|
V4 Korea RADCON - The Effect of Chemical Composition of Concrete on Its Long-term Performance in Irradiated Environment
|
Help
Print
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
|
Details of project |
|
|
Identifier |
127102 |
Type |
NN |
Principal investigator |
Szentmiklósi, László |
Title in Hungarian |
V4 Korea RADCON - Sugárzásnak kitett betonok kémiai összetételének hatása azok hosszútávú öregedésére |
Title in English |
V4 Korea RADCON - The Effect of Chemical Composition of Concrete on Its Long-term Performance in Irradiated Environment |
Keywords in Hungarian |
sugárzás, beton, aktiválódás, öregedés, felaktiválódási hajlam, mechanikai tulajdonságok, hulladékkezelés |
Keywords in English |
radiation environment, concrete, activation, aging, mechanical properties, waste disposal |
Discipline |
Material Science and Technology (chemistry) (Council of Physical Sciences) | 50 % | Analytical Chemistry (Council of Physical Sciences) | 40 % | Ortelius classification: Instrumental analysis | Chemical Engineering (Council of Physical Sciences) | 10 % | Ortelius classification: Environmental chemistry |
|
Panel |
Chemistry 1 |
Department or equivalent |
Institute for Energy Security and Environmental Safety (Centre for Energy Research) |
Participants |
Fekete, Tamás Miklós Gméling, Katalin Harsányi, Ildikó Párkányi, Dénes Szilágyi, Veronika
|
Starting date |
2017-10-01 |
Closing date |
2022-09-30 |
Funding (in million HUF) |
46.284 |
FTE (full time equivalent) |
8.55 |
state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. Az új atomerőművek építését tervező országok számára az egyik legfontosabb szempont, a megfelelő építőanyagok kiválasztása. Ez nem egyszerű gazdasági kérdés, hiszen az atomerőművek üzemeltetésének és leszerelésének szigorú sugárvédelmi szabályai vannak. Továbbá az engedélyesek a működő atomerőművek élettartamának meghosszabbítására törekszenek, így még fontosabb, hogy építéshez felhasznált beton megfeleljen a sugárvédelmi követelményeknek.
Az atomerőművek energiatermelő zónája körüli betonok erős neutron- és gamma-sugárzásnak vannak kitéve, ezért a beton alkotóelemeinek kiválasztása kulcsfontosságú tényező az aktiválási korlátok megtartásához és más öregedéssel kapcsolatos szempontok megőrzéséhez. A betonelemek kémiai összetétele az egyik legfontosabb tényező, amely nagymértékben befolyásolja az öregedési tulajdonságokat, ezáltal a betonok szerkezeti integritását (tartósságát és élettartamát), valamint befolyásolja a sugárzással szembeni biológiai védelmet.
A projekt fő célja a beton összetevők (kavics, homok, cement) kémiai összetételének vizsgálata, amelyek befolyásolják az aktiválódás szintjét. A mért összetétel adatok felhasználásával a numerikus modellek segítségével leírhatjuk a besugárzásnak kitett testek mechanikai viselkedését, strukturális szerkezetének mérhető változásait.
A projekt várható eredménye, hogy javaslunk egy olyan értékelési módszert, amely az összetevők mechanikai és kémiai változásait egyaránt figyelembe veszi a radioaktív sugárzásnak hosszútávon kitett betonszerkezetek viselkedésének vizsgálatakor.
Mi a kutatás alapkérdése? Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek. A kutatás megválaszolandó alapkérdése, hogy milyen alapanyagokat (kavics, homok, cement és egyéb adalékanyagok) használjanak az atomerőművek energiatermelő zónáját körülvevő, sugárvédelmi célú árnyékoló betonokhoz. Az építőipar nagy hangsúlyt fektet a betonok mechanikai és szerkezeti állóképességének vizsgálatára. A kémiai összetétel vizsgálata, ezidáig csak bizonyos cement technológiák szempontjából volt lényeges.
