Moderne reactoren kunnen profiteren van nieuwe inzichten in beton

Het meest essentiële materiaal in de bouw is beton. Het is duurzaam, veelzijdig en sterk. Niet alleen kan beton jarenlang stabiel blijven, in verschillende vormen en maten worden gegoten en extreme weersomstandigheden weerstaan, maar het kan ook trillingen en schokken weerstaan, is niet brandbaar, goedkoop en helpt een comfortabele temperatuur binnen gebouwen te behouden.

Al deze geweldige eigenschappen van beton maken het een waardevol bouwmateriaal dat wordt gebruikt om allerlei verschillende constructies te bouwen, waaronder wegen, bruggen, dammen, tunnels, funderingen, pilaren, muren, platen, oprijlanen en terrassen.

Aangezien beton van cruciaal belang is voor de bouw van infrastructuur, wordt verwacht dat de betongroottemarkt tegen het einde van dit decennium de $972 billion zal overschrijden.

Snelle verstedelijking en industrialisatie, samen met een toename van overheidsuitgaven voor ontwikkeling en wederopbouw van infrastructuren, stimuleren deze groei. Een toename in de adoptie van milieuvriendelijke materialen voor de bouw, en de hoge initiële installatiekosten van fabrieken, vormen echter een belemmering voor deze markt.

Als het gaat om betontype, domineert het segment van prefabbeton de markt. Deze mix is immers kosteneffectief en wordt in batches geproduceerd in een centrale fabriek in plaats van ter plaatse te worden gemengd. Ondertussen leidt het segment van gewapend beton de markt qua toepassing.

Beton om decarbonisatie te realiseren

Nu speelt dit essentiële en populaire bouwmateriaal ook een rol bij het helpen realiseren van decarbonisatie via kernenergiecentrales. Dit door de mens gemaakte mengsel van cement, water en aggregaten zoals zand, dient eigenlijk als het primaire bouwmateriaal voor reactorbehuizing en afscherming.

Beton is een betaalbaar materiaal dat bescherming biedt tegen gammastralen en neutronen. Het watergehalte en de hoge dichtheid ervan maken het zo veelgebruikt voor stralingsbescherming.

Maar terwijl ingenieurs formules hebben ontwikkeld om de optimale dikte van afscherming voor radiobeschermingsdoeleinden te bepalen, houden ze geen rekening met de effecten van stralingsschade. En de langdurige bestendigheid van beton is cruciaal om deze kernenergiecentrales veilig te laten functioneren.

Het proces van stralingsschade is simpelweg nog niet goed begrepen. Daarom is het cruciaal dat we dit probleem aanpakken als we willen profiteren van kernenergie, die ons kan helpen een koolstofneutrale wereld te bereiken.

Kernenergie is een koolstofarme energiebron die kan helpen de klimaatverandering te bestrijden. Het biedt ons een betrouwbare elektriciteitsbron ongeacht het weer, iets waar hernieuwbare energiebronnen zoals wind en zonne-energie moeite mee hebben. Kernenergie wordt zelfs als veiliger beschouwd dan zonne- en windenergie.

Bovendien heeft kernbrandstof een hoge energiedichtheid en een kleine landoppervlakte, terwijl het de luchtkwaliteit beschermt omdat er geen schadelijke emissies zijn.

Kernenergie is een belangrijk onderdeel van de wereldwijde totale energieopwekking, goed voor ongeveer 12 % van de wereldwijde elektriciteit. In Europa wordt 30 % van de elektriciteitsvraag gedekt door kernenergie, terwijl fossiele brandstoffen 40 % uitmaken en de rest van het aandeel wordt gevormd door hernieuwbare energie.

Tegelijkertijd is de VS de grootste producent van kernenergie ter wereld, met een aandeel van 30 % van de wereldwijde nucleaire elektriciteit. In 2022 genereerden de nucleaire reactoren van het land 772 TWh, wat 18 % van de totale elektriciteitsproductie is.

Ondanks vele voordelen hebben ongevallen zoals Tsjernobyl en Fukushima angst gecreëerd. Als gevolg daarvan hebben Italië en Duitsland al hun kernenergiecentrales permanent gesloten.

