Moderna reaktorer kan dra nytta av nya insikter om betong

Det mest grundläggande materialet i byggandet är betong. Den är hållbar, mångsidig och stark. Inte bara betong kan förbli stabil i många år, formas till olika former och storlekar samt stå emot hårda väderförhållanden men den kan också tåla vibrationer och stötar, är icke‑brännbar, billig och hjälper till att hålla en behaglig temperatur inomhus.

Alla dessa fantastiska egenskaper hos betong gör den till ett värdefullt byggmaterial som används för att bygga alla möjliga strukturer, inklusive vägar, broar, dammar, tunnlar, fundament, pelare, väggar, plattor, uppfarter och uteplatser.

Med tanke på betongs betydelse för byggande av infrastruktur, betongmarknadens storlek förväntas överstiga $972 billion i slutet av detta decennium. 

Snabb urbanisering och industrialisering samt en ökning av statliga utgifter för utveckling och återuppbyggnad av infrastruktur driver denna tillväxt. En ökning i antagandet av miljövänligt material för byggnation och de höga initiala investeringskostnaderna för anläggningar, fungerar dock som en begränsning för denna marknad. 

När det gäller betongtyp dominerar segmentet färdigblandad betong marknaden. Denna blandning är kostnadseffektiv och tillverkas i satser vid ett centralt verk istället för att blandas på byggplatsen. Samtidigt leder segmentet armerad betong marknaden när det gäller tillämpning.

Betong för att hjälpa till att uppnå avkarbonisering

Nu spelar detta väsentliga och populära byggmaterial också en roll i att hjälpa oss att uppnå avkarbonisering genom kärnkraftverk. Denna konstgjorda blandning av cement, vatten och aggregat som sand, fungerar faktiskt som det primära byggmaterialet för reaktorcontainrar och avskärmning.

Betong är ett prisvärt material som erbjuder skydd mot gammastrålar och neutroner. Dess vatteninnehåll och höga densitet är det som gör den så allmänt använd för strålskydd.

Men medan ingenjörer har utvecklat formler för att bestämma den optimala tjockleken av avskärmning för strålskydd, tar de inte hänsyn till effekterna av strålningsskador. Och den långsiktiga beständigheten hos betong är kritisk för att driva dessa kärnkraftverk säkert.

Strålningsskadeprocessen är helt enkelt ännu inte väl förstådd. Så, är det avgörande att vi åtgärdar detta problem om vi vill utnyttja kärnkraft, som kan hjälpa oss att uppnå en koldioxidneutral värld. 

Kärnkraft är en lågutsläppskälla som kan hjälpa till att bekämpa klimatförändringar. Den ger oss en pålitlig elkälla oavsett väder, något som förnybara energikällor som vind och sol har svårigheter med. Kärnkraft anses till och med vara säkrare än sol- och vindkraft. 

Dessutom har kärnbränsle hög energitäthet och ett litet markavtryck, samtidigt som det skyddar luftkvaliteten eftersom det inte finns några skadliga utsläpp.

Kärnkraft är en nyckeldel av den totala energiproduktionen globalt och bidrar med cirka 12 % av världens el. I Europa täcker kärnkraft 30 % av elbehovet medan fossila bränslen står för 40 % och resten av andelen består av förnybara energikällor. 

Samtidigt är USA den största producenten av kärnkraft i världen, med en 30% andel av den globala kärnkraftselproduktionen. År 2022 genererade landets kärnreaktorer 772 TWh, 18 % av den totala elproduktionen.

Trots många fördelar har olyckor som Tjernobyl och Fukushima skapat rädsla. Som ett resultat av detta har Italien och Tyskland permanent stängt alla sina kärnkraftverk. 

Dock, med tanke på behovet av ren och hållbar energi och att kärnkraft är en nollutsläppsren energikälla, är det viktigt att hitta sätt att förbättra kostnadseffektiviteten, tillförlitligheten och säkerheten som kan minska människors rädsla för denna teknik samt förbättra deras mottaglighet för den. Det är här betong kommer in i bilden.

Klicka här för att lära dig vad som gör betong till ett kritiskt material och hur vi kan övervinna dess brister.

Betongs avgörande roll i kärnenergi

En kärnanläggning använder en kärnreaktor som sin primära värmekälla och utnyttjar den värmen för att generera ånga, som driver en ångturbin kopplad till en generator. På grund av den inneboende radioaktiviteten i kärnklyvning, är det kritiskt att reaktorkärnan är innesluten i ett skyddande skal. Detta minskar effektivt spridningen av strålning och förhindrar utsläpp av radioaktiva ämnen i miljön.

Dessa reaktorcontainrar är gjorda av betong, som också används för strukturella fundament och primära biologiska sköldar för reaktorerna. Så, för att driva kärnanläggningar på lång sikt, är det nödvändigt att vi utför integritetsanalys av betongstrukturer. Trots allt måste betong i kärnkraftverk utsättas för svår och långvarig exponering för γ‑strålning, neutronstrålning och extremt höga temperaturer.

