan adalah $2,74 per saham. Secara khusus, Constellation Energy menandatangani perjanjian pembelian listrik selama 20 tahun dengan Microsoft (MSFT ) untuk mendukung Crane Clean Energy Center.

Armada nuklir perusahaan menghasilkan 45.510 GWh selama kuartal ini — meningkat dari 44.125 GWh YoY. Dengan itu, perusahaan mencapai faktor kapasitas 95%, yang menurun dari 97,2% YoY. Hari outage untuk pengisian bahan bakar yang direncanakan oleh Constellation Energy meningkat menjadi 37 dan hari outage non‑pengisian bahan bakar menjadi dua kali lipat menjadi 20.

Kesimpulan 

Energi nuklir adalah sumber energi yang kuat dan bersih yang menawarkan keandalan tinggi serta jejak kecil. Namun, kecelakaan serius pada pembangkit listrik tenaga nuklir telah menimbulkan ketakutan di antara masyarakat. Aspek kritis dari keselamatan dan umur panjang pembangkit listrik tenaga nuklir terletak pada material yang digunakan dalam konstruksinya, yaitu beton yang digunakan di seluruh bangunan.

Beton adalah material yang relatif murah, kuat, dan tahan lama yang dapat dengan mudah dicor menjadi berbagai struktur dan memiliki sifat pelindung yang baik terhadap radiasi, menjadikannya pilihan populer untuk aplikasi pelindung radiasi.

Meskipun studi telah mengeksplorasi dampak radiasi pada integritas struktural beton, penelitian terbaru memverifikasi efek radiasi dan memberikan kejelasan lebih lanjut tentang kemampuan perlindungan material ini.

Sebagai contoh, pengamatan ketergantungan fluks yang jelas, dengan fluks neutron yang lebih tinggi menghasilkan laju ekspansi yang lebih tinggi, serta ketergantungan ukuran butir, khususnya pada rentang fluensi neutron yang lebih tinggi, menunjukkan adanya mekanisme penyembuhan yang mendasari ekspansi volume yang diinduksi radiasi.

Dengan wawasan seperti ini, penelitian dapat membantu mengembangkan struktur yang lebih tahan lama untuk meningkatkan keamanan reaktor yang ada serta membangun pembangkit nuklir generasi berikutnya, yang pada gilirannya membentuk masa depan yang layak dan aman.

Klik di sini untuk daftar saham nuklir teratas.

Referensi Studi:

^{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 Januari 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