Reatores Modernos Podem Se Beneficiar de Novas Percepções Sobre o Concreto

O material mais essencial na construção é o concreto. É durável, versátil e forte. Não apenas o concreto pode permanecer estável por muitos anos, ser moldado em diferentes formas e tamanhos, e suportar condições climáticas adversas mas também pode suportar vibrações e choques, é incombustível, barato e ajuda a manter uma temperatura confortável dentro dos edifícios.

Todas essas incríveis propriedades do concreto o tornam um material de construção valioso que é usado para construir todo tipo de estruturas diferentes, incluindo estradas, pontes, barragens, túneis, fundações, pilares, paredes, lajes, calçadas e pátios.

Dada a importância do concreto na construção de infraestruturas, espera‑se que o tamanho do mercado de concreto supere $972 billion até o final desta década. 

A rápida urbanização e industrialização, juntamente com o aumento dos gastos governamentais para desenvolvimento e reconstrução de infraestruturas, estão impulsionando esse crescimento. Um aumento na adoção de materiais ecologicamente corretos para construção e o alto custo inicial de instalação das fábricas, porém, atuam como restrição a esse mercado. 

Quando se trata de tipo de concreto, o segmento de concreto pré‑misturado domina o mercado. Essa mistura, afinal, é econômica e é fabricada em lotes em uma planta central, em vez de ser misturada no local de obra. Enquanto isso, o segmento de concreto armado lidera o mercado em termos de aplicação.

Concreto para Ajudar a Alcançar a Descarbonização

Agora, este material de construção essencial e popular também está desempenhando um papel em nos ajudar a alcançar a descarbonização por meio de usinas nucleares. Esta mistura artificial de cimento, água e agregados como areia, na verdade serve como o principal material de construção para o confinamento e blindagem de reatores.

O concreto é um material acessível que oferece proteção contra raios gama e nêutrons. Seu teor de água e alta densidade são o que o tornam tão amplamente usado para blindagem contra radiação.

Mas enquanto os engenheiros desenvolveram fórmulas para determinar a espessura ótima de blindagem para fins de radioproteção, eles não levam em conta os efeitos dos danos por radiação. E a permanência a longo prazo do concreto é crítica para operar essas usinas nucleares com segurança.

O processo de dano por radiação simplesmente ainda não é bem compreendido. Portanto, é crucial que corrijamos essa questão se quisermos aproveitar a energia nuclear, que pode nos ajudar a alcançar um mundo neutro em carbono. 

A energia nuclear é uma fonte de energia de baixo carbono que pode ajudar a combater as mudanças climáticas. Ela nos fornece uma fonte confiável de eletricidade independentemente do clima, algo com que fontes de energia renovável como vento e solar têm dificuldade. A energia nuclear é até considerada mais segura que a energia solar e eólica. 

Além disso, o combustível nuclear tem alta densidade energética e uma pequena pegada territorial, ao mesmo tempo em que protege a qualidade do ar, pois não há emissões nocivas.

A energia nuclear é uma parte fundamental da geração total de energia globalmente, contribuindo com cerca de 12% da eletricidade mundial. Na Europa, 30% da demanda de eletricidade é atendida por energia nuclear enquanto os combustíveis fósseis respondem por 40% e o restante da participação é composto por renováveis. 

Enquanto isso, os EUA são o maior produtor de energia nuclear do mundo, detendo uma participação de 30% da eletricidade nuclear global produzida. Em 2022, os reatores nucleares do país geraram 772 TWh, 18% da produção elétrica total.

Apesar de muitos benefícios, acidentes como Chernobyl e Fukushima criaram medo. Como resultado disso, Itália e Alemanha fecharam permanentemente todas as suas usinas nucleares. 

No entanto, dada a necessidade de ter energia limpa e sustentável e a energia nuclear sendo uma fonte de energia limpa sem emissões, é importante encontrar maneiras de melhorar a relação custo‑benefício, confiabilidade e segurança que reduzam o medo das pessoas em relação a essa tecnologia, bem como aumentem sua receptividade. É aqui que o concreto entra em cena.

Clique aqui para saber o que torna o concreto um material crítico e como podemos superar suas limitações.

Papel Crucial do Concreto na Energia Nuclear

Uma instalação nuclear usa um reator nuclear como sua principal fonte de calor e utiliza esse calor para gerar vapor, que aciona uma turbina a vapor conectada a um gerador. Devido à radioatividade inerente da fissão nuclear, é crítico que o núcleo do reator esteja encapsulado em uma casca protetora. Isso mitiga efetivamente a dispersão de radiação e impede a liberação de substâncias radioativas no ambiente.

