Long-Term Performance of Candidate Materials for HLW/Spent Fuel Disposal Containers

E. Smailos, M.Á. Cuñado, I. Azkarate, B. Kursten, G. Marx

Abstract
In the project “Corrosion Evaluation of Metallic Materials for Long-Lived HLW/Spent Fuel Disposal Containers,“ in-depth corrosion studies are performed on preselected container materials in rock salt, granite and clay environments. The materials investigated are carbon steel, stainless steels, Ni-base alloys (Hastelloy C-4 and Hastelloy C-22), the alloy Ti99.8-Pd and Cu-base materials. The objectives of the studies are: to determine the influence of essential parameters (e.g., composition of the medium, temperature etc.) on corrosion, to gain a better understanding of corrosion mechanisms, and provide more accurate data for modeling the corrosion of the containers over hundred of years. 

To achieve the objectives of the project, a combination of chemical experiments (long-term immersion tests), electrochemical studies, and stress corrosion cracking studies are performed. The project is a joint undertaken of FZK.INE (project co-ordinator; investigations in rock salt and granite), GNF.IUT (investigations in rock salt), ENRESA/INASMET (studies in granite), and SCK.CEN (studies in clay).

The project started on 1 November 2000 and will last three years till 31 October 2003. In the present paper the results of the investigations performed during the first year of the project are presented.

The results of the investigations in MgCl2-rich brine (T = 150°C) indicate that the welded specimens of the TStE355 carbon steel suffer from severe pitting corrosion. However, the stress relief thermal treated welds are resistant to pitting corrosion, as do so the unwelded specimens. In NaCl-rich brine, the welded steel is resistant to pitting corrosion and suffers only from general corrosion as the unwelded material. Investigations on contact specimens of the material pair Ti99.8-Pd and TStE355 steel in NaCl-rich brine at 150°C show that the coupling of these materials does not cause contact corrosion. Cu, Ni and Cu-Ni alloys (90-10 and 70-30) have between 25°C and 80°C in salt brines a large passive range, and the corrosion rates are low (8 - 30 µm/a).

Potentiodynamic polarization tests (20°C) in granitic-bentonite water show that Hastelloy C-22, Cu-OF and Cu-Ni 70-30 are resistant to pitting corrosion. Furthermore, Hastelloy C-22 is resistant to crevice corrosion (Cl--content: 50,000 mg/l) and to stress corrosion cracking in granitic-bentonite water. Cu-OF shows a slight crevice corrosion in this medium.

In clay water (anaerobic conditions) at 16°C and a Cl- content up to 50,000 mg/l, the materials Ti99.8-Pd, Hastelloy C-4, Hastelloy C-22 and the stainless steel UHB 904L are resistant to pitting corrosion. The stainless steels AISI 316L and AISI 316Ti show pitting corrosion at Cl--concentrations higher than 20,000 mg/l. At the higher temperature of 90°C, only Ti99.8-Pd remains resistant to general and pitting corrosion. The carbon steel TStE355 exhibits general corrosion, and the susceptibility of UHB 904L to pitting corrosion increases with growing Cl--content. However, no serious corrosion problems are expected for the UHB 904L steel under realistic disposal conditions in clay. The alloys Hastelloy C-4 and Hastelloy C-22 suffer from pitting only in solutions containing more than 20,000 mg/l Cl-. At 140°C and aerobic conditions in clay water, the susceptibility of the UHB 904L steel to pitting is higher than at 90°C.

