The effect of lithium and boron on stress corrosion cracking in high nickel alloys in pressurized water reactor environment
No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Ask about the availability of the thesis by sending email to the Aalto University Learning Centre oppimiskeskus@aalto.fi
Author
Date
2016-10-31
Department
Major/Subject
Soveltava materiaalitiede
Mcode
MT3001
Degree programme
MTE - Materiaalitekniikan koulutusohjelma
Language
en
Pages
99+4
Series
Abstract
In a pressurized water reactor (PWR) primary environment boron, as boric acid, is used as reactivity controlling agent and lithium, as lithium hydroxide, as pH controlling agent. In recent years, a general shift in the nuclear power plant industry toward extended fuel cycles has taken place. As a result, modified water chemistry programs with higher lithium and boron concentrations have been introduced. Of late, concerns over the possibility of deleterious effect of these elevated chemistry modifications on stress corrosion cracking (SCC) have been raised. PWR materials include a variety of nickel-base alloys which are used as structural and component materials in the reactor coolant system. The phenomenon of primary water stress corrosion cracking (PWSCC), associated with nickel-base alloys, has been known already for several decades. Extensive research related to Inconel Alloy 600 PWSCC has been conducted in the past. However, research on the subject of high lithium and boron seems to be limited in the current literature. In this Master’s thesis SCC susceptibility of an Inconel Alloy 600 material in a simulated PWR primary environment was studied. The principal research method was slow strain rate testing (SSRT). Tests were carried out by using two different strain rates, test temperatures and chemical compositions including a lower and a higher lithium and boron concentration. As supportive research methods, electrochemical impedance spectroscopy (EIS), linear polarization resistance (LPR) and Tafel measurements were used. Primary objective of the study was to investigate the effect of increased lithium and boron contents on SCC initiation. The highest used Li/B values were 10 and 3500 ppm, respectively. As far as is known, no exactly similar research has been conducted previously, i.e., by using this high Li/B contents coupled with the methods that were used. According to the findings, SCC was not observed in any of the studied environments, including high Li/B chemistry, in a sensitized Alloy 600 heat. However, the used heat proved to have a relatively low susceptibility to SCC in general, although it contained chromium depletion. In spite of this, the findings have significance. The possibly deleterious effect of high Li/B chemistry on SCC, however, may not be definitely ruled out. More research on the subject is needed.Painevesireaktorin (PWR) primääripiirissä boori boorihapon muodossa toimii reaktiivisuutta vähentävänä komponenttina ja litium litiumhydroksidin muodossa pH:ta säätävänä komponenttina. Viime vuosien aikana ydinvoimateollisuuden pyrkimyksenä on ollut löytää keinoja pidennettyjen polttoainesyklien toteuttamiselle. Tämän seurauksena laitosten vesikemian suunnittelussa on siirrytty korotettujen litium- ja booripitoisuuksien käyttöön. Viimeaikoina on herännyt kysymys näiden vesikemian korotusten mahdollisesta vaikutuksesta jännityskorroosioon. Nikkeliperustaisia seoksia käytetään osaltaan painevesireaktorin jäähdytysjärjestelmän rakenne- ja komponenttimateriaaleina. Primäärivedessä tapahtuva nikkeliperustaisten seosten jännityskorroosioilmiö on tunnettu jo useita vuosikymmeniä. Primäärivedessä tapahtuvaa Inconel Alloy 600 materiaalin jännityskorroosiota on tutkittu laajasti. Korkeiden litium- ja booripitoisuuksien tutkimus tästä huolimatta vaikuttaa olevan rajallista nykykirjallisuudessa. Tässä diplomityössä tutkittiin Inconel Alloy 600 materiaalin jännityskorroosioalttiutta simuloidussa painevesireaktorin primääriympäristössä. Pääasiallisena tutkimusmenetelmänä oli hidasvetokoe (SSRT). Kokeet suoritettiin kahdella eri venymänopeudella, koelämpötilalla sekä kemiallisella koostumuksella sisältäen matalan sekä korkean litium- ja boorikoostumuksen. Täydentävinä tutkimusmenetelminä käytettiin sähkökemiallista impedanssispektroskopiaa (EIS), lineaarista polarisaatiota (LPR) sekä Tafelin mittausta. Työn ensisijaisena tavoitteena oli tutkia korotetun litium- ja booritason vaikutusta jännityskorroosion ydintymiseen. Korkeimmat käytetyt litium- ja booripitoisuudet olivat 10 ja 3500 ppm (Li ja B). Tiettävästi tämä on ensimmäinen tutkimus, joka on toteutettu näin korkeilla litium- ja booripitoisuuksilla sekä näillä menetelmillä. Tutkimustulosten perusteella jännityskorroosiota ei havaittu herkistyslämpökäsitellyllä Alloy 600 materiaalilla missään tutkitussa ympäristössä mukaan lukien korkea Li/B vesikemia. Jälkikäteen tarkasteltuna kuitenkin osoittautui, että lämpökäsittely ei ollut johtanut korkeaan jännityskorroosioalttiuteen, vaikka lämpökäsitelty materiaali sisälsi kromiköyhtymistä. Tästä huolimatta löydöksillä on merkittävyyttä. Korkean litium-boori-vesikemian mahdollisesti vahingollista vaikutusta ei kuitenkaan voida kokonaan sulkea pois. Aiheesta tarvitaan lisää tutkimusta.Description
Supervisor
Lundström, MariThesis advisor
Toivonen, AkiAromaa, Jari
Keywords
stress corrosion cracking, Inconel Alloy 600, PWR, SSRT, lithium, boron
