SSM perspektiv
Bakgrund
Den metod som den svenska kärnkraftsindustrin planerar att tillämpa för att slutförvara använt kärnbränsle kallas för KBS-3 och bygger på tre skyddsbarriärer: kopparkapslar, bentonitbuffert och det svenska urberget. I den aktuella KBS-3-utformningen kommer det använda kärnbränslet att placeras i en insats av gjutjärn som omgärdas av ett 50 mm tjockt kopparhölje. Gjutjärnsinsatsen ger mekanisk hållfasthet och strålskydd, medan kopparhöljet utgör kapselns korrosionsbarriär. Kapseln ska sedan deponeras i ett förvar i Forsmarks urberg på ett djup på ca 500 m, där varje kapsel omsluts av en bentonitbuffert, främst för att begränsa transport av grundvatten till och från kapselytan. Vid utvärdering av KBS-3-systemets långsiktiga skyddsförmåga är förståelsen för långtidsutvecklingen av processer som kan påverka kapselns inneslutningsfunktion, till exempel lokala korrosionsprocesser såsom spänningskorrosion och gropkorrosion under reducerande kemiska betingelser, av stor vikt. Forskningsstudier som kan bidra till att belysa förutsättningar och utöka förståelsen för dessa typer av fundamentala processer och mekanismer utgör därför viktiga underlag i sammanhanget. För att avgöra betydelsen av enskilda resultat för bedömningen av ett KBS-3-slutförvars långsiktiga strålsäkerhet kräver dock ett beaktande av aktuell slutförvarsmiljös förhållanden och långsiktiga utveckling och de i detta sammanhang för processen viktigaste parametrarna. För gropkorrosion under reducerande betingelser är dessa i första hand koncentrationer och flux av vätesulfidjoner, samt även kloridhalt, vilka kräver en förståelse och analys av både grundvattenkemiska förhållanden och transportprocesser i kapselns närhet. För spänningskorrosion, vilket även förutsätter förekomst av dragspänningar i höljet, fordras också, utöver parametrarna som styr förutsättningarna för gropkorrosion i slutförvarsmiljö, en förståelse av lasterna som kan förekomma i slutförvaret samt utvecklingen av spänningsförhållanden i kapseln.
Resultat
Spänningskorrosion av OFP-koppar i reducerande sulfidmiljö har studerats med SSRT-metoden, i vilken kopparproverna utsätts för dragspänningar under långsam belastning, vid 90 oC och olika sulfidkoncentrationer (0,001 M respektive 0,00001 M). Vid den högre sulfidkoncentrationen observerades interkristallina defekter i kopparmaterialet vilket inte noterades i prover som exponerats vid den lägre sulfidkoncentrationen. I samma försöksmiljö exponerades även obelastade kopparprover, både basmaterial och koppar från svetsat material, för att utröna effekten av mekanisk pålastning på omfattningen av väteladdning i kopparmaterialet. Högst väteladdning observerades i de obelastade, svetsade kopparproverna. För basmaterialet konstaterades att mekaniskt laddade kopparprover uppvisar en något högre vätehalt efter exponering än de obelastade proverna. För obelastade prover exponerade vid den lägre sulfidkoncentrationen noterades en lägre vätehalt efter exponering än före. Det observerades att sulfideringen av oxidfilmer som bildats på SSM 2020:01 kopparproverna före exponering var väldigt effektiv. En utförligare sammanfattning av resultaten återfinns i ”Summary” i inledningen av rapporten.
Relevans
Detta forskningsprojekt är en fortsättning på en SSM-finansierad studie (SSM 2017:02) som syftade till att belysa kemiska och mekaniska förutsättningar för spänningskorrosion av syrefri, fosfordopad koppar, så kallad OFP-koppar, i sulfidmiljö under kemiskt reducerande förhållanden genom långsam belastning av kopparprover i lösningar med varierad sulfidkoncentration (SSRT; Slow strain rate testing). Denna fortsättningsstudie fokuserar på att bekräfta och noggrannare inringa de gränsvärden på sulfidkoncentration och dragspänningar under vilka spänningskorrosion inte kunde observeras i det föregående projektet, samt även studera omfattningen av väteladdning som följd av sulfidkorrosion i både pålastade och obelastade kopparprover.
Behov av vidare forskning
Spänningskorrosion är en lokal korrosionsform som är förhållandevis komplex då den innefattar en samverkan mellan kemiska och mekaniska förhållanden. Föreliggande studie har bidragit till att uppskatta både kemiska, främst sulfidkoncentration, och mekaniska gränsvärden under vilka processen inte kan observeras. Mot bakgrund av spänningskorrosionsprocessers komplexitet anser SSM att det finns en relevans av att fortsatt studera spänningskorrosion av koppar under kemiskt reducerande betingelser, liksom processens mekanistiska förutsättningar samt även mekanismer för väteladdning av koppar. En ur ett KBS-3-slutförvarsperspektiv relevant inriktning skulle kunna innefatta experimentella studier med högre känslighet och detektionsförmåga som simulerar väteladdning av koppar i slutförvarsmiljö, samt inverkan av väteladdning i perspektivet spänningskorrosion.