Detta är något konventionella strukturer inte möter, vilket betyder att all utvärdering av armerade betongkomponenters prestanda i vanliga byggnads- och anläggningskonstruktioner egentligen inte hjälper här. Därför behöver vi kunskap som är specifik för kärnkraftsindustrin. 

Dessutom finns en stor utmaning med materialförändringar som leder till nedbrytning av betongstrukturer i kärnkraftverk. Dessa alkali-silikareaktioner, expansion och fördröjd ettringitbildning beror på neutronamorfisering av bergartsmineraler i aggregaten. Så det är ännu en anledning att specifikt utvärdera betong i kärnkraftverk.

Detta är dock inte något nytt. Forskare har längesen undersökt strålningens påverkan på betongs strukturella integritet. Men ny forskning har avslöjat djupare detaljer om effekten av strålning på betongexpansion.

Avancerad betongforskning inriktad på kärnkraftverk

Publicerad i Science Direct har studien av forskare vid University of Tokyo, bland andra, avslöjat detaljer om strålningens effekt på betongexpansion¹. De kan faktiskt visa exakt vilka betongegenskaper som påverkar dess strukturella attribut när den utsätts för olika nivåer av neutronstrålning. 

För att hantera den betydande frågan om betongaggregatexpansion orsakad av strålning, är det mycket viktigt att förstå känsligheten hos bergartsmineraler, särskilt kvarts, för neutronstrålning.

Detta beror på att kvarts är ett av de vanligaste mineralerna som finns i nästan alla bergarter. Dessutom har experiment i forskningsreaktorer visat att kvarts kan expandera med upp till 18 % i volym. 

Nyare studier visar också att medan cementpasta krymper och får styrka under neutronbestrålning, expanderar bergartsmineraler, vilket leder till sprickbildning i aggregaten. Detta leder till sprickor i aggregaten, betongexpansion och minskning av hållfasthet och Youngs modul, som mäter materialets förmåga att motstå längdförändringar under kompression.

Så fortsatte forskarna att undersöka neutronbestrålningens effekter på olika typer av kvarts, inklusive sandsten, metakvart, granodiorit och syntetisk kvarts. Bestrålningstemperaturerna varierade här från 45 till 62 grader Celsius.

Enligt forskningsresultaten kan kvarkristaller i betong, särskilt, självläka. Den strålninginducerade volymexpansionen mildrades av diffusion av kisel (Si) eller syre (O) inom kvarkristallen, vilket skapade en strålninginducerad avslappning. Detta kan potentiellt göra det möjligt för vissa reaktorer att drivas längre än vad som ursprungligen ansågs möjligt.

Klicka här för att lära dig om 3D‑skriven betong kan hjälpa till att rädda miljön.

Förbättra kärnsäkerhet med betong

Betong är ett kompositmaterial som består av flera föreningar, vilka kan variera beroende på faktorer som lokal geografi. Bergaggregatet, en huvudkomponent i betong, kan specifikt visa sig vara mycket varierande men ändå, “berg innehåller ofta kvarts”.

Kvarts finns i andesit, granodiorit (GR), sandsten (SS) och flera andra bergarter, vilket betyder att neutronbestrålning kan orsaka svullnad av aggregat och efterföljande betongnedbrytning i avskärmningsväggar samt strukturer som utsätts för hög neutronflöde.

Detta betyder att det är viktigt att få en bättre förståelse för hur kvarts förändras under olika strålningsbelastningar. I detta avseende noterade professor Ippei Maruyama från avdelningen för arkitektur att:

“[Det] kan hjälpa oss att förutsäga hur betong också bör bete sig i allmänhet.”

Dock är studier av neutronstrålninginducerad nedbrytning varken enkla eller billiga. Det är faktiskt ett kostsamt forskningsområde, vilket gör omfattande forskning svår. Forskarteamet har arbetat med detta de senaste sjutton åren och har utvecklat strategier som kulminerat i senaste experiment där forskare använder röntgendiffraktion för att undersöka bestrålade kvarkristaller.

En av de saker teamet undersökte är två egenskaper hos neutronstrålning — den totala dosen som proverna får och flödet, vilket är hastigheten med vilken dosen tas emot. 

Teamet fann att expansionshastigheten i en kvarkristall korrelerar med doshastigheten; om hastigheten var högre var även expansionsmängden mycket högre, och vice versa.

“Upptäckten av flödeseffekten indikerar inte bara att neutronstrålning förvränger kristallstrukturen, vilket orsakar amorfisering och expansion, utan att det också finns ett fenomen där de förvrängda kristallerna återhämtar sig och expansionen minskar, vilket innebär att en lägre hastighet ger mer tid för läkning.”

– Maruyama

Detta fenomen visade sig också bero på mineralkristallernas storlek inom betong. Större kristallkorn visade mindre expansion, vilket tyder på en storleksberoende effekt. 

Betongnedbrytning på grund av neutroner är för närvarande en oroskälla men som resultaten visar kan den uppvisa mindre expansion än tidigare trott. Som ett resultat kan nedbrytningen vara mindre allvarlig än förväntat, vilket , “möjliggör att kärnkraftverk kan drivas säkrare under längre perioder,” uttalade Maruyama. 

