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Technischer Bericht NTB 86-24
Untersuchungen über die Wasserstoffbildung durch Eisenkorrosion unter Endlagerbedingungen
Als möglicher Werkstoff für Behälter, die in einem Endlager verglaste, hochaktive Abfälle vom Grundwasser während mindestens 1000 Jahren isolieren, steht Stahlguss (GS-40) zur Evaluation. In den bisherigen Studien konnte dem unlegierten Stahl ein günstiges Korrosionsverhalten attestiert werden.
Steht in Abwesenheit von Sauerstoff (anaerobes Lager), als Oxidationsmittel nur Wasser zur Verfügung, kann die Korrosionsrate von unlegiertem Stahl sogar in die Grössenordnungen von 1 Mikrometer/Jahr (1 μm·a-1) bzw. ≤0.1 μm·a-1 absinken und hinsichtlich des Metallverlustes ausser Betracht fallen. Das Interesse gilt in diesem Fall den Korrosionsprodukten:
- dem Wasserstoff, der nach der Reaktionsgleichung Fe + 2 H2O → Fe(OH)2 + H2 in äquivalenter Menge zur korrodierten Eisen entsteht und in die Sicherheitsanaysen des Endlagers einbezogen werden muss.
- den Eisenoxiden und -salzen, die in Form von Passivfilmen oder Deckschichten die tiefen Korrosionsgeschwindigkeiten ermöglichen können.
In der vorliegenden Arbeit wurde ein gaschromatographisches Messverfahren angewendet, mit dem Wasserstoffbildung bis 0.01 Milliliter (STP) pro Quadratmeter Eisenoberfläche und Stunde (0.01 ml(H2) · m-2·h-1) bzw. Korrosionsgeschwindigkeiten bis 0.04 μm·a-1 noch quantitativ erfasst werden konnten.
Neben den Referenztiefenwässern aus Böttstein und Säckingen wurden Stahlproben in Medien mit variiertem Cl-Gehalt und pH-Wert bei verschiedenen Temperaturen ausgesetzt.
In diesem Medienbereich wurden 5 verschiedene Korrosionsreaktionen identifiziert:
- Bildung von Deckschichten sehr guter Qualität mit mittleren Korrosionsraten -1 resp. 2)·m-2·h-1. Die Wässer aus Säckingen und Böttstein bewirken eine Reaktion dieses Typs.
- Deckschichten geringerer Qualität mit etwas höheren Korrosionsraten.
- Passivität nach einer Initialphase mit aktiver Korrosion.
- Permanente Passivität mit Korrosionsgeschwindigkeiten teils unter der Nachweisgrenze von 0.04 μm·a-1 resp. 0.01 ml (H2)·m-2·h-1 . Interessanterweise fallen darunter auch Vesuchsvarianten mit hohem CI--Gehalt, z. B. 8000 ppm CI- bei 50°C und pH 10.
- Instabile Passivität: Grundsätzlich tiefe Korrosionsraten (-1) steigen temporär auf wesentlich höhere Werte. Als Ursache kommen je nach Korrosionsmedium Makro- oder Lokalelemente in Frage.
Erwartungsgemäss tendieren die Medien bei zunehmender AIkalinität von Deckschichtbildung zu passiver Korrosion. Als Zwischenstufe, speziell bei mittleren CI--Gehalten, kann offenbar instabile Passivität auftreten. Bei der Konditionierung der unmittelbaren Behälterumgebung muss auf die Erhaltung eines stabilen, kalkulierbaren Korrosionssystems geachtet werden.