Moderne reaktorer kan dra nytte av nye innsikter i betong

Det mest essensielle materialet i bygging er betong. Den er holdbar, allsidig og sterk. Ikke bare kan betong holde seg stabil i mange år, formes til ulike former og størrelser, og tåle tøffe værforhold men den kan også motstå vibrasjoner og støt, er brannfri, rimelig, og bidrar til å opprettholde en behagelig temperatur inne i bygninger.

Alle disse fantastiske egenskapene til betong gjør den til et verdifullt byggemateriale som brukes til å bygge alle slags strukturer, inkludert veier, broer, dammer, tunneler, fundamenter, søyler, vegger, plater, innkjørsler og terrasser.

Gitt viktigheten av betong i bygging av infrastruktur, forventes betongmarkedets størrelse å overstige $972 billion innen slutten av dette tiåret. 

Rask urbanisering og industrialisering sammen med økte offentlige utgifter til utvikling og gjenoppbygging av infrastruktur driver denne veksten. En økning i bruk av miljøvennlige materialer for byggkonstruksjon og de høye oppstartskostnadene for anlegg fungerer imidlertid som en begrensning for dette markedet. 

Når det gjelder betongtype, dominerer segmentet med ferdigblandet betong markedet. Denne blandingen er kostnadseffektiv og produseres i partier på et sentralt anlegg i stedet for å bli blandet på byggeplassen. Samtidig leder segmentet med armert betong markedet når det gjelder anvendelse.

Betong for å hjelpe med å oppnå dekarbonisering

Nå spiller dette essensielle og populære byggematerialet også en rolle i å hjelpe oss med å oppnå dekarbonisering gjennom kjernekraftverk. Denne menneskeskapte blandingen av sement, vann og tilslag som sand fungerer faktisk som det primære byggematerialet for reaktorinnkapsling og skjerming.

Betong er et rimelig materiale som gir beskyttelse mot gammastråler og nøytroner. Dens vanninnhold og høye tetthet er det som gjør den så mye brukt til strålingsskjerming.

Men mens ingeniører har utviklet formler for å bestemme optimal skjermingstykkelse for strålingsbeskyttelse, tar de ikke hensyn til effektene av strålingsskade. Og betongens langsiktige holdbarhet er kritisk for å drive disse kjernekraftverkene trygt.

Strålingsskadeprosessen er ganske enkelt ikke forstått godt ennå. Så, det er avgjørende at vi løser dette problemet hvis vi vil utnytte kjernekraft, som kan hjelpe oss med å oppnå en karbonnøytral verden. 

Kjernekraft er en lavkarbon energikilde som kan bidra til å bekjempe klimaendringer. Den gir oss en pålitelig strømkilde uavhengig av vær, noe fornybare energikilder som vind og solenergi sliter med. Kjernekraft anses til og med som tryggere enn sol- og vindkraft. 

Dessuten har kjernekraftstoff høy energitetthet og et lite landareal, samtidig som det beskytter luftkvaliteten siden det ikke er noen skadelige utslipp.

Kjernekraft er en viktig del av den totale energiproduksjonen globalt, og bidrar med rundt 12 % av verdens elektrisitet. I Europa dekkes 30 % av strømbehovet av kjernekraft, mens fossile brensler står for 40 % og resten av andelen består av fornybare energikilder. 

Samtidig er USA den største produsenten av kjernekraft i verden, med en 30% andel av den globale kjernekraftproduksjonen. I 2022 genererte landets kjernekraftverk 772 TWh, 18 % av total elektrisk produksjon.

Til tross for mange fordeler har ulykker som Tsjernobyl og Fukushima skapt frykt. Som et resultat av dette har Italia og Tyskland permanent stengt alle sine kjernekraftverk. 

Imidlertid, gitt behovet for ren og bærekraftig energi og at kjernekraft er en nullutslipps ren energikilde, er det viktig å finne måter å forbedre kostnadseffektiviteten, påliteligheten og sikkerheten som vil redusere folks frykt for denne teknologien samt øke deres mottakelighet. Dette er hvor betong kommer inn i bildet.

Klikk her for å lære hva som gjør betong til et kritisk materiale og hvordan vi kan overvinne dens svakheter.

Betongs avgjørende rolle i kjernekraft

Et kjernekraftanlegg bruker en kjernefysisk reaktor som sin primære varmekilde og utnytter den varmen til å generere damp, som driver en dampturbin koblet til en generator. På grunn av den iboende radioaktiviteten i kjernefysisk fisjon, er det kritisk at reaktorkjernen er innkapslet i et beskyttende skall. Dette demper effektivt spredning av stråling og hindrer utslipp av radioaktive stoffer i miljøet.