Echter, gezien de noodzaak voor schone en duurzame energie en kernenergie als een emissievrije schone energiebron, is het belangrijk manieren te vinden om de kosteneffectiviteit, betrouwbaarheid en veiligheid te verbeteren, zodat de angsten van mensen ten aanzien van deze technologie worden verminderd en hun bereidheid om deze te accepteren wordt vergroot. Hier komt beton in beeld.

Klik hier om te leren wat beton een cruciaal materiaal maakt en hoe we zijn tekortkomingen kunnen overwinnen.

Cruciale rol van beton in kernenergie

Een kerninstallatie gebruikt een kernreactor als primaire warmtebron en zet die warmte om in stoom, die een stoomturbine aandrijft die op zijn beurt een generator aandrijft. Vanwege de inherente radioactiviteit van kernsplijting is het cruciaal dat de reactorkern wordt omgeven door een beschermende omhulling. Dit beperkt effectief de verspreiding van straling en voorkomt de uitstoot van radioactieve stoffen in het milieu.

Deze reactorbehuizingen zijn gemaakt van beton, dat ook wordt gebruikt voor structurele funderingen en primaire biologische afschermingen voor de reactoren. Dus, om kerninstallaties op de lange termijn te exploiteren, is het noodzakelijk dat we de integriteitsanalyse van betonnen constructies uitvoeren. Tenslotte moet beton in kerncentrales onderhevig zijn aan zware en langdurige blootstelling aan γ‑straling, neutronenstraling en extreem hoge temperaturen.

Dit is iets wat conventionele constructies niet ondervinden, wat betekent dat alle evaluaties van de prestaties van gewapende betonnen componenten in algemene civiele bouwconstructies en gebouwen hier niet echt kunnen helpen. Daarom hebben we kennis nodig die specifiek is voor de nucleaire industrie.

Bovendien is er een grote uitdaging van materiaalaanpassingen die leiden tot degradatie van betonnen constructies in kerncentrales. Deze alkali‑silica reacties, uitzetting en vertraagde ettringietvorming zijn het gevolg van neutronamorfisatie van gesteentevormende mineralen in aggregaten. Dit is dus nog een reden om beton specifiek te beoordelen in kerncentrales.

Dit is echter niets nieuws. Onderzoekers bestuderen al lange tijd de impact van straling op de structurele integriteit van beton. Maar nieuw onderzoek heeft de diepere details van het effect van straling op betonuitzetting onthuld.

Geavanceerd betonnen onderzoek gericht op kerncentrales

Gepubliceerd in Science Direct heeft de studie van onderzoekers van de Universiteit van Tokio, onder anderen, details onthuld over het effect van straling op betonuitzetting. Ze kunnen daadwerkelijk aantonen welke betoneigenschappen de structurele kenmerken beïnvloeden wanneer ze worden blootgesteld aan verschillende niveaus van neutronenstraling.

Om de aanzienlijke zorg over betonaggregaatuitzetting veroorzaakt door straling aan te pakken, is het zeer belangrijk om de gevoeligheid van gesteentevormende mineralen, met name kwarts, voor neutronenstraling te begrijpen.

Dit komt omdat kwarts een van de meest voorkomende mineralen is die in bijna alle gesteentetypen voorkomt. Bovendien hebben experimenten in onderzoeksreactoren aangetoond dat kwarts tot wel 18 % in volume kan uitzetten.

Recente studies tonen ook aan dat terwijl cementpasta’s krimpen en sterkte winnen onder neutronenbestraling, gesteentevormende mineralen uitzetten, wat leidt tot het ontstaan van scheuren binnen de aggregaten. Dit leidt tot scheuren in de aggregaten, betonuitzetting en een afname van de stevigheid en de Young‑modulus, die het vermogen van een materiaal meet om veranderingen in lengte onder compressie te weerstaan.

Daarom hebben de onderzoekers de effecten van neutronenbestraling op verschillende soorten kwarts onderzocht, waaronder zandsteen, metachert, granodioriet en synthetisch kwarts. De bestralingstemperaturen varieerden hier van 45 tot 62 graden Celsius.

