Olika typer av kopparkorrosion
i Kärnbränsleförvaret
En rad olika ämnen kan få koppar att korrodera. I Kärnbränsleförvaret är sulfidkorrosion den viktigaste korrosionsprocessen.
När koppar korroderar avger kopparatomerna elektroner. Man säger att materialet oxideras. För att detta ska kunna ske måste det finnas ett oxidationsmedel som tar upp elektroner. Det måste också finnas en vätska som transporterar laddningar (joner).
I vatten och naturliga miljöer är syre det absolut vanligaste oxidationsmedlet. Syre finns i atmosfären, men även löst i vatten i små mängder.
Normalt är grundvattnet fritt från löst syrgas på 500 meters djup. Men när Kärnbränsleförvaret byggs pumpas det inströmmande vattnet bort och tunnlarna fylls med luft. Vid förslutningen kommer en liten del av detta syre att bli kvar och lösa sig i det grundvatten som på nytt strömmar in och åter fyller förvaret.
Syre kan även tillföras grundvattnet på andra sätt. I samband med istider kan syrerikt smältvatten tränga djupt ner i berggrunden.
Bakterier och mineral förbrukar syre
Experiment i fält och laboratorium har emellertid visat att bergets mineral – och framför allt bakterier – har en stor förmåga att snabbt förbruka tillfört syre. Både försök och beräkningar visar att syret i grundvattnet i normalfallet kommer att vara förbrukat inom ett år efter det att förvaret förslutits. Vid sämsta möjliga förutsättningar kan det ta så lång tid som några decennier. Oavsett vilket blir korrosionsangreppen på kapslarna i stort sett försumbara.
Vid platsundersökningen i Forsmark gjordes mycket omfattande analyser av grundvattnets sammansättning på olika djup. Resultaten visar entydigt att grundvattnet på förvarsdjup inte innehåller något löst syre. När vi analyserar vattnets kemi och bergets mineralsammansättning kan vi heller inte se några spår av att syrerikt grundvatten trängt så djupt ner i berget under tidigare nedisningar.
Sulfidkorrosion viktigast
SKB har under många år bedrivit en omfattande forskning om korrosion i syrefritt grundvatten. Resultaten visar att korrosion av koppar går mycket långsamt.
I Kärnbränsleförvaret är sulfidkorrosion den viktigaste korrosionsprocessen. Om det förekommer sulfidjoner i grundvattnet kan dessa reagera med kopparytan så att kopparsulfid fälls ut som en beläggning på ytan.
Korrosionscell under en vattendroppe på en ärgande kopparplåt.
Sulfid – från mineralet pyrit – kan finnas både som förorening i bentonitbufferten (den tätpackade lera som omger kapseln i förvaret) och naturligt i berggrunden. Under platsundersökningen i Forsmark mätte vi upp sulfidhalterna i grundvattnet. De är helt normala för svensk berggrund.
Det finns också en tredje sulfidkälla, förutom bentonitleran och berget. Nere i berget lever underjordiska bakterier som kan framställa sulfid ur sulfat. För att de ska utgöra ett hot mot kapseln krävs både att de kan vara tillräckligt aktiva i den kompakta bentonitleran, samt att tillgången på näringsämnen i grundvattnet är tillräckligt hög.
Bufferten ingen lämplig miljö
Försök visar att bentonitbufferten inte är någon lämplig miljö för bakterierna, eftersom tillgången på vatten är alltför knapp. Det höga trycket och begränsade utrymmet gör det svårt för bakterierna att vara aktiva och föröka sig. Bakteriestammar kan därför inte bli livskraftiga.
Det är i stället transporten av sulfidjoner in till kapseln som avgör hur snabbt korrosionen går. Beräkningar av hur fort transporten av sulfid går visar att sulfidkorrosionen inte äventyrar förvarets säkerhet på lång sikt.
Kloridkorrosion kräver sur miljö
Kopparjonerna närmast ytan bildar kopparsulfid som fälls ut.
Ett annat ämne som kan tänkas orsaka korrosionsskador på kapseln är klorid. I kloridhaltigt vatten med neutralt pH och med löst syre bildas först ett skikt av kopparoxid. Kopparoxiden gör materialet motståndskraftigt mot fortsatt korrosion. Korrosionen går då så långsamt att den blir helt försumbar.
Om koncentrationen av klorid är hög (över 100 gram per liter) och vattnet samtidigt har lågt pH (lägre än 3) kan korrosionen drivas av att den mycket stabila föreningen kopparklorid bildas i form av vattenlösliga joner.
På 500 meters djup i Forsmark finns inget löst syre i vattnet. Samtidigt är kloridkoncentrationerna betydligt lägre än 100 gram per liter.
Vidare bidrar bentonitbufferten omkring kopparkapseln till att pH aldrig sjunker så lågt som till pH 3, utan ligger mellan pH 7 och pH 11. Korrosionen blir därför så liten att vi kan bortse från den.
Olika typer av korrosion
Korrosion av koppar kan alltså orsakas av flera olika ämnen under olika yttre omständigheter. Beroende på korrosionsangreppets karaktär skiljer man också mellan olika typer av korrosion. Jämn korrosion – eller allmänkorrosion – sker med ungefär samma hastighet över hela angreppsytan.
Gropfrätning och punktkorrosion tillhör båda typen lokal korrosion. Båda typerna leder till att det bildas gropar på metallytan. Forskningen visar att denna mekanism har försumbar betydelse för kopparkapslarna i Kärnbränsleförvaret.
Vid korngränskorrosion uppstår korrosion runt kornen i kopparmaterialet. Detta kan undvikas genom att man väljer att tillverka kapslarna av en mycket ren kopparkvalitet.
Spänningskorrosion uppstår om kapseln är utsatt för mekaniska dragspänningar i materialet i kombination med korroderande ämnen som till exempel nitrit- och acetatjoner i grundvattnet. I Kärnbränsleförvaret är spänningskorrosion en försumbar process.