현대 원자로는 콘크리트에 대한 새로운 통찰을 통해 혜택을 받을 수 있다

건설에서 가장 필수적인 재료는 콘크리트입니다. 내구성이 뛰어나고 다재다능하며 강합니다. 콘크리트는 단지 오랫동안 안정적으로 유지되고, 다양한 형태와 크기로 성형될 수 있으며, 혹독한 날씨 조건을 견딜 수 있으며 하지만 진동과 충격도 견디고, 불연성이며, 저렴하고, 건물 내부의 쾌적한 온도를 유지하는 데 도움을 줍니다.

콘크리트의 이러한 놀라운 특성들 덕분에 사용됩니다 모든 종류의 다양한 구조물, 도로, 교량, 댐, 터널, 기초, 기둥, 벽, 슬래브, 차도, 파티오 등을 건설하기 위해.

콘크리트가 인프라 구축에 중요한 역할을 하는 만큼, 콘크리트 시장 규모는 이번 10년 말까지 $972 billion을 초과할 것으로 예상됩니다. 

급속한 도시화와 산업화, 그리고 인프라 개발 및 재건을 위한 정부 지출 증가가 이 성장을 견인하고 있습니다. 하지만 건축에 친환경 소재 채택이 증가하고 공장 초기 설치 비용이 높아지는 것이 이 시장에 제약 요인으로 작용합니다. 

콘크리트 종류 중에서는 레디믹스 콘크리트 부문이 시장을 주도합니다. 이 혼합물은 비용 효율적이며 현장에서 혼합하는 대신 중앙 공장에서 배치로 제조됩니다. 한편, 철근 콘크리트 부문은 적용 측면에서 시장을 선도합니다.

탈탄소 달성을 돕는 콘크리트

현재 이 필수적이고 대중적인 건축 재료가 원자력 발전소를 통한 탈탄소 달성에도 역할을 하고 있습니다. 시멘트, 물, 모래와 같은 골재로 만든 이 인공 혼합물은 실제로 원자로 격납 및 차폐를 위한 주요 건축 재료로 사용됩니다.

콘크리트는 감마선과 중성자를 차단하는 저렴한 재료입니다. 물 함량과 높은 밀도가 방사선 차폐에 널리 사용되는 이유입니다.

하지만 엔지니어들이 방사선 보호를 위한 최적 차폐 두께를 결정하는 공식은 만들었지만, 방사선 손상의 영향을 고려하지 않았습니다. 그리고 콘크리트의 장기적인 영구성은 이러한 원자력 발전소를 안전하게 운영하는 데 중요합니다.

방사선 손상 과정은 아직 충분히 이해되지 않고 있습니다. 따라서 원자력 발전을 활용해 탄소 중립 세계를 달성하려면 이 문제를 해결하는 것이 중요합니다. 

원자력은 기후 변화와 싸우는 저탄소 에너지원입니다. 날씨에 관계없이 안정적인 전력을 제공하며, 풍력·태양광 같은 재생에너지보다 안전하다고 평가됩니다. 

또한 원자력 연료는 높은 에너지 밀도와 작은 토지 면적을 가지고 있으며, 유해 배출이 없어 대기 질을 보호합니다.

원자력은 전 세계 에너지 생산의 핵심 부분으로, 전 세계 전력의 약 12%를 차지합니다. 유럽에서는 전력 수요의 30%가 원자력으로 충당되고, 화석 연료가 40%를 차지하며, 나머지는 재생에너지로 구성됩니다. 

한편, 미국은 전 세계 원자력 전력 생산량의 30%를 차지하는 가장 큰 생산국입니다. 2022년 미국 원자력 발전소는 772 TWh, 전체 전력 생산량의 18%를 생산했습니다.

많은 이점에도 불구하고 체르노빌과 후쿠시마와 같은 사고가 두려움을 만들었습니다. 그 결과 이탈리아와 독일은 모든 원자력 발전소를 영구 폐쇄했습니다. 

하지만 청정하고 지속 가능한 에너지 필요와 원자력이 무배출 청정 에너지라는 점을 고려하면, 비용 효율성, 신뢰성, 안전성을 향상시켜 사람들의 두려움을 줄이고 수용성을 높이는 방안을 찾는 것이 중요합니다. 이때 콘크리트가 중요한 역할을 합니다.

콘크리트가 중요한 재료가 되는 이유와 그 단점을 극복하는 방법을 알아보려면 여기를 클릭하십시오.

원자력 에너지에서 콘크리트의 핵심 역할

원자력 시설은 핵반응기를 주요 열원으로 사용하고, 그 열을 이용해 증기를 발생시켜 발전기에 연결된 증기 터빈을 구동합니다. 핵분열의 고유 방사성 때문에, 원자로 핵심을 보호 쉘로 둘러싸는 것이 필수적입니다. 이는 방사선 확산을 효과적으로 억제하고 방사성 물질이 환경으로 배출되는 것을 방지합니다.