Volgens onderzoeksresultaten kunnen kwarts kristallen in beton, in het bijzonder, zichzelf herstellen. De door straling veroorzaakte volumetoename werd gemitigeerd door diffusie van silicium (Si) of zuurstof (O) binnen het kwarts korrel, waardoor een door straling geïnduceerde ontspanning ontstaat. Dit zou potentieel sommige reactoren in staat kunnen stellen langer te draaien dan aanvankelijk werd gedacht.

Klik hier om te leren of 3D‑geprint beton kan helpen het milieu te redden.

Verbeteren van nucleaire veiligheid met beton

Beton, een composietmateriaal, bestaat uit meerdere verbindingen, die kunnen variëren afhankelijk van factoren zoals de lokale geografie. Het rotsaggregaat, een belangrijk onderdeel van beton, kan bijzonder divers zijn, maar toch: “rots bevat vaak kwarts”.

Kwarts wordt gevonden in andesiet, granodioriet (GR), zandsteen (SS) en verschillende andere gesteenten, wat betekent dat neutronenbestraling zwelling van het aggregaat en opeenvolgende betondegradatie kan veroorzaken in afschermingswanden evenals in structuren die worden blootgesteld aan een hoge neutronenflux.

Dit betekent dat het belangrijk is een beter begrip te krijgen van hoe kwarts verandert onder verschillende stralingsbelastingen. Daarbij merkte professor Ippei Maruyama van de afdeling Architectuur op:

“[Het] kan ons helpen voorspellen hoe beton zich in het algemeen ook moet gedragen.”

Echter, het bestuderen van door neutronenstraling veroorzaakte degradatie is niet eenvoudig of goedkoop. Het is eigenlijk een kostbaar onderzoeksgebied, waardoor uitgebreid onderzoek moeilijk is. Het onderzoeksteam werkt hier al zeventien jaar aan en heeft strategieën ontwikkeld die hebben geleid tot recente experimenten waarin onderzoekers röntgendiffractie gebruiken om bestraalde kwarts kristallen te onderzoeken.

Een van de zaken die het team onderzocht, zijn de twee eigenschappen van neutronenstraling — de totale dosis die de monsters ontvangen en de flux, die de snelheid aangeeft waarmee de dosis wordt ontvangen.

Het team ontdekte dat de uitzettingssnelheid in een kwarts kristal in overeenstemming is met de dosisflux; als de flux hoger was, was de uitzetting ook veel groter, en omgekeerd.

De ontdekking van het flux‑effect geeft niet alleen aan dat neutronenstraling de kristalstructuur vervormt, wat leidt tot amorfisatie en uitzetting, maar ook dat er een fenomeen bestaat waarbij de vervormde kristallen herstellen en de uitzetting afneemt, waardoor een lagere flux meer tijd biedt om te genezen.

– Maruyama

Dit fenomeen bleek ook afhankelijk te zijn van de grootte van mineraalkristallen binnen beton. Grotere kristalgranen vertoonden minder uitzetting, wat wijst op een grootte‑afhankelijk effect.

De degradatie van beton door neutronen is momenteel een punt van zorg, maar zoals de bevindingen aantonen, kan de uitzetting minder zijn dan voorheen werd gedacht. Als gevolg hiervan kan de degradatie minder ernstig zijn dan verwacht, waardoor, zoals Maruyama stelde, “kerncentrales veiliger over langere periodes kunnen opereren”.

Met dit onderzoek is het idee bij te dragen aan de selectie van materialen en het ontwerp van beton voor toekomstige kerncentrales. Bovendien kan het waardevolle inzichten bieden in de stabiliteit en duurzaamheid van anorganische materialen die worden gebruikt in ruimtegebaseerde structuren voor buitenaardse constructie, zowel in de baan om de aarde als daarbuiten.

In de volgende stap wil het team de uitdagingen aanpakken bij het begrijpen van het uitzettingsgedrag van verschillende gesteentevormende mineralen. Dit zal helpen de uitzettingsmechanismen verder te verduidelijken en de mogelijkheid te ontwikkelen om de uitzetting van aggregaten te voorspellen op basis van hun materiaaleigenschappen en omgevingscondities.

