DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-33014-6
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41519989
تاريخ النشر: 2026-01-10
المؤلف: Eslam Attia وآخرون
الموضوع الرئيسي: تحليل مواد درع الإشعاع
نظرة عامة
تبحث الدراسة في استخدام الجص الأسمنت غير التقليدي الذي يحتوي على مسحوق المغنتيت كمواد إصلاح محتملة للخرسانة في محطات الطاقة النووية (NPPs)، مع التركيز على خصائصه الميكانيكية وخصائص الحماية من الإشعاع. تم صياغة خمسة خلطات مختلفة من الجص الأسمنت، مع تغيير نسب مسحوق المغنتيت والرمل التقليدي. أجريت الدراسة تقييمات تجريبية على قابلية العمل، والكثافة، وقوة الضغط، وتخفيف أشعة غاما، إلى جانب تقييمات حسابية باستخدام برامج مثل EpiXS و NXCom و MRCsC.
تشير النتائج إلى أن تضمين مسحوق المغنتيت يؤثر بشكل كبير على خصائص الجص. على وجه الخصوص، انخفضت كثافة المصفوفة بنسبة تصل إلى 46.2%، مما أدى إلى تقليل قوة الضغط بنسبة تصل إلى 65.4% مع زيادة محتوى المغنتيت. وعلى العكس، زادت كثافة الجص بنسبة تصل إلى 48.7% مقارنة بالجص الأسمنت التقليدي. ومن الجدير بالذكر أن الكثافة المحسنة ساهمت في تحسين كفاءة الحماية من الإشعاع؛ حيث أظهر الجص الذي يحتوي على 100% من المغنتيت معامل تخفيف خطي (LAC) لأشعة غاما كان أعلى بنسبة 264% عند 0.01 ميغا إلكترون فولت وأعلى بنسبة 43% عند 10 ميغا إلكترون فولت مقارنةً بالجص الرمل التقليدي، إلى جانب أداء متفوق في حماية النيوترونات السريعة.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على الدور الحاسم للخرسانة كمواد هيكلية في محطات الطاقة النووية (NPPs)، لا سيما في بناء الهياكل الاحتوائية التي يجب أن تتحمل ظروفًا قاسية وتمنع تسرب المواد المشعة. إن سلامة ومتانة مباني الاحتواء الخرسانية (CCBs) أمران أساسيان، مما يتطلب إدارة قضايا تدهور العمر وجودة البناء. لمواجهة هذه التحديات، يركز الباحثون على تطوير مواد متقدمة قائمة على الأسمنت تعزز من تخفيف الإشعاع ومتانة الهيكل، مما يضمن سلامة وموثوقية المنشآت النووية.
تم الإشارة إلى عدة دراسات، توضح أساليب مختلفة لتحسين أداء الخرسانة ضد الإشعاع. على سبيل المثال، وجد توسي et al. أن استبدال 20% من الأسمنت بمسحوق المغنتيت حسّن من حماية أشعة غاما بنسبة تصل إلى 43%، على الرغم من انخفاض طفيف في القوة. أفاد بارفروش et al. أن إضافة ألياف البازلت إلى الخرسانة عالية الأداء مع المغنتيت زادت من المرونة وحماية الإشعاع. بالإضافة إلى ذلك، أكد جوزويك-نيدزويزدكا et al. على أهمية نوع الركام ونوع الأسمنت على نفاذية الغاز وفعالية الحماية من الإشعاع في الخرسانة. استكشفت غورباني et al. المزيد من فوائد دمج المغنتيت والهيماتيت مع السيليكا النانوية، كاشفة عن تحسين الخصائص الميكانيكية وفعالية الحماية من الإشعاع. سلطت دراسات أخرى الضوء على تأثيرات مواد مختلفة، مثل الكولمانيت وأكسيد الرصاص، على قدرات الحماية وقوة الخرسانة، مما يبرز الجهود المستمرة لتحسين تركيبات الخرسانة للتطبيقات النووية.
طرق
في هذه الدراسة، تم استخدام الأسمنت البورتلاندي CEM-I، مع تفاصيل خصائصه الفيزيائية الموضحة في الجدول 1 وتركيبته الكيميائية التي تم تحليلها عبر الفلورية بالأشعة السينية (XRF) المقدمة في الجدول 2. أظهر الأسمنت نعومة تبلغ 3550 سم²/غ، ووقت إعداد أولي قدره 170 دقيقة، وتوسع في الصلابة بمقدار 1 مم، وتناسق مائي بنسبة 27%، وفقدان عند الاحتراق بنسبة 1.6%، وحجم جزيئات يبلغ 15 ميكرون. كشفت التركيبة الكيميائية عن مكونات هامة بما في ذلك 58.91% CaO و20.55% SiO₂ و5.58% Al₂O₃.