이러한 원자로 격납 구조물은 콘크리트로 만들어지며, 콘크리트는 구조 기초와 원자로의 주요 생물학적 차폐에도 사용됩니다. 따라서 원자력 시설을 장기적으로 운영하려면 콘크리트 구조물의 무결성 분석을 수행해야 합니다. 원자력 발전소에서는 콘크리트가 γ선 조사, 중성자 방사선, 매우 높은 온도에 장기간 노출됩니다.

이는 일반 토목 구조물에서는 겪지 못하는 상황으로, 일반 토목 구조물의 성능 평가가 여기에는 적용되지 않습니다. 따라서 원자력 산업에 특화된 지식이 필요합니다. 

또한 원자력 발전소에서 콘크리트 구조물의 열화로 이어지는 물질 변형 문제가 큰 도전 과제입니다. 알칼리-실리카 반응, 팽창, 지연된 에트링가이트 형성은 골재 내 암석 형성 광물의 중성자 비정질화 때문입니다. 따라서 원자력 발전소에서 콘크리트 평가가 필요합니다.

하지만 이것은 새로운 것이 아닙니다. 연구자들은 오랫동안 방사선이 콘크리트 구조적 무결성에 미치는 영향을 조사해 왔습니다. 그러나 새로운 연구는 방사선이 콘크리트 팽창에 미치는 효과에 대한 더 깊은 세부 정보를 밝혀냈습니다.

원자력 발전소에 초점을 맞춘 고급 콘크리트 연구

Science Direct에 발표된 도쿄대 등 연구진의 연구는 방사선이 콘크리트 팽창에 미치는 영향을 상세히 밝혀냈습니다¹. 그들은 다양한 중성자 방사선 수준에 노출될 때 콘크리트 속성 중 어떤 것이 구조적 특성에 영향을 미치는지 실제로 보여줄 수 있었습니다. 

방사선으로 인한 콘크리트 골재 팽창이라는 중요한 문제를 해결하려면, 특히 석영과 같은 암석 형성 광물의 중성자 방사선에 대한 민감성을 이해하는 것이 매우 중요합니다.

이는 석영이 거의 모든 암석 유형에 존재하는 가장 흔한 광물 중 하나이기 때문입니다. 또한 연구용 원자로 실험에서 석영은 부피가 최대 18%까지 팽창할 수 있음이 입증되었습니다. 

최근 연구에 따르면, 시멘트 페이스트는 중성자 조사 하에 수축하고 강도가 증가하는 반면, 암석 형성 광물은 팽창해 골재 내 균열을 유발합니다. 이는 골재 균열, 콘크리트 팽창, 강도와 영률(Young’s modulus)의 감소로 이어지며, 영률은 재료가 압축 하에서 길이 변화를 견디는 능력을 측정합니다.

따라서 연구진은 석영, 사암, 메타크레트, 화강암, 합성 석영 등 다양한 석영 종류에 대한 중성자 조사 효과를 조사했습니다. 조사 온도는 45~62°C 범위였습니다.

연구 결과에 따르면, 특히 콘크리트 내 석영 결정은 스스로 치유할 수 있습니다. 방사선에 의해 발생한 부피 팽창은 석영 입자 내 실리콘(Si) 또는 산소(O)의 확산에 의해 완화되어 방사선 유도 이완을 생성합니다. 이는 잠재적으로 일부 원자로가 초기 예상보다 더 오래 가동될 수 있음을 시사합니다.

3D 프린트 콘크리트가 환경 보호에 도움이 되는지 알아보려면 여기를 클릭하십시오.

콘크리트를 통한 원자력 안전 강화

복합 재료인 콘크리트는 다양한 화합물로 구성되며, 이는 지역 지형 등에 따라 달라질 수 있습니다. 콘크리트의 주요 구성 요소인 암석 골재는 매우 다양하지만, 일반적으로 “암석은 석영을 포함한다”는 점이 있습니다.

석영은 안산암, 화강암(GR), 사암(SS) 등 여러 암석에 존재하며, 중성자 조사 시 골재 팽창과 차폐벽 및 고중성자 플럭스에 노출된 구조물의 콘크리트 열화를 초래합니다.

이는 석영이 다양한 방사선 부하 하에서 어떻게 변하는지 이해하는 것이 중요함을 의미합니다. 건축학과의 마루마 마루마 교수는 다음과 같이 언급했습니다:

“[It] can help us predict how concrete should also behave in general.”

하지만 중성자 방사선에 의한 열화 연구는 쉽지도 저렴하지도 않습니다. 이는 비용이 많이 드는 연구 분야이며, 광범위한 연구를 어렵게 합니다. 연구팀은 지난 17년간 이 분야를 연구해 왔으며, 최근 실험에서는 X-선 회절을 이용해 조사된 석영 결정을 탐구하고 있습니다.

