Abstract

Extended corrosion studies were performed on preselected HLW/Spent Fuel container materials (carbon steel, stainless steels, Ti99.8-Pd, Hastelloy C4) under simulated disposal conditions in rock salt, granite and clay environments. The objectives of the studies were: to evaluate the effect of essential parameters on corrosion, to gain an improved understanding of corrosion mechanisms, and to provide more accurate data for a materials degradation model that can be used to predict the lifetime of containers. The investigations included long-term immersion tests, electrochemical studies, and stress corrosion cracking studies. Parameters investigated in salt environment were: pH, composition of brines, chemical species present in brines, gamma radiation, welding and slow strain rates at 25°C-170°C. In granitic water, the effect of slow strain rates on the stress corrosion cracking resistance of steels was examined at 90°C. Finally, in oxidizing clay water (aerobic conditions), the influence of temperature (16°C, 90°C), and content of Cl^-, SO₄^2- and S₂O₃^2- on corrosion was investigated.

The results obtained confirm previous findings that the alloy Ti99.8-Pd is the strongest candidate for the realization of the corrosion-resistant container concept in the three geological formations rock salt, granite and clay. This alloy is under all test conditions resistant to pitting corrosion and stress corrosion cracking, and its general corrosion is negligible low. The nickel base alloy Hastelloy C4 resists also pitting corrosion up to 90°C in oxidizing clay water. Therefore, this alloy is a further promising container material for disposal in clay. The stainless steels suffer from pitting corrosion in clay water at elevated Cl^- concentrations. Also in granitic environment, pitting was observed on the stainless steel AISI 316L. Therefore, the use of stainless steels as container material could lead to long-term pitting corrosion problems. The TStE355 carbon steel is an actively corroding material in salt brines and clay water, and its corrosion rate is significantly higher than that of corrosion resistant materials such as Ti99.8-Pd or Hastelloy C4. However, the corrosion rates of this steel imply corrosion allowances acceptable for thick-walled containers. In granitic environment (90°C) some pits were detected on the carbon steel. Therefore, the kinetics of the pitting corrosion in this environment should be examined by long-term corrosion tests. Further investigations on steels, Hastelloy C4 and Ti99.8-Pd are in progress.

Bewertung der Korrosionsbeständigkeit von metallischen Werkstoffen für langzeitbeständige HAW-Endlagerbehälter

Kurzfassung

Es wurden umfangreiche Korrosionsuntersuchungen an ausgewählten Behälter-werkstoffen (unlegierter Stahl, Cr-Ni-Stähle, Hastelloy C4 und Ti99,8-Pd) unter simulierten Endlagerbedingungen in Steinsalz, Granit und Ton durchgeführt. Die Ziele der Untersuchungen waren: Bewertung des Einflusses wichtiger Parameter auf das Korrosionsverhalten der Werkstoffe, Verbesserung der Kenntnisse über die Korrosionsmechanismen und die Gewinnung von sicheren Daten für ein Korrosionsmodell mit dem die Standzeit der Behälter unter Endlagerbedingungen prognostiziert werden kann. Die Untersuchungen umfaßten Langzeit-Immersions-tests, elektrochemische Untersuchungen und Spannungsrißkorrosionsunter-suchungen. Untersuchte Parameter für die Endlagerung in Steinsalz waren: pH, Zusammensetzung der Salzlösungen, ausgewählte chemische Spezies in Salzlösungen, Gammastrahlung, Schweißen, langsame Dehnungsraten und Temperatur. In Granitwasser wurde der Effekt von langsamen Dehnungsraten auf die Beständigkeit von Stählen gegenüber Spannungsrißkorrosion bei 90°C unter-sucht. In Tonwasser wurde der Einfluß der Temperatur und der Konzentration von Cl^-, SO₄^2- und S₂O₃^2- auf die Korrosion geprüft.

Die Ergebnisse bestätigen frühere Untersuchungen, daß die Legierung Ti99,8-Pd der aussichtsreichste Werkstoff für die Realisierung des korrosionsresistenten Behälterkonzeptes in den drei geologischen Formationen Steinsalz, Granit und Ton ist. Diese Legierung ist unter allen Prüfbedingungen beständig gegenüber Loch- und Spannungsrißkorrosion und ihre Flächenkorrosion ist vernachlässigbar klein (<1µm/a). Die Nickelbasislegierung Hastelloy C4 ist ebenfalls beständig gegenüber Lochkorrosion in oxidierendem Tonwasser und damit ein aussichtsreicher Behälterwerkstoff. Die Cr-Ni-Stähle sind anfällig gegenüber Lochkorrosion in Tonwasser bei höherer Cl^--Konzentration. Auch in Granitwasser zeigt der Cr-Ni-Stahl AISI 316 L eine Anfälligkeit gegenüber Lochkorrosion. Damit könnten Endlager-behälter aus Cr-Ni-Stahl ihre Langzeit-Barrierenfunktion im Endlager durch Loch-korrosion verlieren. Der unlegierte Stahl TStE355 ist ein aktiv korrodierendes Material in Salzlösungen und Tonwasser und damit ist seine Korrosionsrate wesentlich höher als diejenige der korrosionsresistenten Werkstoffe Hastelloy C4 und Ti99,8-Pd. Allerdings führen die ermittelten Korrosionsraten des untersuchten unlegierten Stahls zu akzeptablen Korrosionszuschlägen für einen dickwandigen Behälter. In Granitwasser (90°C) wurde eine Anfälligkeit des Stahls gegenüber Lochkorrosion festgestellt. Daher sind Langzeituntersuchungen zur Bestimmung der Kinetik der Lochkorrosion notwendig. Weitere Korrosionsuntersuchungen an Stählen, Hastelloy C4 und Ti99,8-Pd sind im Gange.