بالإضافة إلى ذلك، تم استخدام رمل سيليسي طبيعي، يتميز بكثافة نوعية تبلغ 2.65 وحجم اسمي أقصى يبلغ 0.2 مم، كركام ناعم، وفقًا لمعايير ASTM D75. كما تضمنت الدراسة مسحوق المغنتيت، الذي له كثافة نوعية تبلغ 5.1 ومتوسط حجم جزيئات يبلغ 825 ميكرون، كبديل للرمل السيليكي التقليدي. تكمن الفائدة من استخدام المغنتيت في وفرةه، وفعاليته من حيث التكلفة، وارتفاع محتوى الحديد، وملاءمته لإنتاج مركبات أسمنتية ذات خصائص حماية من الإشعاع. تم تلخيص التركيبة الكيميائية لمسحوق المغنتيت، التي تم تحليلها أيضًا عبر XRF، في الجدول 3، مع تسليط الضوء على محتوى أكسيد الحديد البالغ 63.3% Fe₂O₃. تم توضيح توزيعات تحليل المنخل لكل من الرمل ومسحوق المغنتيت في الشكل 2.
مناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على التقدم الكبير في خصائص الحماية من الإشعاع للمواد القائمة على الأسمنت، لا سيما من خلال دمج إضافات مختلفة مثل الركام الخرسانية المعاد تدويرها، والمواد النانوية، ومسحوق المغنتيت. أظهر فطوح et al. أن تعديل توزيع الركام للركام الخرسانية المعاد تدويرها يعزز كل من الخصائص الميكانيكية والحماية من الإشعاع، مع ملاحظة الأداء الأمثل في الخلطات ذات التوزيع المعدل. بالمثل، وجد فاثي et al. أن الخرسانة عالية القوة التي تحتوي على أكسيد الرصاص النانوي ومسحوق النانوغرانوديوريت حسنت من قوة الضغط وحماية أشعة غاما، لا سيما مع خلط هجين محسّن. علاوة على ذلك، أكدت دراسات سيكورا et al. وكونشاريياكون et al. أن إضافة جزيئات أكسيد الحديد النانوية تعزز بشكل كبير من قدرات الحماية من الإشعاع للجص الأسمنت، على الرغم من تكلفتها المتمثلة في تقليل قوة الضغط بسبب زيادة المسامية.
كما تؤكد الدراسة على إمكانية استخدام مسحوق المغنتيت كبديل مستدام للرمل السيليكي التقليدي في خلطات الجص الأسمنتية. تشير النتائج التجريبية إلى أنه بينما يؤدي تضمين المغنتيت إلى زيادة الكثافة وتحسين فعالية الحماية من الإشعاع، فإنه يقلل في الوقت نفسه من قابلية العمل وقوة الضغط. ومن الجدير بالذكر أن معامل التخفيف الخطي لأشعة غاما ينخفض مع زيادة الطاقة، حيث يرتبط محتوى المغنتيت الأعلى بتحسين أداء الحماية بسبب زيادة العدد الذري الفعال. تشير النتائج إلى أن الجص الأسمنت القائم على المغنتيت يمكن أن يكون مواد فعالة لإصلاح العناصر الهيكلية في التطبيقات النووية، مما يعالج العيوب الشائعة في البناء مع توفير الحماية اللازمة من الإشعاع. بشكل عام، تؤكد الدراسة على أهمية تحسين تركيبات المواد لتحقيق توازن بين الأداء الميكانيكي وقدرات الحماية من الإشعاع في المواد الأسمنتية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-33014-6
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41519989
Publication Date: 2026-01-10
Author(s): Eslam Attia et al.
Primary Topic: Radiation Shielding Materials Analysis
Overview
The research investigates the use of nonconventional cementitious plaster incorporating magnetite powder as a potential repair material for concrete in nuclear power plants (NPPs), focusing on its mechanical and radiation shielding properties. Five different mixtures of cement plaster were formulated, varying the proportions of magnetite powder and traditional sand. The study conducted experimental evaluations on workability, density, compressive strength, and gamma-ray attenuation, alongside computational assessments using software such as EpiXS, NXCom, and MRCsC.