팀이 살펴본 두 가지 중성자 방사선 특성은 시료가 받는 총 선량과 선량이 전달되는 속도(플럭스)입니다. 

팀은 석영 결정의 팽창 속도가 선량 속도와 일치한다는 것을 발견했습니다; 속도가 높을수록 팽창량도 크게 증가하고, 반대의 경우도 마찬가지였습니다.

“플럭스 효과의 발견은 중성자 방사선이 결정 구조를 왜곡시켜 비정질화와 팽창을 일으킬 뿐만 아니라, 왜곡된 결정이 회복되고 팽창이 감소하는 현상이 있음을 나타내며, 따라서 낮은 속도가 회복 시간을 더 많이 제공한다는 것을 의미합니다.”

– 마루마

이 현상은 콘크리트 내 광물 결정 크기에 따라 달라지는 것으로 나타났습니다. 큰 결정 입자는 팽창이 적으며, 이는 크기 의존 효과를 시사합니다. 

중성자에 의한 콘크리트 열화는 현재 우려 사항이지만, 연구 결과는 이전보다 팽창이 적을 수 있음을 보여줍니다. 따라서 열화가 예상보다 덜 심각할 수 있어, “원자력 발전소가 더 오래 안전하게 운영될 수 있다”고 마루마는 말했습니다. 

이 연구를 통해 향후 원자력 발전소용 콘크리트 재료 선택 및 설계에 기여하고자 합니다. 또한 지구 궤도 및 그 너머의 외계 구조물에 사용되는 무기질 재료의 안정성과 내구성에 대한 귀중한 통찰을 제공할 수 있습니다.

다음 단계에서는 다양한 암석 형성 광물의 팽창 거동을 이해하는 과제를 해결하려 합니다. 이는 재료 특성과 환경 조건에 기반해 골재 팽창을 예측하는 능력을 개발하는 데 도움이 될 것입니다.

연구팀은 또한 광물 팽창을 기반으로 균열 형성을 예측할 수 있는 능력을 갖추는 것을 목표로 하고 있습니다. 

방사선 차폐 콘크리트의 진보

콘크리트가 유해 이온화 방사선으로부터 보호하는 중요한 역할을 수행하는 다양한 분야(의료 시설, 연구실, 군사, 원자력 발전소 등)에서, 이 재료는 많은 연구의 대상이 되어 왔습니다. 

지난해 마지막 분기에 국제 연구자들은 방사선 차폐 콘크리트(RSC)에 대해 심층 조사했으며, 이는 안전을 보장하고 다양한 분야에서 방사선 활용을 지원하는 데 필수적임이 밝혀졌습니다.

2023년 11월에 발표된 한 연구²에 따르면, 시멘트, 물, 중량 골재로 만든 방사선 차폐 콘크리트는 중력 하중, 지진력과 같은 우발 하중 및 토네이도에 의한 투사체를 전 기간 동안 견딜 수 있는 능력이 있습니다.

RSC에 주로 사용되는 골재는 바라이트, 적철석, 자석, 콜레마이트 등입니다. 이러한 고밀도 천연 골재를 도입하면 재료의 밀도가 증가하고 의료 및 원자력 분야에서 RSC의 효율성이 향상됩니다. 

일부 강화 콘크리트 특성을 개선해 방사선을 약화시키는 것이 RSC가 방사선 차폐와 보호에 일반적인 선택이 된 이유입니다.

또 다른 연구³는 일반 및 바라이트 콘크리트의 방사선 차폐 효율을 다양한 골재를 활용해 향상시키는 방안을 조사했습니다. 

연구 결과, 밀도가 높은 콘크리트가 낮은 밀도 콘크리트보다 더 나은 보호를 제공한다는 점이 강조되었으며, 이는 재료 밀도가 방사선 차폐 효율을 높이는 핵심 역할을 함을 보여줍니다. 여기서 바라이트 콘크리트는 높은 선형 감쇠 계수 덕분에 더 큰 차폐 특성을 보였습니다.

고밀도 RSC를 달성하기 위해 연구자들은 일반 콘크리트 골재를 석영, 지르코늄과 같은 무거운 광물, 플라이 애시, 그리고 수산화 철광석, 철 폐기물, 주석 광석, 보크사이트, 갈레나, 비스무트 산화물, 재활용 골재 등 인공 골재로 교체했습니다.

고밀도 콘크리트를 방사선 차폐재로 사용하면 일반 콘크리트 대비 두께를 거의 40% 줄이면서도 하중 지지 능력을 유지할 수 있습니다.

이 연구들은 지속적인 방사선 노출 하에서 콘크리트의 장기 내구성에 대한 추가 연구를 요구하며, 장기간에 걸친 누적 손상을 평가해 재료가 시간에 따라 어떻게 유지되는지에 대한 통찰을 제공해야 합니다. 

