Energia
I moderni reattori potrebbero beneficiare di nuove intuizioni sul calcestruzzo
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Il materiale più essenziale nella costruzione è il calcestruzzo. È durevole, versatile e resistente. Non solo il calcestruzzo può rimanere stabile per molti anni, può essere modellato in diverse forme e dimensioni e resistere a condizioni meteorologiche avverse ma può anche sopportare vibrazioni e urti, è incombustibile, poco costoso e aiuta a mantenere una temperatura confortevole all’interno degli edifici.
Tutte queste straordinarie proprietà del calcestruzzo lo rendono un materiale da costruzione prezioso, utilizzato per edificare tutti i tipi di strutture, tra cui strade, ponti, dighe, tunnel, fondazioni, pilastri, pareti, lastre, vialetti e patii.
Considerata l’importanza del calcestruzzo nelle infrastrutture edilizie, si prevede che la dimensione del mercato del calcestruzzo supererà $972 billion entro la fine di questo decennio.
L’urbanizzazione rapida e l’industrializzazione, insieme a un aumento della spesa governativa per lo sviluppo e la ricostruzione delle infrastrutture, stanno alimentando questa crescita. Un aumento dell’adozione di materiali ecologici per la costruzione e l’alto costo iniziale di installazione degli impianti, tuttavia, rappresentano un freno per questo mercato.
Per quanto riguarda il tipo di calcestruzzo, il segmento del calcestruzzo preconfezionato domina il mercato. Questa miscela, dopotutto, è conveniente e viene prodotta in lotti in un impianto centrale anziché essere miscelata in cantiere. Nel frattempo, il segmento del calcestruzzo armato guida il mercato in termini di applicazione.
Calcestruzzo per aiutare a raggiungere la decarbonizzazione
Ora, questo materiale da costruzione essenziale e popolare svolge anche un ruolo nell’aiutarci a raggiungere la decarbonizzazione attraverso le centrali nucleari. Questa miscela artificiale di cemento, acqua e aggregati come la sabbia, serve in realtà come materiale da costruzione principale per il contenimento e la schermatura dei reattori.
Il calcestruzzo è un materiale economico che offre protezione contro i raggi gamma e i neutroni. Il suo contenuto d’acqua e l’alta densità sono ciò che lo rende così ampiamente utilizzato per la schermatura dalle radiazioni.
Ma mentre gli ingegneri hanno elaborato formule per determinare lo spessore ottimale della schermatura a scopi di radioprotezione, non tengono conto degli effetti del danno da radiazione. E la permanenza a lungo termine del calcestruzzo è fondamentale per gestire in sicurezza queste centrali nucleari.
Il processo di danno da radiazione non è ancora ben compreso. Pertanto, è fondamentale risolvere questo problema se vogliamo sfruttare l’energia nucleare, che può aiutarci a raggiungere un mondo a emissioni zero di carbonio.
L’energia nucleare è una fonte di energia a basse emissioni di carbonio che può aiutare a combattere il cambiamento climatico. Ci fornisce una fonte affidabile di elettricità indipendentemente dal meteo, cosa con cui le fonti di energia rinnovabile come il vento e il solare hanno difficoltà. L’energia nucleare è persino considerata più sicura del solare e del vento.
Inoltre, il combustibile nucleare ha un’alta densità energetica e una piccola impronta territoriale, proteggendo al contempo la qualità dell’aria poiché non produce emissioni nocive.
L’energia nucleare è una parte fondamentale della generazione totale di energia a livello globale, contribuendo a circa il 12% dell’elettricità mondiale. In Europa, il 30% della domanda di elettricità è soddisfatto dall’energia nucleare, mentre i combustibili fossili rappresentano il 40% e il resto della quota è coperto dalle rinnovabili.
Nel frattempo, gli Stati Uniti sono il più grande produttore di energia nucleare al mondo, con una quota del 30% dell’elettricità nucleare globale prodotta. Nel 2022, i reattori nucleari del paese hanno generato 772 TWh, il 18% della produzione elettrica totale.
