SSM perspektiv
Bakgrund
Spänningskorrosion (SCC) i lastbärande konstruktioner har varit en långvarig orosfaktor i både tryckvattenreaktorer och kokvattenreaktorer. Den specifika miljön i kärnkraftstillämpningar består av höga temperaturer och tryck som tillsammans med strålningsfältets inverkan på kylvattnets kemi ger tuffa förhållanden för de material som används i vissa av applikationerna. Det är därför viktigt att förbättra förståelsen av korrosionsprocessen och att få ökad kännedom om hur kylvattnets kemi påverkar de kromoxidbildande nickelbaslegeringarna som används i lättvattenreaktorer.
Detta projekt behandlar atomistisk modellering av väsentliga sensibiliseringsprocesser som skulle kunna bidra till spänningskorrosionssprickor hos lastbärande nickelbas-legeringar i vissa kärnkraftstillämpningar.
Resultat
En sensibiliseringsprocess har formulerats och validerats med hjälp av täthetsfunktionalteori, för kromoxidbildande nickelbaslegeringar vilka normalt används för såväl sin hållfasthet som korrosionsförmåga.
Det skyddande kromoxidskalet utsätts för upplösning av kromoxid såväl som intermittent mikrosprickbildning, där läkning sker genom utåtriktad diffusion av Cr längs legeringens korngränser till Cr-utarmade områden såsom sprickspetsar. Korrosion uppstår om Cr inte tillförs från legeringen. Detta kan bero på Cr-utarmning framför sprickspetsen in i oxiden eller på minskad rörlighet hos kromatomerna i legeringen.
I denna studie beskrivs hur vatten kan fungera som oxidationsmedel för krom i nickelbaslegeringar, förutsatt att vattenmolekyler når gränsytan mellan metall och oxid. Här bildas ny oxid samtidigt som väte antingen avges som vätgas, som hydridjoner i oxidskalet, eller införlivas i legeringen. I det senare fallet tenderar väte att sätta sig i anslutning till atomvakanser i legeringen, vilket minskar dessas rörlighet. Denna reaktionsväg blir viktig då den kromutarmade oxidbeläggningen, som huvudsakligen består av nickeloxid, lätt omvandlas till nickelhydroxid, vilket underlättar vattentransporten till reaktionszonen bortom sprickspetsen. Här undertrycks vätgasutvecklingen på grund av det begränsande lokala utrymmet. Därmed gynnas istället väteupptagningen i legeringen. Sensibilisering för spänningskorrosion uppstår eftersom minskad utåtriktad diffusion främjar intern oxidation av krom. De kvantkemiska beräkningarna understöds av den kvalitativa elektrokemiska Wagnerteorin för bland annat storleksordningsuppskattningar.
Slutligen diskuteras litiums inverkan på korrosion. Litium sätts till kylvattnet för att stabilisera dess kemi, främst dess pH. Studien pekar på att litiums kemi med nickeloxihydroxidskiktet liknar den för väte men att inverkan av litium är mer skadlig på grund av den mer joniska karaktären i [Li-O]- jämfört med den i [H-O]-.
Relevans
Kunskap om de miljösensibiliserande processer som påverkar lastbärande nickelbaslegeringar som är känsliga för spänningskorrosion är avgörande för att långsiktigt öka strålsäkerheten vid kärnkraftverk. SSM har bidragit till utvecklingen av modeller som ökar förståelsen för miljösensibilisering av nickelbaslegeringar i både BWR och PWR. Genom att finansiera en grupp forskare vid Chalmers tekniska högskola har SSM också bidragit till att upprätthålla nationell kompetens inom strålsäkerhet.
Behov av vidare forskning
Denna rapport ger en teoretisk grund för vidareutveckling av modeller som kan bidra till att utveckla bättre nickelbaslegeringar för kärntekniska tillämpningar på lång sikt.