Korrosion av Ni-baslegeringar - en studie kring degraderingen av spridarmaterial i BWR-miljö

Sammanfattning

Kärnkraften i Sverige står idag för ungefär 30% av Sveriges elproduktion och utgör en viktig fossilfri baskraftkälla som kan bistå med leveranssäker elproduktion under i princip alla väderförhållanden. Kärnkraftverket i Forsmark består av tre kokarvattenreaktorer (BWR) vid namn Forsmark 1, Forsmark 2 och Forsmark 3 (F1, F2 och F3) där F1 gick i kommersiell drift 1980, F2 1981 och F3 1985. F1 och F2 är näst intill identiska, av modellen BWR69, medan F3 är av modellen BWR75. Modern bränsleelementsdesign som ingår i Forsmarks reaktorer är utrustade med spridare som ger mekanisk stabilitet till bränsleknippen och optimerar reaktorvattenflödet för att undvika torrkokning. Spridarna är tillverkade av Ni-baslegeringar av typen Alloy X-750 (X-750) eller Alloy 718 (718). Under drift exponeras bränsleelementet för högtemperaturvatten och ånga som genomgår radiolys i reaktorn på grund av den intensiva strålningen. Detta skapar en kemiskt aggressiv miljö som påverkar alla konstruktionsmaterial i bränsleelementet. Att använda material som är anpassade till BWR-miljö är därför avgörande för att motstå korrosionsangrepp och upprätthålla bränsleelementets integritet. På Forsmarks reaktorer har på senare tid förhöjda mängder observerats av den radioaktiva isotopen 58Co och syftet med examensarbetet är att undersöka korrosionsbeteendet av olika BWR-spridarmaterial som kan bidra till ökad koncentration av den radioaktiva isotopen 58Co i reaktorvattnet. I arbetet beskrivs kunskapsläget kring korrosion av Ni-baslegeringar i BWR-miljö liksom kunskapsluckor baserade på erfarenheter från reaktorerna på Forsmark. I arbetet utvärderas också omfattningen av misstänkt spridarkorrosion och ifall spridarnas mekaniska integritet äventyras. Arbetet fokuserar på att ta fram vilka parametrar som påverkar korrosionsprocessen av Ni-baslegeringarna, relevant för Forsmarks vattenkemi. Resultatet förväntas ge utökad förståelse kring varifrån den förmodade korrosionen av Ni-basspridarna kommer, som i sin tur ger ökning av bland annat aktiveringsprodukten 58Co i reaktorvattnet. I arbetet analyseras vattenkemidata från Forsmarks reaktorer, tidigare inspektioner av bränslepatroner samt utförs materialanalys av spridare i tillverkningstillstånd med svepelektronmikroskopi (SEM) och energidispersiv röntgenspektroskopi (EDS). Genom att analysera vattenkemidata, insättning av bränslepatroner och bilder från tidigare bränsleelementsinspektioner visade det sig att isotopökningen skulle kunna härstamma från korrosion av spridare tillverkade av legeringen X-750. Isotopökningen i reaktorvattnet för Forsmark 1 och 2 sammanfaller med insättningen av en specifik bränsleelementdesign B1. Undersökningarna visar att korrosionsmekanismen som drabbar X-750-spridare i Forsmark 1 och 2 antas vara allmän korrosion, där viss indikation finns kring att flödet har en inverkan på korrosionen. Spridarnas strukturella integritet anses dock inte vara påverkad. Mikroskopiundersökningarna av spridarmaterial B1 i tillverkningstillstånd visar specifika trender i ytoxiden för Ti-, Ni- och Fe-halterna och en mikrostruktur med små korn och deformationer nära ytan. Tidigare undersökningar visar att ytoxidens sammansättning och mikrostruktur är kritisk för att ge den passiveringen som behövs för att skydda spridarna från korrosion. Ni- och Fe-halterna nära ytan är viktiga för uppbyggnad av ett skyddande NiFe2O4-skikt, vilket indikeras inte vara heltäckande för spridarmaterial B1 utifrån låga halter Ni och Fe i ytoxiden. Hos spridarmaterial i B1 observerades även hög Ti-halt i oxidskiktet vilket tidigare har visats bidra till ett sämre vidhäftande oxidskikt. Dessa fenomen kan utgöra den primära orsaken till den observerade tendensen till oxidflagning/oxidupplösning samt den ökade korrosionsbenägenheten hos B1-spridarna. Förslag på framtida undersökningar som identifierats är bland annat att utreda potentiella förändringar som kan ha inträffat i vattenkemin i F1 och F2 år 2021 och framåt, bedöma omfattningen av korrosion på spridarna genom en detaljerad analys av potentiella skillnader i föroxideringsbehandlingen mellan olika spridardesigner, att undersöka om det finns skillnader i oxidskikten från tillverkningstillstånd mellan olika spridardesigner eller från samma typ av spridare från olika leveranser samt att genom inspektionsundersökning systematiskt undersöka andra bränsleelementtyper under liknande driftförhållanden. Examensarbetet genomfördes hos Vattenfall Nuclear Fuel AB.