Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6809
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,“ (November 2000 to October 2003) 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 to 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). In
the present paper the results obtained in the second year of the project
(November 2001-October 2002) are presented.
The results of long-term immersion experiments on coupled specimens of Ti99.8-Pd and TStE355 carbon steel in MgCl2-rich brine (T=150°C) indicate that in the absence of gamma radiation no contact corrosion occurs. In the presence of gamma radiation of 10 Gy/h, however, severe contact corrosion occurs, which results in a significant increase in the corrosion rate of the steel. Cu and the Cu-Ni alloys 90-10 and 70-30 exhibit in NaCl-rich brine very low corrosion rates (3-12 µm/a). In MgCl2-rich brine the corrosion rates of these materials are clearly higher (24-46 µm/a) than in NaCl-rich brine, and in addition intergranular corrosion was observed on Cu and Cu-Ni 90-10. Electrochemical studies at rest potentials in brines (T=25°C and 80°C) show in agreement with the long-term immersion experiments that the corrosion rates of carbon steel, Cu, Ni, and Cu-Ni alloys in MgCl2-rich brine are higher than in NaCl-rich brine. Contact corrosion studies on material pairs such as carbon steel in contact with Cu, Ni and Cu-Ni alloys or Cu in contact with Ni show that the contact corrosion potential is dominated by the less noble partner, i.e., carbon steel and Cu.
In granitic
water with low Cl- concentration (98 mg/l) at 90°C, the carbon steel is
sufficient resistant to pitting corrosion. However, in granitic-bentonite
environment with high Cl- concentration (6280 mg/l), severe pitting corrosion
occurs. The results of slow strain rate tests, electrochemical studies, and
crevice corrosion experiments (90°C) in granitic-bentonite environments (up to
50000 ppm Cl-) indicate that the materials Hastelloy C-22, Cu and Cu-Ni 70-30
are resistant to stress corrosion cracking, pitting and crevice corrosion,
except the Cu-Ni 70-30 at 50000 ppm Cl-, in which a slight
susceptibility to stress corrosion cracking was observed at strain rates of 10-6
s-1 and 2x10-7s-1.
In clay
water (aerobic conditions, 100-50000 ppm Cl-, 140°C), the corrosion allowance
material TStE355 is subject to general corrosion. Among the passively corroded
materials only the alloy Ti99.8-Pd is resistant to pitting and crevice
corrosion. The Ni-base alloys Hastelloy C-4 and Hastelloy C-22 show a slight
crevice corrosion at Cl- concentrations higher than 20000 ppm Cl-. The
stainless steels investigated show a lower resistance to pitting corrosion than
the Ni-base alloys, but pitting corrosion occurs at Cl-
concentrations which are significantly higher than those expected in the near
field environment of the Belgian disposal concept.
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“ (November
2000-Oktober 2003) 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). In der vorliegenden Arbeit wird
über die im zweiten Projektjahr gewonnenen Untersuchungsergebnisse berichtet.
Die Ergebnisse der Langzeit-Immersionsexperimente an
Kontaktproben aus Ti99,8-Pd und unlegiertem Stahl (TStE355) in MgCl2-reicher
Salzlösung (T=150°C) zeigen, daß in Abwesenheit von Gammastrahlung keine
Kontaktkorrosion am Werkstoffpaar Ti99,8-Pd/Stahl auftritt. In Gegenwart eines
Gammastrahlenfeldes von 10 Gy/h hingegen tritt bei diesem Werkstoffpaar eine
starke Kontaktkorrosion auf, die zu einer signifikanten Erhöhung der
Korrosionsrate des Stahls gegenüber dem Wert der entsprechenden
Einzelstahlproben führt. Die Korrosionsraten von Cu und der Cu-Ni Legierungen
90-10 und 70-30 in NaCl-reicher Lösung (T=150°C) sind sehr niedrig (3-12 µm/a).
In MgCl2-reicher Lösung sind die Korrosionsraten dieser Werkstoffe deutlich
höher als in NaCl-reicher Lösung (24-46 µm/a) und zusätzlich tritt bei Cu und
Cu-Ni 90-10 interkristalline Korrosion auf. Elektrochemische
Korrosionsuntersuchungen an Werkstoffpaaren wie unlegierter Stahl in Kontakt
mit Cu, Ni und Cu-Ni-Legierungen oder Cu in Kontakt mit Ni (T=25°C und 80°C)
zeigen, daß die Kontaktkorrosionspotentiale durch das unedlere Metall Stahl
bzw. Cu (im System Cu-Ni) bestimmt wird.
In Granitwasser (T=90°C) mit niedriger
Cl--Konzentration (98 mg/l) zeigt der unlegierte Stahl TStE355 eine
ausreichende Beständigkeit gegenüber Lochkorrosion. In Gratitwasser mit hoher
Cl--Konzentration (6280 mg/l) hingegen tritt bei dem Stahl eine starke
Lochkorrosion auf. Die Werkstoffe Hastelloy C-22, Cu und Cu-Ni 70-30 sind in
Granit-Bentonit Milieu (T=90°C) bis zu 50.000 mg/l Cl- beständig gegenüber
Spannungsrißkorrosion, Lochkorrosion und Spaltkorrosion, ausgenommen der
Legierung Cu-Ni 70-30, die bei 50.000 mg/l Cl- und sehr niedrigen
Dehnungsraten von 10-6 s-1 und 10-7 s-1
eine leichte Empfindlichkeit gegenüber Spannungsrißkorrosion zeigt.
In Tonwasser (aerobe Bedingungen, 100-50.000 ppm Cl-,
140°C) sind der Stahl TStE355 und die Legierung Ti99.8-Pd unter allen
Prüfbedingungen beständig gegenüber Loch- und Spaltkorrosion. Bei hohen Cl-
Konzentrationen zeigen Hastelloy C-4 und Hastelloy C-22 eine leichte
Empfindlichkeit gegenüber Spaltkorrosion und die Cr-Ni-Stähle sind anfällig
gegenüber Lochkorrosion. Allerdings sind diese Cl- -Konzentrationen
deutlich höher als die im belgischen Endlagerkonzept zu erwartenden Werte.
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