Essas contenções de reatores são feitas de concreto, que também é usado para fundações estruturais e escudos biológicos primários dos reatores. Portanto, para operar instalações nucleares a longo prazo, é necessário que realizemos a análise de integridade das estruturas de concreto. Afinal, em usinas nucleares, o concreto deve suportar exposição severa e de longo prazo à irradiação de raios γ, radiação de nêutrons e temperaturas extremamente altas.

Isso é algo que estruturas convencionais não enfrentam, o que significa que toda a avaliação do desempenho de componentes de concreto armado em estruturas de engenharia civil e edifícios gerais não pode realmente ajudar aqui. Assim, precisamos de conhecimento específico para a indústria de energia nuclear. 

Além disso, há um grande desafio de alterações materiais que levam à degradação das estruturas de concreto em usinas nucleares. Essas reações álcalis‑sílica, expansão e formação tardia de ettringita são devidas à amorfização por nêutrons dos minerais formadores de rocha nos agregados. Portanto, essa é mais uma razão para avaliar especificamente o concreto em usinas nucleares.

Isso, no entanto, não é nada novo. Pesquisadores vêm investigando o impacto da radiação na integridade estrutural do concreto há muito tempo. Mas novas pesquisas revelaram detalhes mais profundos do efeito da radiação na expansão do concreto.

Pesquisa Avançada de Concreto Focada em Usinas Nucleares

Publicado na Science Direct, o estudo de pesquisadores da Universidade de Tóquio, entre outros, revelou detalhes do efeito da radiação na expansão do concreto¹. Eles podem realmente demonstrar quais propriedades do concreto afetam seus atributos estruturais quando expostos a diferentes níveis de radiação de nêutrons. 

Para abordar a preocupação significativa da expansão de agregados de concreto causada pela radiação, entender a sensibilidade dos minerais formadores de rocha, especialmente o quartzo, à radiação de nêutrons é muito importante.

Isso ocorre porque o quartzo é um dos minerais mais comuns encontrados em quase todos os tipos de rocha. Além disso, experimentos em reatores de pesquisa demonstraram que o quartzo pode expandir até 18% em volume. 

Estudos recentes também mostram que, enquanto as pastas de cimento encolhem e ganham resistência sob irradiação de nêutrons, os minerais formadores de rocha se expandem, levando ao início de fissuras dentro dos agregados. Isso leva à fissuração dos agregados, expansão do concreto e declínio na robustez e no módulo de Young, que mede a capacidade de um material de suportar mudanças de comprimento sob compressão.

Assim, os pesquisadores investigaram os efeitos da irradiação por nêutrons em diferentes tipos de quartzo, incluindo arenito, metacreta, granodiorito e quartzo sintético. As temperaturas de irradiação variaram de 45 a 62 graus Celsius.

De acordo com os resultados da pesquisa, os cristais de quartzo no concreto, em particular, podem se auto‑curar. A expansão de volume induzida por radiação foi mitigada pela difusão de silício (Si) ou oxigênio (O) dentro do grão de quartzo, criando um relaxamento induzido por radiação. Isso poderia potencialmente permitir que alguns reatores operem por mais tempo do que se pensava inicialmente.

Clique aqui para saber se o concreto impresso em 3D pode ajudar a salvar o meio ambiente.

Aprimorando a Segurança Nuclear com Concreto

Um material composto, o concreto é feito de múltiplos compostos, que podem variar dependendo de vários fatores, como a geografia local. O agregado rochoso, um componente principal do concreto, especificamente pode ser muito diverso, mas ainda assim, “a rocha frequentemente contém quartzo”.

O quartzo é encontrado em andesito, granodiorito (GR), arenito (SS) e várias outras rochas, o que significa que a irradiação por nêutrons pode causar inchaço do agregado e degradação subsequente do concreto em paredes de blindagem, bem como em estruturas que são expostas a alto fluxo de nêutrons.

Isso significa que é importante obter uma melhor compreensão de como o quartzo muda sob diferentes cargas de radiação. Ao fazer isso, o professor Ippei Maruyama, do Departamento de Arquitetura, observou que:

“[Ele] pode nos ajudar a prever como o concreto também deve se comportar em geral.”

No entanto, estudar a degradação induzida por radiação de nêutrons não é tão fácil ou barato. É realmente uma área de estudo custosa, o que dificulta pesquisas extensas. A equipe de pesquisa tem trabalhado nisso nos últimos dezessete anos, criando estratégias que culminaram em experimentos recentes nos quais os pesquisadores utilizam difração de raios X para explorar cristais de quartzo irradiados.

Uma das coisas que a equipe analisou são as duas propriedades da radiação de nêutrons — a dose total que as amostras recebem e o fluxo, que é a taxa na qual a dose é recebida. 

A equipe descobriu que a taxa de expansão em um cristal de quartzo está alinhada com a taxa de dose; se a taxa fosse maior, a quantidade de expansão também seria muito maior, e vice‑versa.