Az energiatermelő zónát körülvevő betonok kémiai összetételének részletes ismerete fontos, mert összetevőik jelentős mértékben felaktiválódhatnak a működés során. A neutronok hatására könnyen felaktiválódó rövid és hosszú felezési idejű izotópok az üzemidő alatt is, míg a hosszú felezési idejű izotópok a működési idő végét követően akár hosszú évekig olyan mértékű sugárzást bocsáthatnak ki, ami sugárvédelmi szempontból kedvezőtlen lehet, illetve megnehezítheti/késleltetheti a jövendő leszerelési műveleteket. A sugárzásnak kitett betonok esetében hosszú távú szempont az erőmű élettartamának végén a bontásra kerülő beton hosszú ideig megmaradó aktivitása illetve, hogy a bontott elemeket sugárveszélyes hulladékként kell-e kezelni, vagy sem. A projekt ugyanilyen fontos célkitűzése az anyagok fizikai és kémiai tulajdonságaiban bekövetkező, besugárzás által kiváltott változások vizsgálata. Szükség van a kísérleti adatbázis kiterjesztésére, annak átfogó feldolgozására és a stratégiai betonszerkezetekre gyakorolt hatásainak leírására.
A projekt végére várhatóan kijelölhetjük azokat a homok-, kavics- és cementtípusokat, amelyek alacsony felaktiválódási hajlammal bírnak, és tökéletes összetevői lesznek az erős sugárzási környezetben alkalmazott betonoknak.
Mi a kutatás jelentősége? Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának! Az MTA EK a világ egyik vezető nukleáris analitikai laboratóriuma, ahol a neutronaktivációs analitikai (NAA), és a prompt-gamma aktivációs analitikai (PGAA) technikákat ötvözik (NEAAA). A NEAAA technika ideális a betonalapanyaok elemi összetételének elemzésére, mivel –sok más instrumentális technikával ellentétben– a neutronok hatására aktivált izotópokat méri. A betonok öregedésének vizsgálatát próbatestek besugárzásával végezzük. Az MTA EK nagy tapasztalattal rendelkezik az aktiválás elméleti és numerikus modellezésében is.
A kísérleti adatok jelentős mértékben hozzájárulnak a numerikus modellek fejlesztéséhez, amelyek a betonok mechanikai viselkedését modellezik a kémiai összetétel, a sugárdózis, és egyéb gyakran alkalmazott paraméterek, mint az öregedés, vagy dehidratáció függvényében. A hazai kavicsbányák nyomelem összetétel alapján történő beazonosítása nem csak új geológiai eredményekkel szolgál majd, hanem fontos, releváns információk forrása lehet az atomerőművi betonok technológiája számára, illetve információval szolgálhat az építőipar más területein is.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára. Az új atomerőművi egységek építész szerkezetei javarészt betonból készülnek. A beton szerkezeteket a reaktor működése során erős neutron- és gamma-sugárzás éri. A neutron- és a gamma-sugárzás nem csak az emberi testre hat, hanem a beton mechanikai és kémiai viselkedésért is jelentősen megváltoztatja, ami befolyásolhatja a betonszerkezet mechanikai tulajdonságait.
Igen fontos, hogy a megfelelő építőanyagokat gondosan válasszuk ki, mivel azoknak különféle feladatokat kell ellátniuk. Az intenzív sugárzás ellenére erősnek kell lenniük, hatékony biológiai árnyékolóként kell működniük, és csak a lehető legkisebb mértékben szabad felaktiválódniuk. Előrelátó tervezéssel igyekezni kell minimálisra csökkenteni a radioaktív hulladékok mennyiségét és aktivitását, mivel az atomerőművek leszerelése nem csupán gazdasági, hanem környezetvédelmi kérdéseket is felvet.