Het onderzoeksteam is ook van plan om de manier waarop scheuren ontstaan op basis van mineraaluitzetting te kunnen voorspellen.

Vooruitgang in stralingsbeschermend beton

Aangezien beton een cruciale rol speelt bij het beschermen tegen schadelijke ioniserende straling in diverse toepassingen, waaronder medische faciliteiten, onderzoekslaboratoria, militaire toepassingen en kerncentrales, is het materiaal uitgebreid onderzocht.

In het laatste kwartaal van vorig jaar hebben internationale onderzoekers diepgaand onderzoek gedaan naar stralingsbeschermend beton (RSC), waarvan is vastgesteld dat het essentieel is voor het waarborgen van veiligheid en het ondersteunen van het gunstige gebruik van straling in verschillende sectoren.

Een dergelijk onderzoek, gepubliceerd in november, merkte op dat stralingsbeschermend beton, gemaakt van cement, water en zware aggregaten, in staat is om zwaartekrachtsbelastingen, incidentele belastingen zoals aardbevingskrachten en door tornado’s gegenereerde projectielen gedurende de levensduur te dragen.

De aggregaten die voornamelijk in RSC worden gebruikt, omvatten bariet, hematiet, magnetiet en colemaniet. Het opnemen van zulke dichte natuurlijke aggregaten verhoogt de dichtheid van het materiaal en verbetert de effectiviteit van RSC in zowel medische als nucleaire toepassingen.

Door enkele eigenschappen van gewapend beton te verbeteren om straling te verzwakken, is RSC een typische keuze geworden voor stralingsbescherming en -afscherming.

Een andere studie, gepubliceerd rond die tijd, onderzocht het verbeteren van de efficiëntie van gewoon en barietbeton in stralingsbescherming door verschillende soorten aggregaten te gebruiken.

De bevindingen van de studie, die stellen dat dichter beton betere bescherming biedt dan varianten met lagere dichtheid, benadrukken de sleutelrol van materiaaldichtheid bij het verbeteren van de effectiviteit van stralingsbescherming. Hier toonde barietbeton grotere afschermings eigenschappen vanwege zijn hogere lineaire attenuatiecoëfficiënt, die meet hoe gemakkelijk een materiaal een energiebundel absorbeert of verstrooit.

Om een hoge dichtheid van RSC te bereiken, vervingen onderzoekers gewone betongeaggregaten door kwarts, zware mineralen zoals zircon en vliegas, en kunstmatige aggregaten zoals hydratisch ijzererts, ijzerafval, tin slib, bauxiet, galena, bismutoxide en gerecyclede aggregaten.

Het gebruik van hoogdichtheid beton als stralingsbescherming kan de dikte van RSC met bijna 40 % verminderen ten opzichte van gewoon beton, terwijl de draagcapaciteit behouden blijft.

De studies roepen op tot verder onderzoek naar de langdurige duurzaamheid van beton onder continue stralingsblootstelling, inclusief het beoordelen van mogelijke cumulatieve schade over langere periodes voor beter inzicht in hoe de materialen zich over tijd houden.

Effecten van omgevingsfactoren zoals temperatuur, vochtigheid en chemische blootstelling op de stralingsbeschermende eigenschappen van beton moeten ook worden onderzocht om realistische omstandigheden te simuleren en hun impact op de effectiviteit van beton als afschermingsmateriaal te begrijpen.

Relevante bedrijven 

Laten we nu een kijkje nemen naar prominente namen in de beton- en kernenergiesector:

1. Vulcan Materials Company

Dit is de producent van op aggregaten gebaseerde bouwmaterialen en een belangrijke leverancier van prefabbeton en asfalt. De segmenten van Vulcan Materials omvatten aggregaten, asfalt, beton en calcium, die calciumproducten produceren voor de diervoeder- en waterzuiveringsindustrie.

Het heeft een marktkapitalisatie van $35,8 billion met VMC‑aandelen die handelen tegen $270,16, een stijging van 5,42 % YTD. De EPS (TTM) van het bedrijf is 6,40, de P/E (TTM) ratio is 42,36, en het dividendrendement is 0,68 %.