Disse reaktorkapslingene er laget av betong, som også brukes til strukturelle fundamenter og primære biologiske skjold for reaktorene. Så for å drive kjernekraftanlegg på lang sikt, er det nødvendig at vi utfører integritetsanalyse av betongkonstruksjoner. Tross alt må betong i kjernekraftverk tåle alvorlig og langvarig eksponering for γ‑stråleirradiasjon, nøytronstråling og ekstremt høye temperaturer.

Dette er noe konvensjonelle strukturer ikke opplever, noe som betyr at all evaluering av armert betongs ytelse i generelle bygningstekniske strukturer og bygninger ikke egentlig kan hjelpe her. Derfor trenger vi kunnskap som er spesifikk for kjernekraftindustrien. 

I tillegg er det en stor utfordring med materialendringer som fører til nedbrytning av betongkonstruksjoner i kjernekraftverk. Disse alkali-silikareaksjonene, ekspansjon og forsinket ettringitdannelse skyldes nøytronamorfisering av berggrunnsmineraler i tilslag. Så dette er enda en grunn til å vurdere betong spesifikt i kjernekraftverk.

Dette er imidlertid ikke noe nytt. Forskere har lenge undersøkt strålingens påvirkning på betongs strukturelle integritet. Men ny forskning har avdekket de dypere detaljene om strålingens effekt på betongekspansjon.

Avansert betongforskning med fokus på kjernekraftverk

Publisert i Science Direct har studien av forskere ved Universitetet i Tokyo, blant andre, avdekket detaljer om strålingens effekt på betongekspansjon¹. De kan faktisk demonstrere nøyaktig hvilke betongegenskaper som påvirker dens strukturelle egenskaper når den utsettes for ulike nivåer av nøytronstråling.

For å takle den betydelige bekymringen om betongtilslagsekspansjon forårsaket av stråling, er forståelse av følsomheten til berggrunnsmineraler, spesielt kvarts, for nøytronstråling svært viktig.

Dette skyldes at kvarts er ett av de vanligste mineralene som finnes i nesten alle bergarter. I tillegg har eksperimenter i forskningsreaktorer vist at kvarts kan utvide seg med opptil 18 % i volum.

Nyere studier viser også at mens sementpasta krymper og får styrke under nøytronirradiasjon, utvider berggrunnsmineraler seg, noe som fører til sprekkdannelse i tilslagene. Dette fører til tilslagssprengning, betongekspansjon og nedgang i styrke og Youngs modul, som måler materialets evne til å motstå lengdeendringer under kompresjon.

Dermed undersøkte forskerne nøytronirradiasjonseffektene på ulike typer kvarts, inkludert sandstein, metakvart, granodioritt og syntetisk kvarts. Irradiasjonstemperaturene var her mellom 45 og 62 grader Celsius.

Ifølge forskningsresultatene kan kvartskrystaller i betong, spesielt, reparere seg selv. Den strålingsinduserte volumekspansjonen ble dempet av diffusjon av silisium (Si) eller oksygen (O) innenfor kvartsgranen, noe som skapte en strålingsindusert avslapning. Dette kan potensielt tillate noen reaktorer å operere lenger enn først antatt.

Klikk her for å lære om 3D‑printet betong kan bidra til å redde miljøet.

Forbedring av kjernekraftssikkerhet med betong

Betong er et komposittmateriale laget av flere forbindelser, som kan variere avhengig av faktorer som lokal geografi. Steinaggregeringen, en viktig komponent i betong, kan være svært variert, men likevel «stein inneholder ofte kvarts».

Kvarts finnes i andesitt, granodioritt (GR), sandstein (SS) og flere andre bergarter, noe som betyr at nøytronirradiasjon kan forårsake svelling av tilslag og påfølgende betongnedbrytning i skjermvegger samt strukturer som er utsatt for høy nøytronstråling.

Dette betyr at det er viktig å få en bedre forståelse av hvordan kvarts endres under ulike strålingsbelastninger. I dette arbeidet bemerket professor Ippei Maruyama fra arkitekturutdanningen at:

“[Det] kan hjelpe oss med å forutsi hvordan betong også bør oppføre seg generelt.”

Imidlertid er studiet av nøytronstrålingsindusert nedbrytning verken enkelt eller billig. Det er faktisk et kostbart forskningsområde, noe som gjør omfattende forskning vanskelig. Forskningsgruppen har jobbet med dette de siste sytten årene, og har utviklet strategier som har kulminert i nylige eksperimenter hvor forskere bruker røntgendiffraksjon for å utforske irradiert kvartskrystaller.