A Korea és a V4 országok közötti nemzetközi kutatási együttműködés fő célkitűzése a betonösszetevők (kavics, homok, cement) elemi összetételének, mechanikai viselkedésének, valamint az elvégzett kísérleti adatok segítségével az anyag öregedésének modellezése és vizsgálata. A projektben a magyarországi kutatóintézet (MTA EK) feladata a betonösszetevők kémiai összetételének vizsgálata, a próbatestek besugárzása a budapesti kutatóreaktorban, illetve a kísérleti eredményekre épülő numerikus modellezés.
A projekt végére célul tűztük ki, hogy javaslatot tegyünk az alacsony aktivitási kockázatú betonok receptúrájára, amely a kémiai adatok és a kísérleti mechanikai vizsgálatok, valamint a numerikus modellek eredményei alapján alkalmas az atomerőművek építésére.
| Summary Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. One of the most relevant question for countries, where construction of new nuclear power plants (NPPs) are foreseen, is the selection of appropriate building materials. This is not only an economical problem, there are strict rules of radiation protection to comply with during the operation and decommissioning of NPPs. On the other hand, licensees aspire to extend the service life of operating nuclear power plants, which also calls for studying the appropriate quality of concrete as major building material.
In NPPs, the concrete is exposed to strong neutron and gamma-ray radiation around the energy-generating core, and therefore, the selection of its constituents is a key factor to keep the activation limits and consider other ageing related aspects. Chemical composition of concrete constituents is one of the key factors that heavily influences ageing properties, thus structural integrity (durability and service-lifetime) of concrete structures, and also influences the level of biological radiation protection.
The main objective of this project is to investigate the chemical composition of concrete constituents (gravel, sand, cement) that are potential precursors of an elevated activation risk. Based on the experimental compositional data, numerical models can describe the radiation-induced mechanical behavior and volumetric changes on structural integrity of concrete structures in irradiated environment.
The main result of this project is a proposed assessment method which interconnects mechanical and chemical changes of irradiated minerals with long-term performance of concrete structures exposed to radiation.
What is the major research question? Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments. The fundamental question is, what kind of materials (gravel, sand, cement and other admixtures) should be used to make concrete to construct NPPs, i.e. to create the near-core shielding around reactor pressure vessels (RPVs). The building industry put major emphasis on examination of mechanical and structural behavior of concrete. Until now the chemical composition was only important from point of view of concrete technologies.
The detailed knowledge of the chemical composition of the concretes surrounding the RPV is important, as their constituents might be substantially activated while exposed to high flux radiation over the years. Due to the neutron radiation, the high-neutron-capture-cross-section nuclides with short and long half-life become highly radioactive during the reactor operation, while isotopes with long half-life remains radioactive still years after following the reactor shutdown. This cause problems in radiation safety, and difficulties in the future decommissioning operations. In long-term aspects, the long-lived activity of the dismantled concrete will become an important question, as it needs to be handled as hazardous waste. Equally important objectives of the project is to investigate the irradiation induced changes in the physical and chemical properties of materials. Extension of the experimental database, its comprehensive processing and description of its implications to strategic concrete structures is needed.
By the end of project, we are expecting to identify low-activation gravel-, sand-, and cement types, and define the recommended constituents of concrete, perfect to be used at a high-radiation environment.
What is the significance of the research? Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field. The Centre for Energy Research, being one of the leading laboratories in in nuclear analytical techniques worldwide, is responsible for the Neutron-based Element Analysis and Activation Assessment (NEAAA) activity, which is a combined use of instrumental neutron activation analysis, prompt-gamma-activation analysis and subsequent numerical computations. The NEAAA technique is ideal to analyze of concrete materials as – unlike many other instrumental techniques – it probes exactly the isotopes of interest, not just the elements. To see the ageing effects on concrete, irradiation and activation measurements of test specimens will be performed. The Hungarian partner’s team has also experience with theoretical and numerical modelling of activation.