온도, 습도, 화학적 노출과 같은 환경 요인이 콘크리트의 방사선 차폐 특성에 미치는 영향도 실제 조건을 시뮬레이션하고 콘크리트 차폐 효율에 대한 영향을 이해하기 위해 조사되어야 합니다.

관련 기업 

이제 콘크리트와 원자력 분야의 주요 기업들을 살펴보겠습니다. 

1. Vulcan Materials Company

이 회사는 골재 기반 건설 자재를 생산하며 레디믹스 콘크리트와 아스팔트를 주요 공급합니다. Vulcan Materials의 사업 부문에는 골재, 아스팔트, 콘크리트, 그리고 동물 사료와 수처리 산업용 칼슘 제품을 생산하는 칼슘 부문이 포함됩니다.

시가총액은 358억 달러이며, VMC 주가는 270.16달러로 연초 대비 5.42% 상승했습니다. EPS(TTM)는 6.40, P/E(TTM) 비율은 42.36, 배당 수익률은 0.68%입니다.

2024년 9월 30일 종료 분기 매출은 20억 달러로 2023년 3분기 대비 8.3% 감소했습니다. 순이익은 2억 889만 달러이며, 이익률은 10%, EPS는 1.58달러였습니다. 배당금으로 주주에게 6100만 달러를 지급했습니다. 이 기간 동안 Vulcan Materials는 캐롤라이나 주 고성장 지역으로 사업을 확대하기 위해 Wake Stone Corporation을 인수했습니다. 

“첫 9개월 동안 상당한 기상 교란이 건설 활동에 영향을 미쳤지만, 전반적인 수요 기본은 장기 성장의 토대를 계속 유지하고 있습니다.”

– CEO Tom Hill

2. Constellation Energy   

이 회사는 원자력, 수력, 풍력, 태양광 발전 시설을 통해 약 1,600만 가구에 전력을 공급하는 청정 에너지 솔루션에 집중하고 있습니다. Constellation Energy (CEG ) 는 미국 내 탄소 없는 전력의 약 10%를 생산합니다.

시가총액은 958억 달러이며, CEG 주가는 307.83달러로 연초 대비 거의 37% 상승했습니다. EPS(TTM)는 9.06, P/E(TTM) 비율은 33.81, 배당 수익률은 0.46%입니다.

2024년 3분기에 회사는 매출 12억 달러를 기록했으며, 이는 2023년 3분기 7.31억 달러에서 증가한 수치입니다. 매출은 7.2% 상승해 65.5억 달러에 달했습니다. GAAP 순이익은 주당 3.82달러, 조정 영업 이익은 주당 2.74달러였습니다. 특히 Constellation Energy는 Microsoft (MSFT ) 와 20년 전력 구매 계약을 체결해 Crane Clean Energy Center를 지원했습니다.

회사의 원자력 플릿은 이번 분기에 45,510 GWh를 생산했으며, 전년 대비 44,125 GWh에서 증가했습니다. 이에 따라 가동률은 95%로 전년 대비 97.2%에서 감소했습니다. Constellation Energy의 계획된 재연료 보수일은 37일로 늘었으며, 비보수 보수일은 20일로 두 배가 되었습니다.

결론 

원자력은 높은 신뢰성과 작은 토지 발자국을 제공하는 강력하고 청정한 에너지원입니다. 하지만 심각한 원자력 발전소 사고가 사람들 사이에 두려움을 만들었습니다. 원자력 발전소의 안전성과 장기 수명에 핵심적인 요소는 건설에 사용되는 콘크리트이며, 이는 건물 전반에 사용됩니다. 

콘크리트는 비교적 저렴하고 견고하며 내구성이 뛰어나 다양한 구조물로 쉽게 주조할 수 있고, 방사선 차폐에 좋은 특성을 가지고 있어 방사선 차폐 응용 분야에서 인기가 높습니다. 

연구들은 방사선이 콘크리트 구조적 무결성에 미치는 영향을 탐구했지만, 최신 연구는 방사선 효과를 검증하고 이 재료의 보호 능력에 대한 더 명확한 이해를 제공합니다.

예를 들어, 높은 중성자 플럭스가 더 높은 팽창 속도를 초래하고, 입자 크기 의존성이 특히 높은 중성자 플루언스 범위에서 치유 메커니즘이 존재함을 시사합니다. 

이러한 통찰을 바탕으로 연구는 기존 원자로의 안전성을 향상시키고 차세대 원자력 발전소를 구축하는 데 도움이 되는 보다 회복력 있는 구조물을 개발할 수 있습니다.

상위 원자력 주식 목록을 보려면 여기를 클릭하십시오.

연구 참고문헌:

^{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 2025년 1월, 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