“A descoberta do efeito de fluxo indica não apenas que a radiação de nêutrons distorce a estrutura cristalina, causando amorfização e expansão, mas que também há um fenômeno em que os cristais distorcidos se recuperam e a expansão diminui, portanto, uma taxa mais baixa oferece mais tempo para a cura.”

– Maruyama

Este fenômeno também foi encontrado como dependente do tamanho dos cristais minerais dentro do concreto. Grãos de cristal maiores mostraram menos expansão, o que sugere um efeito dependente do tamanho.

A degradação do concreto devido a nêutrons é atualmente uma causa de preocupação, mas, como os achados mostram, isso pode apresentar menos expansão do que se acreditava anteriormente. Como resultado, a degradação pode ser menos severa do que o esperado, permitindo que as usinas nucleares operem com mais segurança por períodos mais longos,” afirmou Maruyama. 

Com esta pesquisa, a ideia é contribuir para a seleção de materiais e o design de concreto para futuras usinas nucleares. Além disso, pode fornecer insights valiosos sobre a estabilidade e durabilidade de materiais inorgânicos usados em estruturas espaciais para construções extraterrestres tanto na órbita da Terra quanto além.

Na próxima etapa, a equipe pretende enfrentar desafios na compreensão do comportamento de expansão de diferentes minerais formadores de rocha. Isso ajudará a esclarecer ainda mais os mecanismos de expansão e a desenvolver a capacidade de prever a expansão dos agregados com base em suas propriedades materiais e condições ambientais.

A equipe de pesquisa também planeja ser capaz de prever como as fissuras se formam com base na expansão dos minerais. 

Avançando o Concreto de Blindagem contra Radiação

Dado o papel vital que o concreto desempenha na proteção contra radiação ionizante nociva em várias aplicações, incluindo instalações médicas, laboratórios de pesquisa, militares e usinas nucleares, o material tem sido objeto de muita pesquisa.

No último trimestre do ano passado, pesquisadores internacionais aprofundaram-se no concreto de blindagem contra radiação (RSC), que se mostrou essencial para garantir a segurança e apoiar o uso benéfico da radiação em vários campos.

Uma tal pesquisa² publicada em novembro observou que o concreto de blindagem contra radiação, feito de cimento, água e agregados de alta densidade, tem a capacidade de suportar cargas gravitacionais, cargas incidentais como forças sísmicas e projéteis gerados por tornados ao longo de sua vida útil.

Os agregados principalmente usados no RSC incluem barita, hematita, magnetita e colemanita. Incorporar esses agregados naturais densos aumenta a densidade do material e aprimora a eficácia do RSC em aplicações médicas e nucleares. 

É ao melhorar algumas propriedades do concreto armado para atenuar a radiação que o RSC se tornou uma escolha típica para blindagem e proteção contra radiação.

Outro estudo³ publicado na mesma época investigou a melhoria da eficiência do concreto comum e de barita na blindagem contra radiação ao utilizar diferentes tipos de agregados.

Os resultados do estudo, que afirmam que concreto mais denso oferece melhor proteção em comparação com variantes de menor densidade, ressaltam o papel fundamental da densidade do material na melhoria da eficácia da blindagem contra radiação. Aqui, o concreto de barita mostrou maiores propriedades de blindagem devido ao seu coeficiente de atenuação linear mais alto, que mede quão facilmente um material absorve ou espalha um feixe de energia.

Para alcançar alta densidade do RSC, os pesquisadores substituíram os agregados de concreto comum por quartzo, minerais pesados como zircão e cinzas volantes, e agregados artificiais como minério de ferro hidratado, resíduos de ferro, escória de estanho, bauxita, galena, óxido de bismuto e agregados reciclados.

Usar concreto de alta densidade como blindagem contra radiação pode reduzir a espessura do RSC em quase 40% em comparação com concreto comum, mantendo ainda a capacidade de carga.

Os estudos pedem mais pesquisas sobre a durabilidade a longo prazo do concreto sob exposição contínua à radiação, incluindo a avaliação de possíveis danos cumulativos ao longo de períodos prolongados para obter melhor compreensão de como os materiais se mantêm ao longo do tempo. 

Efeitos de fatores ambientais como temperatura, umidade e exposição química nas propriedades de blindagem contra radiação do concreto também precisam ser investigados para simular condições reais e entender seu impacto na eficácia do concreto como material de blindagem.

Empresas Relevantes 

Agora, vamos dar uma olhada em nomes proeminentes no espaço de concreto e energia nuclear: 

1. Vulcan Materials Company

Esta empresa é produtora de materiais de construção baseados em agregados e um grande fornecedor de concreto pré‑misturado e asfalto. Os segmentos da Vulcan Materials incluem agregados, asfalto, concreto e cálcio, que produzem produtos de cálcio para as indústrias de ração animal e tratamento de água.