All experimental data will be useful for development of models at partner institutes to describe the mechanical response of concrete with respect to its chemical composition, radiation dose and other commonly used parameters such as age or the degree of hydration. Identifying the various domestic gravel pits based on the variety of their trace-element contents, will not only bring new geological knowledge with technological relevance, but it will be also important in concrete production technology for NPPs, but also beyond. Therefore the entire building industry can benefit from the conclusions of this study.
Summary and aims of the research for the public Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others. Building materials of the civil engineering structures for nuclear power plant units (NPPs) are mainly concretes, which are exposed to strong neutron and gamma-ray radiation during the operation of the energy generating core. Neutron and gamma-ray radiation have effects not only on human body, but also on the mechanical and chemical behavior of concrete, which can influence the mechanical properties of the concrete structure.
It is important to carefully select the appropriate building material, as they have to fulfill different tasks. It should be mechanically strong despite heavy irradiation, it has to act as efficient biological shielding, and the concrete used should have low activation potential. It is also important to think ahead and minimize the amount and activity of the radioactive waste to be disposed after decommissioning of these NPPs, an economical, but also an environmental problem.
The main objective of this International Joint Research Program between Korea and the V4 Countries is to investigate the elemental composition, mechanical behavior of concrete constituents (gravel, sand, cement) and also to model the ageing properties of material using the performed experimental data. Hungary (MTA Centre for Energy Research) will investigate the chemical composition of concrete constituents, irradiate test concrete specimens in the Budapest Research Reactor, and perform numerical modeling built on the experimental results.
By the end of the project we aim to propose a recipe of low activation concretes, suitable for construction of NPPs, based on the experimental mechanical and chemical studies of materials and numerical modelling.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
List of publications |
|
|
Y. Khmurovska, P. Štemberk, M. Petrik, J. Zak, V. Zacharda, V. Szilágyi, Z. Kis, I. Harsányi: Equipment for Concrete Irradiation Experiments, Proc. 24th Internat. Conf. MECHANIKA 2019, 2019 | Y. Khmurovska, V. Szilágyi, P. Štemberk, Z. Kis, I. Harsányi, S. Sikorin, Y. Kaladkevich, E. Pavalanski, V. Fatseyeu: Water absorption test accompanied by dynamic neutron radiography of gamma-irradiated cement samples, Proceedings of the 12th Brittle Matrix Composites Conference, 2019 | Szilágyi V, Gméling K, Kis Z, Harsányi I, Szentmiklósi L: Neutron-based methods for the development of concrete., Proc. 12th Brittle Matrix Composites Conf., 183-194, 2019, Warsaw, Poland., 2019 | J. Dragomirova, M.T. Palou, K. Gmeling, V. Szilágyi, I. Harsányi, L. Szentmiklósi: Design of heavyweight concrete used in radiation protection based on complete NAA, PGAA and XRF results. Activation and physical properties., Proc. 12th Brittle Matrix Composites Conf., 195-210, 2019, Warsaw, Poland., 2019 | Y. Khmurovska, P. Štemberk, T. Fekete, T. Eurajoki: Numerical analysis of VVER-440/213 