Corrosion evaluation of metallic materials for long-lived HLW/spent fuel disposal containers. Final report 1996 - 1998
- 1. Forschungszentrum Karlsruhe GmbH Technik und Umwelt (Germany). Inst. fuer Nukleare Entsorgungstechnik
- 2. Empresa Nacional de Residuos Radiactivos, SA (ENRESA), Madrid (Spain)
- 3. SCK/CEN, Mol (Belgium)
- 4. Freie Univ. Berlin (Germany)
- 5. INASMET - Centro Tecnologico de Materiales, San Sebastian (Spain)
Description
Extended corrosion studies were performed on preselected HLW/Spent Fuel container materials (carbon steel, stainless steels, Ti99.8-Pd, Hastelloy C4) under simulated disposal conditions in rock salt, granite and clay environments. The objectives of the studies were: To evaluate the effect of essential parameters on corrosion, to gain an improved understanding of corrosion mechanisms, and to provide more accurate data for a materials degradation model that can be used to predict the lifetime of containers. The investigations included long-term immersion tests, electrochemical studies, and stress corrosion cracking studies. Parameters investigated in salt environment were: pH, composition of brines, chemical species present in brines, gamma radiation, welding and slow strain rates at 25 C-170 C. In granitic water, the effect of slow strain rates on the stress corrosion cracking resistance of steels was examined at 90 C. Finally, in oxidizing clay water (aerobic conditions), the influence of temperature (16 C, 90 C), and content of Cl-, SO42- and S2O32- on corrosion was investigated. The results obtained confirm previous findings that the alloy Ti99.8-Pd is the strongest candidate for the realization of the corrosion-resistant container concept in the three geological formations rock salt, granite and clay. This alloy is under all test conditions resistant to pitting corrosion and stress corrosion cracking, and its general corrosion is negligibly low. The nickel base alloy Hastelloy C4 resists also pitting corrosion up to 90 C in oxidizing clay water. Therefore, this alloy is a further promising container material for disposal in clay. The stainless steels suffer from pitting corrosion in clay water at elevated Cl- concentrations. Also in granitic environment, pitting was observed on the stainless steel AISI 316L. Therefore, the use of stainless steels as container material could lead to long-term pitting corrosion problems. The TStE355 carbon steel is an actively corroding material in salt brines and clay water, and its corrosion rate is significantly higher than that of corrosion resistant materials such as Ti99.8-Pd or Hastelloy C4. However, the corrosion rates of this steel imply corrosion allowances acceptable for thick-walled containers. In granitic environment (90 C) some pits were detected on the carbon steel. Therefore, the kinetics of the pitting corrosion in this environment should be examined by long-term corrosion tests. Further investigations on steels, Hastelloy C4 and Ti99.8-Pd are in progress. (orig.)