Ela tem uma capitalização de mercado de US$ 35,8 bilhões, com as ações VMC sendo negociadas a US$ 270,16, alta de 5,42% no ano. O EPS (TTM) da empresa é 6,40, seu índice P/E (TTM) é 42,36 e o rendimento de dividendos é 0,68%.

Para o trimestre encerrado em 30 de setembro de 2024, a receita da empresa foi de US$ 2 bilhões, uma queda de 8,3% em relação ao 3T23. O lucro líquido foi de US$ 208,9 milhões, enquanto a margem de lucro foi de 10% e o EPS foi US$ 1,58. A empresa entregou US$ 61 milhões aos acionistas por meio de dividendos. Durante esse período, a Vulcan Materials adquiriu a Wake Stone Corporation para expandir sua presença em geografias de alto crescimento nas Carolinas. 

“Embora interrupções climáticas significativas tenham impactado a atividade da construção nos primeiros nove meses do ano, os fundamentos da demanda geral continuam a sustentar o crescimento a longo prazo.”

– CEO Tom Hill

2. Constellation Energy   

Esta empresa foca em soluções de energia limpa por meio de suas instalações de geração nuclear, hidroelétrica, eólica e solar, que têm capacidade para abastecer cerca de 16 milhões de residências. A Constellation Energy (CEG ) produz cerca de 10% da energia livre de carbono nos EUA.

Ela tem uma capitalização de mercado de US$ 95,8 bilhões, com as ações CEG sendo negociadas a US$ 307,83, alta de quase 37% no ano. O EPS (TTM) da empresa é 9,06, seu índice P/E (TTM) é 33,81 e o rendimento de dividendos é 0,46%.

No 3T de 2024, a empresa viu seus lucros chegarem a US$ 1,2 bilhão, um aumento em relação a US$ 731 milhões no 3T23. A receita também subiu 7,2% para US$ 6,55 bilhões. Seu lucro líquido GAAP para o trimestre foi de US$ 3,82 por ação e o lucro operacional ajustado foi de US$ 2,74 por ação. Notavelmente, a Constellation Energy assinou um contrato de compra de energia de 20 anos com a Microsoft (MSFT ) para apoiar seu Crane Clean Energy Center.

A frota nuclear da empresa produziu 45.510 GWh neste trimestre — um aumento em relação a 44.125 GWh no ano anterior. Com isso, alcançou um fator de capacidade de 95%, que diminuiu de 97,2% no ano anterior. Os dias planejados de parada para reabastecimento da Constellation Energy aumentaram para 37, enquanto os dias de parada não relacionados ao reabastecimento dobraram para 20.

Conclusão 

A energia nuclear é uma fonte de energia poderosa e limpa que oferece alta confiabilidade e uma pequena pegada. Mas acidentes graves em usinas nucleares criaram medo entre as pessoas. Um aspecto crítico da segurança e longevidade das usinas nucleares reside nos materiais usados em sua construção, que é o concreto usado em todo o edifício. 

O concreto é um material relativamente barato, robusto e durável que pode ser facilmente moldado em várias estruturas e possui boas propriedades de blindagem contra radiação, tornando‑o uma escolha popular para aplicações de blindagem radiológica. 

Embora estudos tenham explorado o impacto da radiação na integridade estrutural do concreto, as pesquisas mais recentes verificam os efeitos da radiação e fornecem ainda mais clareza sobre a capacidade de proteção deste material.

Por exemplo, a observação de uma clara dependência de fluxo, com maior fluxo de nêutrons resultando em maior taxa de expansão, e a dependência do tamanho dos grãos, particularmente na faixa de alta fluência de nêutrons, implica a existência de um mecanismo de cura subjacente à expansão de volume induzida por radiação. 

Com insights como esses, a pesquisa pode ajudar a desenvolver estruturas mais resilientes para melhorar a segurança dos reatores existentes, bem como construir usinas nucleares de próxima geração, moldando, assim, um futuro viável e seguro.

Clique aqui para uma lista das principais ações nucleares.

Referência do Estudo:

^{1. Maruyama, I., Murakami, K., Ohkubo, T., Sawada, S., Kontani, O., Igari, T., Kawai, M., & Etoh, J. (2025). Impacto do fluxo de nêutrons na taxa de expansão do quartzo. Journal of Nuclear Materials. Available online 13 janeiro de 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). Concreto de blindagem contra radiação: Uma revisão de materiais, desempenho e o impacto da radiação nas propriedades do concreto. 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. Aumento da eficiência de blindagem do concreto comum e de barita em utilizações de blindagem radiológica. Sci Rep 14, 26029 (2024). https://doi.org/10.1038/s41598-024-76402-0