En av tingene teamet undersøkte er de to egenskapene ved nøytronstråling – den totale dosen prøvene mottar og fluxen, som er hastigheten dosen mottas med.

Teamet fant at ekspansjonsraten i en kvartskrystall er i samsvar med doseraten; hvis hastigheten var høyere, var også ekspansjonsmengden langt høyere, og omvendt.

“Oppdagelsen av flux‑effekten indikerer ikke bare at nøytronstråling forvrenger krystallstrukturen, noe som forårsaker amorfisering og ekspansjon, men også at det finnes et fenomen hvor de forvrengte krystallene gjenopprettes og ekspansjonen reduseres, dermed gir en lavere hastighet mer tid til helbredelse.”

– Maruyama

Dette fenomenet ble også funnet å avhenge av mineralkrystallens størrelse i betong. Større krystallkorn viste mindre ekspansjon, noe som antyder en størrelsesavhengig effekt. 

Nedbrytning av betong på grunn av nøytroner er for tiden en bekymring, men som funnene viser kan dette medføre mindre ekspansjon enn tidligere antatt. Som et resultat kan nedbrytningen være mindre alvorlig enn forventet, og dermed «gjør det mulig for kjernekraftverk å operere tryggere over lengre perioder», uttalte Maruyama. 

Med denne forskningen er målet å bidra til valg av materialer og design av betong for fremtidige kjernekraftverk. Videre kan den gi verdifull innsikt i stabiliteten og holdbarheten til uorganiske materialer som brukes i rombaserte strukturer for utenomjordisk bygging både i jordens bane og utover.

I neste steg har teamet som mål å takle utfordringer i forståelsen av ekspansjonsatferden til ulike berggrunnsmineraler. Dette vil bidra til å klargjøre ekspansjonsmekanismene ytterligere og utvikle evnen til å forutsi ekspansjon av tilslag basert på deres materialegenskaper og miljøforhold.

Forskningsgruppen planlegger også å kunne forutsi hvordan sprekker dannes basert på mineralekspansjon.

Fremme av strålingsskjermende betong

Gitt den viktige rollen betong spiller i å beskytte mot skadelig ioniserende stråling på tvers av ulike anvendelser, inkludert medisinske fasiliteter, forskningslaboratorier, militæret og kjernekraftverk, har materialet blitt gjenstand for omfattende forskning.

I fjerde kvartal i fjor foretok internasjonale forskere en grundig undersøkelse av strålingsskjermende betong (RSC), som har vist seg å være essensiell for å sikre sikkerhet og støtte den gunstige bruken av stråling i ulike felt.

En slik forskning² publisert i november bemerket at strålingsskjermende betong, laget av sement, vann og tunge tilslag, har evnen til å bære gravitasjonsbelastninger, tilfeldige belastninger som jordskjelvkrefter, og tornado‑genererte prosjektiler gjennom hele levetiden.

Aggregatene som hovedsakelig brukes i RSC inkluderer baritt, hematitt, magnetitt og kolemanitt. Inkorporering av slike tette naturlige aggregater øker materialets tetthet og forbedrer effektiviteten til RSC i både medisinske og nukleære anvendelser.

Det er ved å forbedre noen egenskaper ved armert betong for å svekke stråling at RSC har blitt et typisk valg for strålingsskjerming og beskyttelse.

En annen studie³ publisert på den tiden undersøkte forbedring av den vanlige og barittbetongens effektivitet i strålingsskjerming ved å bruke ulike typer aggregater.

Studiefunnene, som viser at tettere betong gir bedre beskyttelse sammenlignet med lavere tetthetsvarianter, understreker den viktige rollen materialtetthet spiller for å forbedre strålingsskjermingseffektiviteten. Her viste barittbetong større skjermingsegenskaper på grunn av sin høyere lineære dempingskoeffisient, som måler hvor lett et materiale absorberer eller spalter en energistråle.

For å oppnå høy tetthet i RSC, erstattet forskere vanlige betongaggregater med kvarts, tunge mineraler som zirkon og flyveaske, samt kunstige aggregater som hydreret jernmalm, jernavfall, tinnavfall, bauksitt, galena, bismutoksid og resirkulerte aggregater.

Bruk av høy‑tetthetsbetong som strålingsskjerming kan redusere tykkelsen på RSC med nesten 40 % sammenlignet med vanlig betong, samtidig som den opprettholder bæreevnen.

Studiene etterspør ytterligere forskning på betongs langsiktige holdbarhet under kontinuerlig strålingseksponering, inkludert vurdering av potensiell kumulativ skade over lengre perioder for bedre innsikt i hvordan materialene holder seg over tid.