concrete biological shield under normal operation., Nucl. Eng. Design, 350, 58-66., 2019 | Szentmiklósi L., Kis Z, Maróti B, Szilágyi V, Gméling K, et al.: Tudomány az innováció szolgálatában: Neutronos anyagvizsgálati módszerek ipari alkalmazásai a Budapesti Neutron Centrumban, Fizikai Szemle 2019/9 304-310, 2019 | Y. Khmurovska: Influence of Neutron and Gamma Irradiation on Concrete Properties and Mechanical Performance, PhD Thesis, Czech Technical University in Prague, 2019 | K. Gméling, V. Szilágyi, I. Harsányi, T. Fekete, L. Szentmiklósi, Z. Kis, S. Józsa: Activation susceptibility of the gravel and sand components of concrete structures, 27th Seminar on Activation Analysis and Gamma Spectrometry, 2019. 02. 24-27. Garching, 2019 | K. Gméling, V. Szilágyi, I. Harsányi, T. Fekete, L. Szentmiklósi, Z. Kis, S. Józsa: Neutron-Based Elemental Analysis of Gravels and Other Concrete-Additives, 2nd International Conference on Radioanalytical and Nuclear Chemistry (RANC 2019), 5–10 May 2019, Budapest, Hungary, p. 232., 2019 | V. Szilágyi, K. Gméling, Z. Kis, I. Harsányi, L. Szentmiklósi: Neutrons for Concrete Science/Neutronokkal a Betonkutatásban,, Abstract Book of Őszi Radiokémiai Napok 2019, 2019-10-09-11, Balatonszárszó, p. 76-77. ISBN 978-963-9970-98-4, 2019 | D. Jóźwiak-Niedźwiedzka, K. Gméling, I. Harsányi, K. Dziedzic, M. A. Glinicki: Assessment of long-lived residual radioisotopes in cement induced by neutron radiation., MATBUD 2020 MATEC Web conferences 322 01019 (2020), 2020 | J. Dragomirová, M. T. Palou, E. Kuzielová, M. Žemlička, R. Novotný, K. Gméling: Optimization of cementitious composite for heavyweight concrete preparation using conduction calorimetry, Journal of Thermal Analysis and Calorimetry 142, 255–266(2020), 2020 | D. Jóźwiak-Niedźwiedzka , A. Antolik, K. Dziedzic, K. Gméling, K. Bogusz: Laboratory investigations on fine aggregates used for concrete pavements due to the risk of ASR, Road Materials and Pavement Design, 2020 | Juhász Alexandra: Északnyugat magyarországi homokminták nehézásványainak nyomelem-összetétel vizsgálata Neutronaktivációs Analitikai (NAA) módszerrel, Eszterházy Károly Egyetem, 2020 | Szentmiklósi László, Maróti Boglárka, Párkányi Dénes, Harsányi Ildikó, Révay Zsolt: High-energy detector calibration data for k0-Neutron Activation Analysis, Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry 315 (3) 743-750, 2018 | Kim HT, Razakamandimby RDFT, Szilagyi V, Kis Z, Szentmiklosi L, Glinicki MA, Park K: Reconstruction of concrete microstructure using complementarity of X-ray and neutron tomography, CEMENT AND CONCRETE RESEARCH 148: 106540, 2021 | Szilágyi V., Gméling K., Józsa S., Harsányi I., Szentmiklósi L.: Oligomictic alluvial aggregates: petro-mineralogical and geochemical evaluation of sandy gravel formations on the middle course of the Danube (Hungary), BULLETIN OF ENGINEERING GEOLOGY AND THE ENVIRONMENT 80: (8) pp. 5957-5977., 2021 | Janette Dragomirová, Martin T. Palou, Katalin Gméling, Veronika Szilágyi, Ildikó Harsányi, László Szentmiklósi: Experimental Study of Selected Properties of Heavyweight Concrete Based on Analysis of Chemical Composition and Radioactive Elements of its Components, Solid State Phenomena, Vol. 321, pp 113-118, 2021 | D. Hajdú, E. Dian, K. Gméling, E. Klinkby, C.P. Cooper-Jensenc, J. Osán, P. Zagyvai: Experimental study of concrete activation compared to MCNP simulations for safety of neutron sources, Applied Radiation and Isotopes 171 109644, 2021 | Hajdú Dávid, Zagyvai Péter, Dian Eszter, Gméling