Beton is niet meer weg te denken uit de wereld. Dit materiaal is van fundamenteel belang geweest in de geschiedenis van de mensheid en is nog steeds een steunpilaar in de moderne bouw. Hoewel we op zoek zijn naar duurzamere alternatieven zoals hout, zijn er constructies waar beton nog steeds de duidelijke hoofdrolspeler is. Een voorbeeld hiervan zijn kerncentrales, die sterk en goed geïsoleerd moeten zijn.
En een nieuwe studie heeft het effect van nucleaire straling op beton onderzocht. Het meest verrassende is dat het stralingsbombardement een… genezend effect heeft.
De studie. Onderzoekers van de Universiteit van Tokio waren niet op zoek naar zelfherstellend cement of beton, maar naar het effect van nucleaire straling op beton. Als het belangrijkste structurele en afschermende materiaal in kerncentrales en reactoren, is er bezorgdheid over hoe straling de veroudering van die afscherming beïnvloedt.
Specifiek was het doel om te testen wat de invloed is op kwarts, een veelgebruikt gesteentemateriaal dat in de betonmix wordt gebruikt, ongeacht waar ter wereld die mix wordt gemaakt, en het meten van de invloed op kwarts kan ons helpen begrijpen hoe straling de structuur van het gebouw beïnvloedt. Het goede nieuws is dat deze betonstructuren in theorie op de lange termijn stabieler zijn dan eerder werd gedacht, omdat de straling ontspanningsprocessen in het kwarts induceert die enig herstel van de interne structuur mogelijk maken.
Kwarts bestralen. Voor het onderzoek werden de effecten van neutronenbestraling op verschillende soorten kwarts onderzocht. Synthetisch kwarts, metaquartziet, zandsteen en granodioriet werden bestraald bij een temperatuur tussen 45 en 62 graden Celsius, waarbij de schade per verplaatst atoom varieerde van 0,01 tot 0,23 eenheden.
Ippei Maruyama is een van de verantwoordelijken voor het onderzoek en zegt dat de neutronenstralingsstroom “de kristalstructuur vervormt, waardoor amorfisatie en uitzetting ontstaan”. Dit zou een slechte zaak zijn omdat het betekent dat het materiaal niet stabiel blijft, maar wat verrassend is, is dat door de rol van silicium en zuurstof binnen de kwartskorrels een genezingsproces in gang wordt gezet dat de door straling veroorzaakte uitzetting van het volume van het materiaal verzacht.
Zelfherstel. “Tegelijkertijd is er een fenomeen waarbij de vervormde kristallen zich herstellen en de uitzetting afneemt,” zegt Maruyama. Dit is afhankelijk van de grootte van de minerale kristallen in het beton. Grotere korrels vertoonden bijvoorbeeld minder uitzetting, dus de degradatie van beton, een actueel probleem bij het bouwen en onderhouden van kerncentrales, kan minder ernstig zijn dan eerder werd gedacht.
De onderzoeker bevestigt ook dat “een lagere stralingssnelheid meer tijd geeft voor zelfherstel”, waardoor kerncentrales “langer veilig kunnen werken” dan oorspronkelijk verwacht.
Volgende stappen. Er blijven nog vragen over, want hetzelfde team zegt dat er nog een taak voor hen ligt. Het team van de Universiteit van Tokio bestudeert de impact van straling op beton al sinds 2008, maar ze bevestigen dat dit een kostbaar studiegebied is en dat uitgebreid onderzoek niet eenvoudig is.
Met deze bevinding heeft Maruyama er echter alle vertrouwen in dat ze de invloed van nucleaire straling verder zullen onderzoeken dan alleen kwarts om bijvoorbeeld te kijken of dit expansiefenomeen ook optreedt in andere mineralen waaruit beton bestaat. Het doel is niet alleen om te voorspellen hoe scheuren ontstaan door de uitzetting van mineralen die worden gebombardeerd met straling, maar ook hoe de beste materialen kunnen worden geselecteerd om veel sterker beton te maken voor toekomstige kerncentrales.
Verder dan kerncentrales. We zullen de volgende stappen van de onderzoekers moeten afwachten om deze eerste adviezen van het onderzoek te consolideren, maar het is duidelijk dat het bereiken van zelfhelend beton een obsessie is. Vanwege de CO2-uitstoot tijdens de productie, omdat het duur is om te onderhouden en omdat het de zandreserves van de wereld uitput, is het hebben van een materiaal dat zichzelf kan repareren iets waar teams over de hele wereld al jaren onderzoek naar doen.
Er is al vooruitgang geboekt, zoals mengsels met suiker of koffie die beton enigszins zelfherstellend maken. Het valt nog te bezien hoe lang het zal duren voordat dit nieuwe beton in het dagelijks leven wordt gebruikt.