Nonostante i numerosi vantaggi, incidenti come Chernobyl e Fukushima hanno generato paura. Di conseguenza, Italia e Germania hanno chiuso definitivamente tutte le loro centrali nucleari.
Tuttavia, data la necessità di avere energia pulita e sostenibile e il nucleare come fonte di energia pulita a zero emissioni, è importante trovare modi per migliorare il rapporto costi-benefici, l’affidabilità e la sicurezza, riducendo le paure delle persone riguardo a questa tecnologia e aumentando la loro accettazione. È qui che il calcestruzzo entra in gioco.
Il ruolo cruciale del calcestruzzo nell’energia nucleare
Una struttura nucleare utilizza un reattore nucleare come fonte primaria di calore e sfrutta quel calore per generare vapore, che aziona una turbina a vapore collegata a un generatore. A causa della radioattività intrinseca della fissione nucleare, è fondamentale che il nocciolo del reattore sia racchiuso in un involucro protettivo. Questo mitiga efficacemente la dispersione delle radiazioni e impedisce il rilascio di sostanze radioattive nell’ambiente.
Questi contenimenti dei reattori sono realizzati in calcestruzzo, che è inoltre impiegato per le fondazioni strutturali e per gli scudi biologici primari dei reattori. Pertanto, per gestire a lungo termine le strutture nucleari, è necessario effettuare l’analisi di integrità delle strutture in calcestruzzo. Dopotutto, nelle centrali nucleari, il calcestruzzo deve sopportare esposizioni severe e prolungate a irraggiamento γ, radiazione neutronica e temperature estremamente elevate.
Questo è qualcosa che le strutture convenzionali non incontrano, il che significa che tutte le valutazioni delle prestazioni dei componenti in calcestruzzo armato nelle strutture di ingegneria civile generale e negli edifici non sono davvero utili in questo contesto. Pertanto, è necessaria una conoscenza specifica per l’industria dell’energia nucleare.
Inoltre, esiste una grande sfida legata alle alterazioni dei materiali che portano al degrado delle strutture in calcestruzzo nelle centrali nucleari. Queste reazioni alcol-silice, l’espansione e la formazione ritardata di ettringite sono dovute all’amorfizzazione neutronica dei minerali costitutivi delle rocce negli aggregati. Pertanto, è un ulteriore motivo per valutare specificamente il calcestruzzo nelle centrali nucleari.
Tuttavia, non è nulla di nuovo. I ricercatori hanno studiato per molto tempo l’impatto delle radiazioni sull’integrità strutturale del calcestruzzo. Ma nuove ricerche hanno scoperto dettagli più approfonditi dell’effetto delle radiazioni sull’espansione del calcestruzzo.
Ricerca avanzata sul calcestruzzo focalizzata sulle centrali nucleari
Pubblicato su Science Direct, lo studio dei ricercatori dell’Università di Tokyo, tra gli altri, ha rivelato dettagli sull’effetto delle radiazioni sull’espansione del calcestruzzo. Riescono effettivamente a dimostrare quali proprietà del calcestruzzo influenzano le sue caratteristiche strutturali quando esposte a diversi livelli di radiazione neutronica.
Per affrontare la preoccupazione significativa dell’espansione degli aggregati di calcestruzzo causata dalle radiazioni, è molto importante comprendere la sensibilità dei minerali costitutivi delle rocce, in particolare il quarzo, alla radiazione neutronica.
Ciò è dovuto al fatto che il quarzo è uno dei minerali più comuni, presente in quasi tutti i tipi di roccia. Inoltre, esperimenti in reattori di ricerca hanno dimostrato che il quarzo può espandersi fino al 18% in volume.
Studi recenti mostrano anche che, mentre le paste di cemento si contraggono e guadagnano resistenza sotto irraggiamento neutronico, i minerali costitutivi delle rocce si espandono, provocando l’inizio di crepe all’interno degli aggregati. Ciò porta a fratture degli aggregati, espansione del calcestruzzo e diminuzione della robustezza e del modulo di Young, che misura la capacità di un materiale di resistere a variazioni di lunghezza sotto compressione.