Availability note (English)
Available from TIB Hannover: ZA 5141(6285)Abstract (German)
Es wurden umfangreiche Korrosionsuntersuchungen an ausgewaehlten Behaelterwerkstoffen (unlegierter Stahl, Cr-Ni-Staehle, Hastelloy C4 und Ti99,8-Pd) unter simulierten Endlagerbedingungen in Steinsalz, Granit und Ton durchgefuehrt. Die Ziele der Untersuchungen waren: Bewertung des Einflusses wichtiger Parameter auf das Korrosionsverhalten der Werkstoffe, Verbesserung der Kenntnisse ueber die Korrosionsmechanismen und die Gewinnung von sicheren Daten fuer ein Korrosionsmodell mit dem die Standzeit der Behaelter unter Endlagerbedingungen prognostiziert werden kann. Die Untersuchungen umfassten Langzeit-Immersionstests, elektrochemische Untersuchungen und Spannungsrisskorrosionsuntersuchungen. Untersuchte Parameter fuer die Endlagerung in Steinsalz waren: pH, Zusammensetzung der Salzloesungen, ausgewaehlte chemische Spezies in Salzloesungen, Gammastrahlung, Schweissen, langsame Dehnungsraten und Temperatur. In Granitwasser wurde der Effekt von langsamen Dehnungsraten auf die Bestaendigkeit von Staehlen gegenueber Spannungsrisskorrosion bei 90 C untersucht. In Tonwasser wurde der Einfluss der Temperatur und der Konzentration von Cl-, SO42- und S2O32- auf die Korrosion geprueft. Die Ergebnisse bestaetigen fruehere Untersuchungen, dass die Legierung Ti99,8-Pd der aussichtsreichste Werkstoff fuer die Realisierung des korrosionsresistenten Behaelterkonzeptes in den drei geologischen Formationen Steinsalz, Granit und Ton ist. Diese Legierung ist unter allen Pruefbedingungen bestaendig gegenueber Loch- und Spannungsrisskorrosion und ihre Flaechenkorrosion ist vernachlaessigbar klein ($<1 μm/a). Die Nickelbasislegierung Hastelloy C4 ist ebenfalls bestaendig gegenueber Lochkorrosion in oxidierendem Tonwasser und damit ein aussichtsreicher Behaelterwerkstoff. Die Cr-Ni-Staehle sind anfaellig gegenueber Lochkorrosion in Tonwasser bei hoeherer Cl--Konzentration. Auch in Granitwasser zeigt der Cr-Ni-Stahl AISI 316 L eine Anfaelligkeit gegenueber Lochkorrosion. Damit koennten Endlagerbehaelter aus Cr-Ni-Stahl ihre Langzeit-Barrierenfunktion im Endlager durch Lochkorrosion verlieren. Der unlegierte Stahl TStE355 ist ein aktiv korrodierendes Material in Salzloesungen und Tonwasser und damit ist seine Korrosionsrate wesentlich hoeher als diejenige der korrosionsresistenten Werkstoffe Hastelloy C4 und Ti99,8-Pd. Allerdings fuehren die ermittelten Korrosionsraten des untersuchten unlegierten Stahls zu akzeptablen Korrosionszuschlaegen fuer einen dickwandigen Behaelter. In Granitwasser (90 C) wurde eine Anfaelligkeit des Stahls gegenueber Lochkorrosion festgestellt. Daher sind Langzeituntersuchungen zur Bestimmung der Kinetik der Lochkorrosion notwendig. Weitere Korrosionsuntersuchungen an Staehlen, Hastelloy C4 und Ti99,8-Pd sind im Gange. (orig.)Additional details
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 85 p.
- ISSN
- 0947-8620
- Report number
- FZKA--6285
INIS
- Country of Publication
- Germany
- Country of Input or Organization
- Germany
- INIS RN
- 30042851
- Subject category
- S42: ENGINEERING;
- Resource subtype / Literary indicator
- Non-conventional Literature
- Descriptors DEI
- BRINES; CHROMIUM-NICKEL STEELS; CORROSION; CORROSION RESISTANT ALLOYS; CRACKS; DUCTILITY; GRANITES; METALLOGRAPHY; PH VALUE; PITTING CORROSION; SERVICE LIFE; SPENT FUEL CASKS; STRESS CORROSION; TENSILE PROPERTIES
- Descriptors DEC
- ALLOYS; CARBON ADDITIONS; CASKS; CHEMICAL REACTIONS; CHROMIUM ALLOYS; CONTAINERS; CORROSION; HIGH ALLOY STEELS; IGNEOUS ROCKS; IRON ALLOYS; IRON BASE ALLOYS; LIFETIME; MECHANICAL PROPERTIES; NICKEL ALLOYS; PLUTONIC ROCKS; ROCKS; STAINLESS STEELS; STEELS; TENSILE PROPERTIES; TRANSITION ELEMENT ALLOYS
Optional Information
- Contract/Grant/Project number
- Contract EC FI4W-CT95-0002
- Funding organization
- Commission of the European Communities, Brussels (Belgium)