Science advances by removing error, not by establishing truth. Chemistry of Elements N.N. Greenwood A. Earnshaw

Transkript

1 Science advances by removing error, not by establishing truth. Chemistry of Elements N.N. Greenwood A. Earnshaw

2 Ni 1.32 Cr 0.33 Fe 0.78 O 3 Ni 1.77 Cr 0.45 Fe 1.04 O 4. Aktuella framsteg inom karäktärisering av oxider på nukleära material Zn Inner oxide SSM:s roll i den tekniska utvecklingen Sammanställd av Jiaxin Chen för Strålsäkerhetsmyndighetens forskningsdagar RW X750

3 3 Erkännanden KTH: L. Belova (FIB/SEM), A. Riazanova (FIB/SEM), M. A. Yar (FIB), H. Bergqvist (TEM), KIMAB: F. Lindberg (TEM), Studsvik: S. Forsberg (PL, korrosion), S. Björnsson (PL, korrosion), M. Ullberg (PL, korrosion), C. Gustafsson (PL, korrosion), J. Eskhult (PL, teori), D. Jädernäs (SEM) m.fl. SSM: Å. Rydén, K. Fritioff, K. Gott, A. Johansson, P. Ekström och J. Linder (finansering, vägledning och diskussion). KP: J. Lejon (OKG), B. Forssgren, J. Hägg, B. Bengtsson, P. Efsing (Ringhals), M. Tanse-Larsson, M. Olsson (Forsmark), m.fl. (finansering, vägledning och diskussion).

4 4 Översikt Introduktion Exempel på industrinytta Rostfritt stål Nickelbaslegeringar CRUD Sprickspetsen Framtida arbete

5 5 Kärnfrågor Säkerställa integritet SSM:Reaktorsäkerhet Minska aktivitet SSM: Strålskydd för personal Minska utsläpp SSM: Utsläpp Avfall SSM: Avfall

6 6 Kärnfråga Crud på bränsle & i reaktorvatten Minska aktivitet System oxider Andra material

7 7 Högupplösande elektronmikroskopi FEG-SEM + FIB Dr. Riazanova KTH Prof. Belova KTH FEG-TEM BF HAADF EELS 200 kv Dr. Lindberg KIMAB Hans Bergqvist (KTH) KIMAB Nova 600 NanoLab JEM-2100F 5 kv 70 pa

8 8 Exempel Rostfritt stål

9 9 Epitaxiell oxidtillväxt på enkristallint substrat (Simulerad BWR vatten ~2000 h) Chen, J. et al in the proceedings of the 14th International Conference on Environmental Degradation of Materials in Nuclear Power Systems, Virginia Beach, VA., USA. August 23-27, 2009 Paper ID

10 Oxidens tillväxthastighet 10 TH Outer oxide grains average size largely unchanged Inner oxide layer average thickness increased slightly Metal continues to be consumed 500 h 2000 h h (BWR) Time Samples from lab tests Samples from a plant

11 11 Betydelse för industrin (1) Ny kunskap Felaktiga antaganden finns i vissa teorier och modeller för korrosion och aktivitetsupptag, t.ex. om Oxidtillväxt Inneroxidens struktur Inneroxidens kemisammansättning Hur zink påverkar inneroxiden I stort sett helt ny kunskap för att utveckla nya teorier och modeller.

12 12 Exempel Nickelbaslegeringar

13 13 Seeing is not believing! Ref. Chen, et al., Env. Deg (2011), NPC (2012) 13

14 Consumed metal thickness ( m) Oxide film thickness ( m) 14 Ett tunnare oxidskikt betyder inte nödvändigtvis lägre korrosionshastighet Gustafsson, Chen, Arwin, et al. 16 th lnternational Conference on Environmental Degradation of Materials in Nuclear Power System, August 11-15, Asheville, NC, USA Alloy 82 Alloy 182 Alloy 600 (a) 10 8 Oxide on Alloy 82 Oxide on Alloy 182 Oxide on Alloy 600 (b) Time (weeks) Time (weeks)

15 15 Betydelse för industrin (2) Nya kunskaper Oxidmikrostruktur Mätteknik (ellipsometri) Felaktiga antaganden gjordes vid jämförelser av korrosionsmotstånd hos olika nickelbaslegeringar, t. ex. om Normalt har passivskiktet på Ni-baslegeringar i BWR-miljö väsentligen samma struktur som det på SS Om inte nickelferrit bildas, så kommer det yttre lagret i duplexskiktet att istället utgöras av nickeloxid, NiO. Passivskiktet blir därför mindre skyddande och korrosionshastigheten väsentligt högre.

16 16 Karaktärisering av CRUD Chalk River Unidentified Deposit

17 17 Silica (SiO 2 ) FeCr 2 O 4 Mo-oxides Ag-oxide TiO 2 Al-Si-oxides Fe 2 O 3 Pb-Mo-oxides Amorphous chromium oxide

18 18 Betydelse för industrin (3) Nya kunskaper Ett antal löst sittande fasta faser i reaktorvatten har identifierats Kristallin- och amorf kromoxid har identifierats Verifiering av termodynamik beräkningar Resultaten kan bidra till att förklara hur bränslecrud fungerar hot spots på systemytor

19 Tillverkning av ett perfekt TEM-prov för karaktärisering av sprickspets 19

20 20

21 21 Tillverkning av TEM-prov från en CT-provstav Metod för att lokalisera sprickspetsen Ga + beam

22 22 Betydelse för industrin (4) Sprickspetsen är nyckeln till att förstå interkristallin spänningskorrosion (IGSCC). TEM är ett av få verktyg som går att använda. Målsättningen är att utveckla enkla, högkvalitativa tekniker för framställning av TEM-preparat som möjliggör sådana undersökningar.

23 Exempel av prioriterat FRAMTIDA ARBETE 23

24 24 Kärnfråga Crud på bränsle & i reaktorvatten Minska aktivitet System oxider Andra material

25 25 Om systemytor Aktivitet på systemytor Oxidkaraktärisering Modellering Simulering av aktivitetsuppbyg gnad Oxid på kraftverkskompo nent Oxid på prov från simulering Ni/Fe/Zn dosering HWC/NWC/ OLNC

26 26 Sammanfattning Många små, men dock betydelsefulla steg framåt. Användbara resultat för kunder. Utforskning av nya och viktiga områden.

27 För ett strålsäkert samhälle 27