Effekter av miljøfaktorer som temperatur, fuktighet og kjemisk eksponering på betongs strålingsskjermende egenskaper må også undersøkes for å simulere virkelige forhold og forstå deres innvirkning på betongs effektivitet som skjermingsmateriale.

Relevante selskaper 

La oss nå se på fremtredende navn innen betong- og kjernekraftsektoren: 

1. Vulcan Materials Company (VMC )

Dette er produsenten av aggregatbaserte byggematerialer og en stor leverandør av ferdigblandet betong og asfalt. Vulcan Materials’ segmenter inkluderer aggregater, asfalt, betong og kalsium, som produserer kalsiumprodukter for dyrefôr- og vannbehandlingsindustrien.

Den har en markedsverdi på $35,8 milliarder med VMC-aksjer som handles til $270,16, opp 5,42 % år‑til‑dato. Selskapets EPS (TTM) er 6,40, P/E‑forholdet (TTM) er 42,36, og utbytteavkastningen er 0,68 %.

For kvartalet som endte 30. september 2024, hadde selskapet en inntekt på $2 milliarder, ned 8,3 % fra 3Q23. Nettoresultatet var $208,9 millioner mens fortjenestemarginen var 10 % og EPS var $1,58. Selskapet betalte $61 millioner i utbytte til aksjonærene. I denne perioden kjøpte Vulcan Materials opp Wake Stone Corporation for å utvide sin tilstedeværelse i høy‑vekstområder i Carolinas.

«Mens betydelige værforstyrrelser har påvirket byggeaktiviteten gjennom de første ni månedene av året, fortsetter de overordnede etterspørselsgrunnlagene å støtte langsiktig vekst.»

– CEO Tom Hill

2. Constellation Energy (CEG )  

Dette selskapet fokuserer på rene energiløsninger gjennom sine kjernekraft-, vannkraft-, vind- og solenergianlegg, som har kapasitet til å forsyne omtrent 16 millioner hjem. Constellation Energy produserer omtrent 10 % av den karbonfrie energien i USA.

Den har en markedsverdi på $95,8 milliarder med CEG-aksjer som handles til $307,83, opp nesten 37 % år‑til‑dato. Selskapets EPS (TTM) er 9,06, P/E‑forholdet (TTM) er 33,81, og utbytteavkastningen er 0,46 %.

I tredje kvartal 2024 så selskapet en inntjening på $1,2 milliarder, opp fra $731 millioner i 3Q23. Omsetningen økte også med 7,2 % til $6,55 milliarder. GAAP-nettoresultatet for kvartalet var $3,82 per aksje og justert driftsresultat var $2,74 per aksje. Merkverdig signerte Constellation Energy en 20‑års kraftkjøpsavtale med Microsoft for å støtte deres Crane Clean Energy Center.

Selskapets kjernekraftflåte produserte 45 510 GWh i dette kvartalet – en økning fra 44 125 GWh år‑til‑år. Med dette oppnådde den en kapasitetsfaktor på 95 %, som falt fra 97,2 % år‑til‑år. Constellation Energys planlagte omlastningsstansdager økte til 37, og ikke‑omlastningsstansdager doblet seg til 20.

Konklusjon 

Kjernekraft er en kraftig og ren energikilde som tilbyr høy pålitelighet og et lite fotavtrykk. Men alvorlige kjernekraftverkulykker har skapt frykt blant folk. Et kritisk aspekt ved sikkerheten og levetiden til kjernekraftverk ligger i materialene som brukes i deres konstruksjon, nemlig betong som brukes gjennom hele bygningene. 

Betong er et relativt billig, robust og holdbart materiale som enkelt kan støpes til ulike strukturer og har gode skjermende egenskaper mot stråling, noe som gjør den til et populært valg for strålingsskjermingsapplikasjoner. 

Mens studier har undersøkt strålingens påvirkning på betongs strukturelle integritet, bekrefter den nyeste forskningen strålingseffektene og gir enda klarere innsikt i dette materialets beskyttelseskapasitet.

For eksempel viser observasjonen av en klar flux‑avhengighet, med høyere nøytronflux som resulterer i høyere ekspansjonsrate, og kornstørrelsesavhengighet, spesielt i høyere nøytronfluensområde, at det finnes en helbredelsesmekanisme underliggende strålingsindusert volumekspansjon.

Med innsikter som disse kan forskning bidra til å utvikle mer motstandsdyktige strukturer for å forbedre sikkerheten til eksisterende reaktorer samt bygge neste generasjons kjernekraftverk, og dermed forme en levedyktig og trygg fremtid.

Klikk her for en liste over de beste kjernekraftaksjene.

Studierreferanse:

^{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 januar 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