Voor het kwartaal eindigend op 30 september 2024 bedroeg de omzet van het bedrijf $2 billion, wat 8,3 % lager lag dan 3Q23. De nettowinst was $208,9 million terwijl de winstmarge 10 % bedroeg en de EPS $1,58 was. Het bedrijf leverde $61 million aan zijn aandeelhouders via dividenden. Gedurende deze periode heeft Vulcan Materials Wake Stone Corporation overgenomen om zijn bereik uit te breiden in snelgroeiende regio’s in de Carolinas.

“Hoewel aanzienlijke weersstoringen de bouwactiviteit gedurende de eerste negen maanden van het jaar hebben beïnvloed, blijven de onderliggende vraagfundamenten de langetermijngroei ondersteunen.”

– CEO Tom Hill

2. Constellation Energy   

Dit richt zich op schone energieoplossingen via zijn kern-, water-, wind- en zonne‑energiecentrales, die de capaciteit hebben om ongeveer 16 million huishoudens van stroom te voorzien. Constellation Energy (CEG ) produceert ongeveer 10 % van de koolstofvrije energie in de VS.

Het heeft een marktkapitalisatie van $95,8 billion met CEG‑aandelen die handelen tegen $307,83, een stijging van bijna 37 % YTD. De EPS (TTM) van het bedrijf is 9,06, de P/E (TTM) ratio is 33,81, en het dividendrendement is 0,46 %.

In Q3 van 2024 zag het bedrijf zijn winst uitkomen op $1,2 billion, een stijging ten opzichte van $731 million in 3Q23. De omzet steeg ook met 7,2 % tot $6,55 billion. De GAAP nettowinst voor het kwartaal bedroeg $3,82 per aandeel en de aangepaste operationele winst $2,74 per aandeel. Opmerkelijk is dat Constellation Energy een 20‑jarig stroomafnamecontract heeft getekend met Microsoft (MSFT ) om zijn Crane Clean Energy Center te ondersteunen.

De nucleaire vloot van het bedrijf produceerde tijdens dit kwartaal 45.510 GWh, een stijging ten opzichte van 44.125 GWh YoY. Daarmee bereikte het een capaciteitsfactor van 95 %, wat daalde van 97,2 % YoY. Het aantal geplande herlaadonderbrekingen van Constellation Energy steeg ondertussen tot 37 dagen en de niet‑herlaadonderbrekingen verdubbelden tot 20 dagen.

Conclusie 

Kernenergie is een krachtige en schone energiebron die hoge betrouwbaarheid en een kleine voetafdruk biedt. Maar ernstige ongevallen in kerncentrales hebben angst bij mensen veroorzaakt. Een cruciaal aspect van de veiligheid en levensduur van kerncentrales ligt in de materialen die bij de bouw worden gebruikt, namelijk beton dat door het hele gebouw wordt toegepast.

Beton is een relatief goedkoop, robuust en duurzaam materiaal dat gemakkelijk in verschillende constructies kan worden gegoten en beschikt over goede afschermings eigenschappen tegen straling, waardoor het een populaire keuze is voor stralingsbeschermings toepassingen.

Hoewel studies de impact van straling op de structurele integriteit van beton hebben onderzocht, bevestigt het nieuwste onderzoek de stralingseffecten en biedt het nog meer duidelijkheid over het beschermingsvermogen van dit materiaal.

Bijvoorbeeld, de observatie van een duidelijke fluxafhankelijkheid, waarbij een hogere neutronenflux resulteert in een hogere uitzettingssnelheid, en korrelgrootteafhankelijkheid, met name in het hogere neutronenfluencereik, duidt op het bestaan van een herstelmechanisme onderliggend aan straling‑geïnduceerde volumetoename.

Met dergelijke inzichten kan onderzoek helpen meer veerkrachtige structuren te ontwikkelen om de veiligheid van bestaande reactoren te verbeteren en om de volgende generatie kerncentrales te bouwen, waardoor een levensvatbare en veilige toekomst wordt gevormd.

Klik hier voor een lijst van top kernaandelen.

Studie Referentie:

^{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