Findings indicate that the inclusion of magnetite powder significantly affects the properties of the plaster. Specifically, the compactness of the matrix decreased by up to 46.2%, leading to a reduction in compressive strength by as much as 65.4% with higher magnetite content. Conversely, the density of the plaster increased by up to 48.7% compared to traditional cement plaster. Notably, the enhanced density contributed to improved radiation shielding efficiency; the plaster with 100% magnetite content exhibited a linear attenuation coefficient (LAC) for gamma rays that was 264% higher at 0.01 MeV and 43% higher at 10 MeV than that of traditional sand plaster, along with superior fast neutron shielding performance.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the critical role of concrete as a structural material in nuclear power plants (NPPs), particularly in the construction of containment structures that must endure extreme conditions and prevent radioactive leaks. The integrity and leak-tightness of concrete containment buildings (CCBs) are essential, necessitating the management of age-related degradation and construction quality issues. To address these challenges, researchers are focused on developing advanced cement-based materials that enhance radiation attenuation and structural durability, thereby ensuring the safety and reliability of nuclear installations.
Several studies are referenced, demonstrating various approaches to improve concrete performance against radiation. For instance, Tousi et al. found that replacing 20% of cement with magnetite powder improved gamma-ray shielding by up to 43%, despite a slight reduction in strength. Barforoush et al. reported that adding basalt fibers to high-performance concrete with magnetite increased ductility and radiation shielding. Additionally, Jóźwiak-Niedźwiedzka et al. emphasized the importance of aggregate and cement type on concrete’s gas permeability and radiation shielding effectiveness. Ghorbani et al. further explored the benefits of incorporating magnetite and hematite with nano-silica, revealing enhanced mechanical properties and superior radiation shielding. Other studies highlighted the effects of various materials, such as colemanite and lead oxide, on concrete’s shielding capabilities and mechanical strength, underscoring the ongoing efforts to optimize concrete formulations for nuclear applications.
Methods
In this study, Portland Cement CEM-I was employed, with its physical properties detailed in Table 1 and chemical composition analyzed via X-Ray Fluorescence (XRF) presented in Table 2. The cement exhibited a fineness of 3550 cm²/g, an initial setting time of 170 minutes, a soundness expansion of 1 mm, a water consistency of 27%, a loss on ignition of 1.6%, and a particle size of 15 microns. The chemical composition revealed significant components including 58.91% CaO, 20.55% SiO₂, and 5.58% Al₂O₃.
Additionally, natural siliceous sand, characterized by a specific gravity of 2.65 and a maximum nominal size of 0.2 mm, was utilized as fine aggregate, adhering to ASTM D75 standards. The study also incorporated magnetite powder, which has a specific gravity of 5.1 and an average particle size of 825 μm, as a substitute for traditional silica sand. The rationale for using magnetite lies in its abundance, cost-effectiveness, high iron content, and suitability for producing cementitious composites with radiation shielding properties. The chemical composition of the magnetite powder, also analyzed via XRF, is summarized in Table 3, highlighting a significant iron oxide content of 63.3% Fe₂O₃. Sieve analysis distributions for both the sand and magnetite powder are illustrated in Figure 2.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights significant advancements in the radiation shielding properties of cement-based materials, particularly through the incorporation of various additives such as recycled concrete aggregates, nanomaterials, and magnetite powder. Fattouh et al. demonstrated that modifying the aggregate gradation of recycled concrete aggregates enhances both mechanical properties and radiation shielding, with optimal performance observed in mixes with adjusted gradation. Similarly, Fathy et al. found that high-strength concrete incorporating nano-lead monoxide and nanogranodiorite powder improved compressive strength and gamma-ray shielding, particularly with an optimized hybrid mix. Furthermore, studies by Sikora et al. and Kunchariyakun et al. confirmed that the addition of iron oxide nanoparticles significantly enhances the radiation shielding capabilities of cement plaster, albeit at the cost of reduced compressive strength due to increased porosity.
The research also emphasizes the potential of magnetite powder as a sustainable alternative to traditional silica sand in cement plaster mixtures. The experimental results indicate that while the incorporation of magnetite leads to increased density and improved radiation shielding effectiveness, it concurrently reduces workability and compressive strength. Notably, the linear attenuation coefficient for gamma rays decreases with increasing energy, with higher magnetite content correlating with enhanced shielding performance due to the increased effective atomic number. The findings suggest that magnetite-based cement plasters could serve as effective materials for repairing structural elements in nuclear applications, addressing common construction defects while providing necessary radiation protection. Overall, the study underscores the importance of optimizing material compositions to balance mechanical performance and radiation shielding capabilities in cementitious materials.