Med denna forskning är tanken att bidra till valet av material och design av betong för framtida kärnkraftverk. Dessutom kan den ge värdefulla insikter om stabiliteten och hållbarheten hos oorganiska material som används i rymdbaserade strukturer för utomjordisk konstruktion både i jordens omloppsbana och bortom.

I nästa steg syftar teamet till att ta itu med utmaningar i att förstå expansionsbeteendet hos olika bergartsmineraler. Detta kommer att hjälpa till att ytterligare klargöra expansionsmekanismerna och utveckla förmågan att förutsäga expansionen av aggregat baserat på deras materialegenskaper och miljöförhållanden.

Forskarteamet planerar också att kunna förutsäga hur sprickor bildas baserat på mineralexpansion. 

Framsteg inom strålskyddsbetong

Med tanke på den avgörande roll betong spelar för att skydda mot skadlig joniserande strålning i olika tillämpningar inklusive medicinska anläggningar, forskningslaboratorier, militära och kärnkraftverk, har materialet varit föremål för mycket forskning. 

Under det sista kvartalet förra året gjorde internationella forskare en djupdykning i strålskyddsbetong (RSC), som har visat sig vara avgörande för att säkerställa säkerhet och stödja den fördelaktiga användningen av strålning inom olika områden.

En sådan forskning² publicerad i november noterade att strålskyddsbetong, gjord av cement, vatten och tunga aggregat, har förmågan att bära gravitationslaster, tillfälliga belastningar såsom jordbävningskrafter och tornadogenererade projektiler under hela sin livslängd.

De aggregat som huvudsakligen används i RSC inkluderar barit, hematit, magnetit och colemanit. Att införliva sådana täta naturliga aggregat ökar materialets densitet och förbättrar RSC:s effektivitet i både medicinska och kärnapplikationer. 

Genom att förbättra vissa egenskaper hos armerad betong för att minska strålning har RSC blivit ett typiskt val för strålskydd och skydd.

En annan studie³ publicerad omkring den tiden undersökte förbättringen av vanlig och baritbetongs effektivitet i strålskydd genom att använda olika typer av aggregat. 

Studieresultaten, som visar att tätare betong ger bättre skydd jämfört med lägre densitetsvarianter, understryker den avgörande rollen materialdensitet spelar för att förbättra strålskyddseffektiviteten. Här visade baritbetong större avskärmningsegenskaper på grund av dess högre linjära dämpningskoefficient, som mäter hur lätt ett material absorberar eller sprider en energistråle.

För att uppnå hög densitet i RSC ersatte forskarna vanliga betongaggregat med kvarts, tunga mineraler som zirkon och flygaska samt artificiella aggregat såsom hydrerad järnmalm, järsavfall, tinnavfall, bauxit, galen, bismutitoxid och återvunna aggregat.

Användning av högdensitetsbetong som strålskydd kan minska tjockleken på RSC med nästan 40 % jämfört med vanlig betong samtidigt som den behåller bärförmågan.

Studierna uppmanar till ytterligare forskning om betongs långsiktiga hållbarhet under kontinuerlig strålningsexponering, inklusive bedömning av potentiell kumulativ skada över längre perioder för bättre insikt i hur materialen klarar sig över tid. 

Effekterna av miljöfaktorer som temperatur, luftfuktighet och kemisk exponering på betongs strålskyddsegenskaper måste också undersökas för att simulera verkliga förhållanden och förstå deras inverkan på betongs effektivitet som avskärmningsmaterial.

Relevanta företag 

Låt oss nu titta på framstående namn inom betong- och kärnkraftsområdet: 

1. Vulcan Materials Company

Detta är producenten av aggregatbaserade byggmaterial och en stor leverantör av färdigblandad betong och asfalt. Vulcan Materials segment inkluderar aggregat, asfalt, betong och kalcium, som producerar kalciumprodukter för djurfoder- och vattenbehandlingsindustrin.

Den har ett börsvärde på $35.8 miljard med VMC-aktier som handlas till $270.16, upp 5.42% YTD. Företagets EPS (TTM) är 6.40, dess P/E (TTM)-kvot är 42.36 och utdelningsavkastningen är 0.68%.

För kvartalet som avslutades den 30 september 2024 uppgick företagets intäkter till $2 miljard, vilket var en nedgång med 8.3% från 3Q23. Nettoresultatet var $208.9 miljon medan vinstmarginalen var 10% och EPS var $1.58. Företaget levererade $61 miljon till sina aktieägare genom utdelningar. Under denna period förvärvade Vulcan Materials Wake Stone Corporation för att utöka sin räckvidd i högväxande geografier i Carolinas. 

“Trots betydande väderstörningar som har påverkat byggaktiviteten under de första nio månaderna av året, fortsätter de övergripande efterfrågegrundvalen att stödja långsiktig tillväxt.”

– VD Tom Hill

2. Constellation Energy   

Detta företag fokuserar på rena energilösningar genom sina kärn-, vatten-, vind- och solkraftsanläggningar, som har kapacitet att förse cirka 16 miljoner hushåll med el. Constellation Energy (CEG ) producerar cirka 10% av den k