Pertanto, i ricercatori hanno indagato gli effetti dell’irraggiamento neutronico su diversi tipi di quarzo, inclusi arenaria, metacristallo, granodiorite e quarzo sintetico. Le temperature di irraggiamento qui variavano da 45 a 62 gradi Celsius.
Secondo i risultati della ricerca, i cristalli di quarzo nel calcestruzzo, in particolare, possono auto-ripararsi. L’espansione di volume indotta dalle radiazioni è stata mitigata dalla diffusione di silicio (Si) o ossigeno (O) all’interno del granulo di quarzo, creando un rilassamento indotto dalle radiazioni. Questo potrebbe potenzialmente consentire ad alcuni reattori di funzionare più a lungo di quanto inizialmente previsto.
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Migliorare la sicurezza nucleare con il calcestruzzo
Materiale composito, il calcestruzzo è costituito da più composti, che possono variare a seconda di fattori come la geografia locale. L’aggregato roccioso, componente principale del calcestruzzo, può risultare molto vario ma, comunque, “la roccia contiene spesso quarzo”.
Il quarzo si trova in andesite, granodiorite (GR), arenaria (SS) e in diverse altre rocce, il che significa che l’irraggiamento neutronico può causare gonfiore dell’aggregato e successivo degrado del calcestruzzo nei muri di schermatura così come nelle strutture esposte a un alto flusso di neutroni.
Ciò significa che è importante acquisire una migliore comprensione di come il quarzo cambia sotto diversi carichi di radiazione. Facendo ciò, il professor Ippei Maruyama del Dipartimento di Architettura ha osservato che:
“[Può] aiutarci a prevedere come dovrebbe comportarsi anche il calcestruzzo in generale.”
Tuttavia, studiare il degrado indotto dalla radiazione neutronica non è così semplice né economico. È in realtà un’area di studio costosa, il che rende difficile la ricerca estensiva. Il team di ricerca ha lavorato su questo per gli ultimi diciassette anni, creando strategie che hanno culminato in recenti esperimenti in cui i ricercatori utilizzano la diffrazione a raggi X per esplorare i cristalli di quarzo irradiati.
Una delle cose che il team ha esaminato sono le due proprietà della radiazione neutronica — la dose totale che i campioni ricevono e il flusso, che è la velocità con cui la dose viene assorbita.
Il team ha scoperto che il tasso di espansione in un cristallo di quarzo è in linea con il tasso di dose; se il tasso era più alto, anche la quantità di espansione era molto più elevata, e viceversa.
“La scoperta dell’effetto flusso indica non solo che la radiazione neutronica distorce la struttura cristallina, causando amorfizzazione ed espansione, ma anche che esiste un fenomeno in cui i cristalli distorti si recuperano e l’espansione diminuisce, quindi un tasso più basso offre più tempo per guarire.”
– Maruyama
Questo fenomeno è stato anche riscontrato dipendente dalla dimensione dei cristalli minerali all’interno del calcestruzzo. I granuli cristallini più grandi hanno mostrato meno espansione, il che suggerisce un effetto dipendente dalla dimensione.
Il degrado del calcestruzzo a causa dei neutroni è attualmente una fonte di preoccupazione, ma come mostrano i risultati, potrebbe presentare meno espansione di quanto creduto in precedenza. Di conseguenza, il degrado potrebbe essere meno grave del previsto, consentendo alle centrali nucleari di operare più in sicurezza per periodi più lunghi,” ha dichiarato Maruyama.
Con questa ricerca, l’idea è contribuire alla selezione dei materiali e alla progettazione del calcestruzzo per le future centrali nucleari. Inoltre, può fornire preziose informazioni sulla stabilità e durabilità dei materiali inorganici utilizzati nelle strutture spaziali per la costruzione extraterrestre sia in orbita terrestre che oltre.
Nel prossimo passo, il team mira ad affrontare le sfide nella comprensione del comportamento di espansione dei diversi minerali costitutivi delle rocce. Questo aiuterà a chiarire ulteriormente i meccanismi di espansione e a sviluppare la capacità di prevedere l’espansione degli aggregati in base alle loro proprietà materiali e alle condizioni ambientali.
Il team di ricerca prevede anche di poter prevedere il modo in cui si formano le crepe basandosi sull’espansione dei minerali.
