Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7295
Development of modeling tools to describe the corrosion
behavior of uncoated EUROFER in flowing Pb-17Li and their validation by
performing of corrosion tests at T up to 550°C
Wolfgang Krauss, Jürgen Konys, Helmut Steiner, J. Novotny, Z.
Voss, O. Wedemeyer
Abstract
Reduced activation ferritic-martensitic steels (e.g. EUROFER)
are considered for application in future fusion technology as structural
material, which is in contact with the breeding material Pb-17Li. Various
corrosion experiments have been made in the past, however, evaluation of these
tests, which were mostly conducted up to moderate temperatures of up to 480°C,
was performed with respect to determine corrosion rates and mechanisms e.g.
dissolution of some elements out of the steels and comparison of the results
with earlier tested RAFM-steels of type F82H-mod. OPTIFER, and MANET. In the
mean time the envisaged operation limits e.g. in temperature increased to
roughly 550°C and flow regimes may change. Thus extrapolations of the RAFM
steel corrosion behavior determined in the past to the new working conditions
may be problematic due to large uncertainties or reliability and, additionally,
only low knowledge on transport of dissolved components in the Pb-17Li flow is
present. In contrast to earlier investigations, these changes in requirements
need the going over from (only) mechanism based corrosion tests to model
supported tests. Furthermore, the whole loop has to be considered in the
evaluation of the corrosion tests together with other occurring phenomena and
mechanisms as transport effects and precipitations.
Therefore, under this task the development of modeling tools
for describing Pb 17Li corrosion (dissolution, material transport and
precipitations) was started. The modular structured tools are based on
physical, chemical and thermo-hydraulic parameters and, in the first stage, the
development was focused on the dissolution of EUROFER and validation with older
test results obtained at 480°C in our PICOLO loop earlier. In the second stage
the new 550°C test results – obtained in the part corrosion testing of
this task - were used for validation at a second temperature level and
transport phenomena were considered.
This report consists of the two subtasks a) corrosion testing
and b) modeling with the main achievements given for each part in the next
paragraphs.
A) Corrosion testing at 550°C
The corrosion testing of bare cylindrical EUROFER samples was
performed in the upgraded PICOLO loop for testing at the new blanket relevant
temperature of 550°C in flowing Pb-17Li with a flow rate of about 0.22 m/s
– the same flow value and configuration as used in earlier 480°C tests.
The post exposure analyses of the samples from the 550°C champagne showed that
the corrosion mechanisms are the same as detected at the lower exposure
temperature of 480°C namely homogeneous corrosion attack and dissolution of
steel components. In the test series durations up to 5,000 h were examined and
a corrosion rate was evaluated of about 500 µm/a. This value is more than 5
times the rate observed in 480°C tests and represents a dramatically increase
in corrosion rate by a slight increase of only 70 K in testing temperature.
Under these conditions 1 m² TBM surface would generate about. 4 kg Fe dissolved
in Pb-17Li per year. The operation of PICOLO loop showed clearly the dangerous
situation of loop blockages by precipitations formed in the cooler sections
after short times (approx. 3,000 h) due to the high amount of dissolved and
transported corrosion products. Looking in more detail the first test results
obtained at 550°C with a short time base of 5,000 h will not have yet the high
reliability for extrapolation up to several 10,000 h known from the 480°C tests
as required for TBM design. However a new test series was launched to increase
reliability and also statistics with exposure times up to 10,000 h. A global
valuation of the evaluated corrosion rates at 550°C in comparison with 480°C
values and data coming from other laboratories using the empirical Sannier
correlation showed that the new 550°C data are well positioned in the complex
temperature and flow rate depending corrosion attack picture. These corrosion
figures illustrate that corrosion of bare RAFM steels at high temperatures
– also at reduced flow rates in real TBM’s - may be a serious and
challenging task in handling of blanket systems beside tritium permeation and
may require corrosion protection measures by coatings.
B) Development of modeling tools and their validation
The developed modeling tools are based on physical and
electrochemical parameters to describe the occurring mechanisms and phenomena
in a non- isothermally operated loop. The developed and validated tools will
simulate in the basic model configuration dissolution (corrosion attack),
transportation of corrosion products and precipitation effects in dependence of
the thermo hydraulic parameters (e.g. flow velocity, temperature profile) of
the test loop PICOLO. The validation process showed that the selection of ‘good’
physical properties e.g. diffusion coefficients will have a critical impact on
the results modeled. The validation of the two different test temperatures
indicated that probably values evaluated by Feuerstein will be most reliable
ones. Under these boundary conditions the developed tools reproduced the
measured corrosion rates (90 µm/a at 480°C and 500 µm/a at 550°C) rather well
with about 80 µm/a and 520 µm/a, respectively. The parameterization of the
whole loop showed the sections where dissolution or precipitation takes place
in dependence of the local temperatures. The modeling of precipitation needs
more experimental input to decide whether needle like particles are formed or
if precipitates grow on the surfaces. Additionally, validation with varied flow
rates should be performed in future to have a tool for reliable prediction of
effects in TBM’s working far away of tested loop configuration.