Katalin: Betonok felaktiválódásának kísérleti- és szimulációs vizsgálata az európai neutronkutató központ (ESS) sugárvédelmi tervezéséhez, Sugárvédelem XIV. évf. 1. szám. 58–64., 2021 | Jóźwiak-Niedźwiedzka, D.; Gméling, K.; Antolik, A.; Dziedzic, K.; Glinicki, M.A.: Assessment of Long Lived Isotopes in Alkali-Silica Resistant Concrete Designed for Nuclear Installations, Materials 14, 4595, 2021 | Gméling Katalin, Szilágyi Veronika, Harsányi Ildikó, Szentmiklósi László: Sugárvédelmi betonok összetevőinek vizsgálata a felaktiválódási hajlam szempontjából, Őszi Radiokémiai Napok absztrakt kötet, ISBN 978-615-6018-07-6, 20. oldal, 2021 | Harsányi Ildikó, Kis Zoltán, Horváth András, Szentmiklósi László: Neutronbesugárzásnak kitett anyagok aktivitásának meghatározása számítógépes szimulációkkal, Őszi Radiokémiai Napok absztrakt kötet, ISBN 978-615-6018-07-6, 21. oldal, 2021 | László Szentmiklósi, Zoltán Kis, Boglárka Maróti and László Zoltán Horváth: Correction for neutron self-shielding and gamma-ray self-absorption in prompt-gamma activation analysis for large and irregularly-shaped samples, Journal of Analytical Atomic Spectrometry 36, 103 – 110, 2021 | Gméling Katalin, Szilágyi Veronika, Harsányi Ildikó, Szentmiklósi László: Az EK kutatói a nukleáris technológiában használatos betonok nyersanyagait vizsgálták azzal a céllal, hogy csökkenteni lehessen az atomerőművek leszerelésének költségeit, internet, 2020 | D. Jóźwiak-Niedźwiedzka , A. Antolik, K. Dziedzic, K. Gméling, K. Bogusz: Laboratory investigations on fine aggregates used for concrete pavements due to the risk of ASR, Road Materials and Pavement Design, 22 (12), (2021), 2883-2895, 2021 | Szentmiklósi László: Az EK kutatóinak részvételével zajló nemzetközi együttműködés keretében sikeresen jellemezték betonminták mikroszerkezetét komplementer röntgen- és neutrontomográfia segítségével, internet, 2021 | Szentmiklósi László: Microstructure of concrete - neutron and x-ray tomographic reconstruction, internet, 2021 | Szentmiklósi László: Klub Rádió Utópia Magazin (2021. szeptember 07., kedd 19:00), internet, 2021 | Szentmiklósi László: Info Rádió, Szigma - a holnap világa című magazin 2021. szeptember 7-i adása, internet, 2021 | Ildikó Harsányi, András Horváth, Zoltán Kis, Katalin Gméling, Daria Jozwiak-Niedzwiedzka, Michal A. Glinicki, László Szentmiklósi: Assessment of neutron-induced activation of irradiated samples in a research reactor, Nuclear Engineering and Technology NETJOURNAL-D-22-00452R2 Article (under peer review), 2022 | Katalin Gméling, Veronika Szilágyi, Ildikó Harsányi, László Szentmiklósi: Hungarian fine-to-coarse aggregate, a possible constituent of near-vessel structural concrete of nuclear power plants, Construction and Building Materials (submitted), 2022 | Szentmiklósi László, Maróti Boglárka, Párkányi Dénes, Harsányi Ildikó, Révay Zsolt: High-energy detector calibration data for k0-Neutron Activation Analysis, Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry 315 (3) 743-750, 2018 | Gméling Katalin, Szilágyi Veronika, Harsányi Ildikó, Fekete Tamás, Szentmiklósi László, Kis Zoltán, Józsa Sándor: Activation susceptibility of the gravel and sand components of concrete structures, Őszi Radiokémiai Napok absztrakt kötet 77. oldal. ISBN 978-963-9970-93-9, 2018 | Yuliia Khmurovska, Petr Stemberk, Tamas Fekete: Mechanical response of biological shielding ring to variations in azimuthal neutron flux distribution, 23rd International Scientific Conference MECHANIKA 2018, 83-88, 2018 |
|
|
|
|
|
|
Back »
|
|
|