Avanzare il calcestruzzo schermante dalle radiazioni
Dato il ruolo vitale che il calcestruzzo svolge nella protezione contro le radiazioni ionizzanti dannose in varie applicazioni, tra cui strutture mediche, laboratori di ricerca, militari e centrali nucleari, il materiale è stato oggetto di numerose ricerche.
Nell’ultimo trimestre dell’anno scorso, ricercatori internazionali hanno approfondito il calcestruzzo schermante dalle radiazioni (RSC), che si è rivelato essenziale per garantire la sicurezza e supportare l’uso benefico delle radiazioni in vari settori.
Una tale ricerca pubblicata a novembre ha osservato che il calcestruzzo schermante dalle radiazioni, composto da cemento, acqua e aggregati pesanti, ha la capacità di sopportare carichi gravitazionali, carichi incidentali come le forze sismiche e proiettili generati da tornado per tutta la sua durata.
Gli aggregati principalmente usati nel RSC includono barite, ematite, magnetite e colemanite. L’incorporazione di tali aggregati naturali densi aumenta la densità del materiale e migliora l’efficacia del RSC sia nelle applicazioni mediche che nucleari.
Migliorando alcune proprietà del calcestruzzo armato per ridurre la radiazione, il RSC è diventato una scelta tipica per la schermatura e la protezione dalle radiazioni.
Un altro studio pubblicato in quel periodo ha esaminato il miglioramento dell’efficienza del calcestruzzo comune e di barite nella schermatura delle radiazioni utilizzando diversi tipi di aggregati.
I risultati dello studio, che affermano che il calcestruzzo più denso offre una migliore protezione rispetto a varianti a densità inferiore, sottolineano il ruolo chiave della densità del materiale nel migliorare l’efficacia della schermatura dalle radiazioni. In questo caso, il calcestruzzo di barite ha mostrato maggiori proprietà di schermatura grazie al suo più alto coefficiente di attenuazione lineare, che misura quanto facilmente un materiale assorbe o disperde un fascio di energia.
Per ottenere un’alta densità del RSC, i ricercatori hanno sostituito gli aggregati del calcestruzzo ordinario con quarzo, minerali pesanti come lo zirconio e la cenere volante, e aggregati artificiali come minerale di ferro idrato, scarti di ferro, scorie di stagno, bauxite, galena, ossido di bismuto e aggregati riciclati.
L’uso di calcestruzzo ad alta densità come schermatura dalle radiazioni può ridurre lo spessore del RSC di quasi il 40% rispetto al calcestruzzo ordinario, mantenendo comunque la capacità di carico.
Gli studi chiedono ulteriori ricerche sulla durabilità a lungo termine del calcestruzzo sotto esposizione continua alle radiazioni, includendo la valutazione di potenziali danni cumulativi su periodi prolungati per ottenere una migliore comprensione di come i materiali si comportano nel tempo.
Gli effetti di fattori ambientali come temperatura, umidità ed esposizione chimica sulle proprietà di schermatura del calcestruzzo devono essere investigati per simulare condizioni reali e comprendere il loro impatto sull’efficacia del calcestruzzo come materiale di schermatura.
Aziende rilevanti
Adesso, diamo un’occhiata ai nomi di spicco nel settore del calcestruzzo e dell’energia nucleare:
1. Vulcan Materials Company
Questo è il produttore di materiali da costruzione a base di aggregati e un importante fornitore di calcestruzzo preconfezionato e asfalto. I segmenti di Vulcan Materials includono aggregati, asfalto, calcestruzzo e calcio, che producono prodotti a base di calcio per l’alimentazione animale e le industrie di trattamento dell’acqua.
VMC Grafico dei prezzi
Ha una capitalizzazione di mercato di 35,8 miliardi di dollari con le azioni VMC che scambiano a 270,16 $, in crescita del 5,42% YTD. L’EPS (TTM) dell’azienda è 6,40, il suo rapporto P/E (TTM) è 42,36 e il rendimento del dividendo è dello 0,68%.