Zusammenfassung
In einem zukünftigen
Fusionsreaktor soll der ferritisch-martensitische Stahl Eurofer 97 als
Strukturmaterial, das sich in direktem Kontakt mit dem flüssigen Brutmaterial
Pb 17Li befindet, eingesetzt werden. Die Verwendbarkeit dieses niedrig
aktivierbaren Stahles wird entscheidend von seiner Beständigkeit in dem
strömenden Flüssigmetall Pb-17Li bestimmt werden. In verschiedenen
zurückliegenden Untersuchungsreihen wurde das reine Korrosionsverhalten von
ferritisch-martensitischen Stählen (z. B. Manet, Optifer, F82H-mod. oder
Eurofer 97) bei Testtemperaturen von 480°C untersucht. Im Vordergrund standen
dabei die Bestimmung auftretender Korrosionsmechanismen und die Auswertung der
Korrosionsraten. Neue Designstudien zur TBM Auslegung weisen jedoch auf erhöhte
Betriebstemperaturen von ca. 550°C mit variierenden Strömungsbedingungen hin.
Eine Extrapolation der vorhandenen Ergebnisse in diese Bereiche ist jedoch nur
mit großen Unsicherheitsfaktoren möglich und Daten zum Transport- und
Ausscheidungsverhalten der Korrosionsprodukte, welche Korrosionsraten und
sichere TBM-Betriebszustände mitbestimmen, sind nahezu nicht vorhanden. Die
Analyse der verfügbaren Daten zeigte, dass eine Extrapolation aus vorhandenen
480°C-Daten auf höhere Temperaturen und/oder geänderte Strömungsbedingungen
ohne Einsatz modellbasierter Auswertungskomponenten nicht oder nur mit großen
Fehlern möglich ist.
Unter
Berücksichtigung dieser Randbedingungen und dem Wunsch einer zukünftigen
Übertragung des Korrosionsverhaltens auf TBM Bedingungen wurde eine
Modellentwicklung zur Beschreibung des Korrosionsverhaltens von RAFM-Stählen in
fließendem Pb-17Li begonnen. Die Modellkomponenten basieren dabei auf
physikalisch-chemischen Materialparametern und berücksichtigen auch den
Trans-port und das Ausscheidungsverhalten inklusive der unterschiedlichen
Temperaturniveaus in dynamischen Systemen. Die modular strukturierten
Komponenten wurden im Korrosionscode MATLIM zusammengeführt. In der ersten
Ausbaustufe bildet dieser Code die Verhältnisse des verwendeten Testloops
PICOLO ab. Zu seiner Validierung wurden sowohl die bereits vorhandenen Korrosionsraten
(480°C Tests) als auch neu bei 550°C gemessene Korrosionswerte hinzu gezogen.
Die ausgeführten Korrosionsversuche von Eurofer 97 bei 550°C in strömenden Pb
17Li bei einer Flussrate von 0.22 m/s zeigten dramatisch erhöhte
Korrosionsraten von ca. 500 µm/Jahr im Vergleich zu etwa 90 µm/Jahr bei 480°C.
Des Weiteren kam es während des Versuchsbetriebs zu Strömungsblockierungen im
Kreislauf durch Ausscheidungsprodukte in kälteren Zonen. Beide Ergebnisse
zeigen damit anschaulich das vorhandene Risiko beim Betrieb von TBMs unter
diesen Betriebsbedingungen und fordern evtl. Korrosionsschutzschichten zur
Begrenzung der Korrosion. MATLIM war in der Lage, mit ca. 80 µm/Jahr (480°C)
bzw. 520 µm/Jahr (550°C) die experimentell ermittelten Werte sehr gut voraus zu
berechnen. Weiterhin konnte MATLIM auch das beobachtete Ausscheidungsverhalten
im kalten Bereich recht gut voraussagen. Speziell im Bereich Transport- und
Ausscheidungsverhalten weisen die neuen Ergebnisse auf deutliche Wissenslücken
beim Betrieb von dynamischen Systemen hin und fordern weitere Untersuchungen
zum Ausscheidungsverhalten.
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