KORROSIONSBESTÄNDIGKEIT AUSGEWÄHLTER BEHÄLTERWERKSTOFFE FÜR DIE ENDLAGERUNG VON HOCHRADIOAKTIVEN ABFÄLLEN UND ABGEBRANNTEN BRENNELEMENTEN

Zusammenfassung
Im Rahmen des EU-Projektes „Long-term performance of candidate materials for HLW/Spent fuel disposal containers“ wird das Korrosionsverhalten ausgewählter metallischer Werkstoffe unter simulierten Endlagerbedingungen in Steinsalz, Granit und Ton untersucht. Die untersuchten Werkstoffe sind ein unlegierter Stahl, legierte Cr-Ni-Stähle, Nickelbasislegierungen (Hastelloy C4 und Hastelloy C12), die Legierung Ti99,8-Pd und Kupferbasiswerkstoffe (Cu und Cu-Ni-Legierungen). Die Ziele der Untersuchungen sind: Bestimmung 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 umfassen chemische Experimente (Langzeit-Immersionstests), elektrochemische Untersuchungen und Spannungsrißkorrosionsuntersuchungen. Das Projekt ist ein gemeinsames Vorhaben von FZK.INE (Projektkoordinator, Untersuchungen in Steinsalz und Granit), GNF.INT (Untersuchungen in Steinsalz), ENRESA/INASMET (Untersuchungen in Granit) und SCK.CEN (Untersuchungen in Ton). Das Projekt dauert drei Jahre (November 2000 – Oktober 2003). In der vorliegenden Arbeit wird über die im ersten Projektjahr gewonnenen Untersuchungsergebnisse berichtet.

Die Untersuchungsergebnisse an dem unlegierten Feinkornbaustahl TStE355 in MgCl2-reicher Lösung (T=150°C) zeigen, daß die nicht wärmebehandelten Schweißproben stark anfällig gegenüber Lochkorrosion sind. Die spannungsfrei geglühten geschweißten Stahlproben hingegen sind so beständig gegenüber Lochkorrosion wie die ungeschweißten Proben. In NaCl-reicher Lösung ist der geschweißte Stahl mit und ohne Wärmebehandlung der Schweißnähte beständig gegen Lochkorrosion. Bei den Untersuchungen am Werkstoffpaar Ti99,8-Pd/TStE355 in NaCl-reicher Lösung war keine Kontaktkorrosion festzustellen. Die Werkstoffe Cu, Ni und deren Legierungen Cu-Ni 90-10 und Cu-Ni 70-30 haben in Salzlösungen zwischen 25°C und 80°C einen breiten passiven Bereich und deren Korrosionsraten sind niedrig (8-30 µm/a).

In Granitwasser (T=90°C) sind Hastelloy C22, Cu und Cu-Ni 70-30 beständig gegenüber Lochkorrosion. Darüber hinaus zeigt in diesem Medium die Legierung Hastelloy C22 eine gute Beständigkeit gegenüber Spaltkorrosion (Cl-: 50.000 mg/l) und Spannungsrißkorrosion, während Cu leicht empfindlich gegenüber Spaltkorrosion ist.

In Tonwasser (anaerobe Bedingungen) bei 16°C und einem Cl- Gehalt von 50.000 mg/l sind die Werkstoffe Ti99,8-Pd, Hastelloy C4, Hastelloy C22 und der Cr-Ni Stahl UHB 904 L beständig gegenüber Lochkorrosion. Die Cr-Ni Stähle AISI 316 L und AISI 316 Ti zeigen bei Cl-Konzentrationen höher als 20.000mg/l Lochkorrosion. Bei der höheren Temperatur von 90°C ist nur die Legierung Ti99,8-Pd beständig gegenüber Flächen- und Lochkorrosion. Bei dem unlegierten Stahl TStE 355 ist eine Flächenkorrosion und bei dem Cr-Ni Stahl UHB 904L eine zunehmende Empfindlichkeit gegenüber Lochkorrosion mit steigendem Cl- Gehalt festzustellen. Allerdings sind bei dem Stahl UHB 904 L bei realistischen Cl- Gehalten in Ton keine ernsthaften Korrosionsprobleme zu erwarten. Die Legierungen Hastelloy C4 und Hastelloy C22 erweisen sich als empfindlich gegenüber Lochkorrosion nur in Tonwässern mit einem Cl- Gehalt höher als 20.000 mg/l. Bei 140°C und aeroben Bedingungen in Tonwasser ist die Empfindlichkeit des Stahls UHB 904 L gegenüber Lochkorrosion deutlich höher als bei 90°C

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