Per il trimestre conclusosi il 30 settembre 2024, i ricavi dell’azienda sono stati di 2 miliardi di dollari, in calo dell’8,3% rispetto al 3Q23. L’utile netto è stato di 208,9 milioni di dollari, con un margine di profitto del 10% e un EPS di 1,58 $. L’azienda ha distribuito 61 milioni di dollari agli azionisti tramite dividendi. Durante questo periodo, Vulcan Materials ha acquisito Wake Stone Corporation per espandere la sua presenza in aree geografiche ad alta crescita nelle Carolinas.
“Mentre le significative interruzioni meteorologiche hanno influenzato l’attività edilizia nei primi nove mesi dell’anno, i fondamentali della domanda complessiva continuano a sostenere la crescita a lungo termine.”
– CEO Tom Hill
2. Constellation Energy
Questo si concentra su soluzioni di energia pulita attraverso le sue strutture di generazione nucleare, idroelettrica, eolica e solare, che hanno la capacità di alimentare circa 16 milioni di case. Constellation Energy (CEG ) produce circa il 10% dell’energia senza carbonio negli Stati Uniti.
CEG Grafico dei prezzi
Ha una capitalizzazione di mercato di 95,8 miliardi di dollari con le azioni CEG che scambiano a 307,83 $, in crescita di quasi il 37% YTD. L’EPS (TTM) dell’azienda è 9,06, il suo rapporto P/E (TTM) è 33,81 e il rendimento del dividendo è dello 0,46%.
Nel terzo trimestre del 2024, l’azienda ha registrato guadagni pari a 1,2 miliardi di dollari, in aumento rispetto ai 731 milioni di dollari del 3Q23. I ricavi sono aumentati del 7,2% a 6,55 miliardi di dollari. L’utile netto GAAP per il trimestre è stato di 3,82 dollari per azione e gli utili operativi rettificati sono stati di 2,74 dollari per azione. In particolare, Constellation Energy ha firmato un accordo di acquisto di energia della durata di 20 anni con Microsoft (MSFT ) per supportare il suo Crane Clean Energy Center.
La flotta nucleare dell’azienda ha prodotto 45.510 GWh durante questo trimestre, in aumento rispetto ai 44.125 GWh dell’anno precedente. Con ciò, ha raggiunto un fattore di capacità del 95%, in calo rispetto al 97,2% dell’anno precedente. I giorni di fermo programmati per il rifornimento di Constellation Energy sono aumentati a 37, mentre i giorni di fermo non legati al rifornimento sono raddoppiati a 20.
Conclusione
L’energia nucleare è una fonte di energia potente e pulita che offre alta affidabilità e una piccola impronta. Ma gli incidenti gravi nelle centrali nucleari hanno generato paura tra le persone. Un aspetto critico della sicurezza e della longevità delle centrali nucleari risiede nei materiali utilizzati nella loro costruzione, ovvero il calcestruzzo impiegato in tutti gli edifici.
Il calcestruzzo è un materiale relativamente economico, robusto e durevole, che può essere facilmente colato in varie strutture e possiede buone proprietà di schermatura contro le radiazioni, rendendolo una scelta popolare per le applicazioni di schermatura.
Mentre gli studi hanno esplorato l’impatto delle radiazioni sull’integrità strutturale del calcestruzzo, le ricerche più recenti verificano gli effetti delle radiazioni e forniscono una maggiore chiarezza sulla capacità protettiva di questo materiale.
Ad esempio, l’osservazione di una chiara dipendenza dal flusso, con un flusso neutronico più elevato che porta a un tasso di espansione più alto, e la dipendenza dalla dimensione dei granuli, soprattutto nella gamma di fluenza neutronica più alta, implica l’esistenza di un meccanismo di guarigione alla base dell’espansione di volume indotta dalle radiazioni.
Con queste intuizioni, la ricerca può contribuire a sviluppare strutture più resilienti per migliorare la sicurezza dei reattori esistenti e costruire impianti nucleari di nuova generazione, contribuendo così a plasmare un futuro sostenibile e sicuro.
Clicca qui per un elenco delle principali azioni nucleari.
Riferimento allo studio:
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. Disponibile online 13 gennaio 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
