Corrosion of the copper canister in the early stage of nuclear waste final disposal

Abstract

It's planned in Finland and Sweden to use canisters made of copper in used nuclear fuel disposal to separate nuclear fuel from its environment. The aim of this study was to examine possible corrosion mechanisms and rates in early stage of nuclear waste final disposal.

In the theoretical part the corrosion mechanisms and rates of copper are discussed. Especially the corrosion in water vapour was considered. The plan for the spent nuclear fuel disposal as well as disposal site as a corrosion environment in general and more precisely in the first 100 years was discussed.

In the experimental part the copper oxides on the copper surfaces which were oxidized in the temperatures 75-80 °C and 9,5-100 °C were characterized by thickness, composition and the structure of the surface. The effect of oxidized surface on the mass change or thinning in the gas phase of synthetic ground water at 80 °C was determined by using quartz crystal microbalance. The difference in corrosion rate between immersion in synthetic ground water and ground water vapour was measured. The effect of chlorides on the corrosion rate of copper was studied.

Based on the results a 5-90 nm thick oxide layer grows on the copper surfaces. The oxide layer consists mostly of CuO. Increasing oxidation temperature or time increased thickness of the oxide film. In gas phase above synthetic ground water at 80 °C the oxide film continued to grow only for samples that have been oxidized in air 75-80 °C 1 - 3 days. The growth rate was calculated to be 5 - 10 µm. The weight changes of other oxidized samples were smaller.

A conservative estimated for general corrosion of copper canister is 0.04 µm/y. In this study corrosion rates that were hundred times higher were measured. The high corrosion rates are probably overestimated. The results do not exclude the possibility that corrosion rates in the early stage of final disposal can be higher than the generally accepted estimate.

Käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoituksessa Suomessa ja Ruotsissa on suunniteltu käytettävän kuparista kapselia eristämään ydinpolttoaine ympäristöstään. Diplomityössä tutkittiin loppusijoituksen alkuvaiheen mahdollisia korroosiomuotoja ja -nopeuksia.

Kirjallisuusosassa perehdyttiin aluksi kuparin korroosiomekanismeihin ja -nopeuksiin eri ympäristöissä. Erityisesti tarkasteltiin korroosiota kondenssin alla. Tämän jälkeen tutustuttiin käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoitussuunnitelmaan sekä loppusijoitustilaan korroosioympäristönä sekä yleisesti että tarkemmin alkuvaiheen eli noin 100 ensimmäisen käyttövuoden aikana.

Kokeellisessa osassa karakterisoitiin ilma-atmosfäärissä lämpötiloissa 75 - 80 °C ja 95 - 100 °C hapetetuille kuparipinnoille kasvaneiden oksidikerrosten paksuus, koostumus ja pinnan rakenne. Massanmuutosmittausten avulla selvitettiin hapettuneen oksidipinnan ominaisuuksien vaikutus massanmuutokseen tai pinnan ohenemaan synteettisen pohjaveden kaasufaasissa lämpötilassa 80 °C. Lisäksi mitattiin hapettuneen oksidipinnan korroosionopeuden ero synteettisen pohjaveden upotusaltistuksessa ja kaasufaasissa ja tutkittiin kloridien vaikutusta kuparin korroosionopeuteen.

Tulosten perusteella hapetetuille kuparipinnoille kasvaa 5 -90 nm paksuinen oksidikerros, joka koostuu pääosin kuparin oksidista CuO. Sekä korkeampi hapetuslämpötila että pidempi hapetusaika kasvattavat kerroksen paksuutta. Pidettäessä ilma-atmosfäärissä hapetettuja näytteitä synteettisen pohjaveden kaasufaasissa 80 °C:ssa vain lämpötilassa 75 - 80 °C 1 - 3 vuorokautta hapetettujen näytteiden oksidikerros kasvoi. Kasvunopeudeksi laskettiin noin 5 - 10 µm vuodessa. Muiden hapetettujen näytteiden muutokset olivat pienempiä.

Konservatiivisena arviona kuparikapselin yleiselle korroosiolle on pidetty nopeutta 0,04 µm/v. Tutkimuksissa saatiin tulokseksi yli satakertaisia nopeuksia edelliseen verrattuna. Nopeudet ovat todennäköisesti yliarvioituja, mutta niiden perusteella ei kuitenkaan voida sulkea pois mahdollisuutta, että yleisen korroosion nopeus olisi loppusijoituksen alkuvaiheessa huomattavasti konservatiivisena pidettyä arviota suurempaa.