Unieke opstelling maakt probleem van schaduwcorrosie inzichtelijk
Een probleem waar kokend-waterreactoren al tientallen jaren mee te maken hebben, kan nu worden voorkomen. Onderzoekers van de Universiteit van Michigan (U-M) er namelijk in geslaagd schaduwcorrosie na te bootsen met behulp van ionenbundels.
Schaduwcorrosie zorgt voor zogenaamde "beelden" van naburige onderdelen op het oppervlak van splijtstofstaven en -kanalen van een zirkoniumlegering (zircaloy), met een dikkere laag zirkoniumoxide, te vergelijken met roest op staal. Dit kan speldenprikken veroorzaken in de bekleding van zircaloy rond splijtstofstaven. Er zijn nog geen meltdowns door veroorzaakt, maar het betekent wel dat de splijtstofstaven eerder dan gepland moeten worden vervangen.
Verlaging van exploitatiekosten
Gary Was, emeritus hoogleraar nucleaire techniek en radiologische wetenschappen aan de universiteit, en auteur van de studie die is gepubliceerd in het Journal of Nuclear Materials: "Het kan ook de kanalen tussen de splijtstofpakketten vervormen, waardoor de controlebladen die het vermogen van de reactor regelen mogelijk niet meer werken. De voordelen van een langere levensduur van de splijtstof en een verminderd risico op splijtstofdefecten zijn onder meer lagere brandstofkosten, minder uitval, minder blootstelling van werknemers aan straling en lagere onderhoudskosten, die allemaal de exploitatiekosten van de reactor verlagen."
Unieke opstelling
De onderzoekers gebruikten een hogetemperatuur- en hogedrukwatercel die de omgeving van een reactorkern in het Michigan Ion Beam Laboratory nabootst, om voor het eerst met succes schaduwcorrosie buiten een reactor na te bootsen. Hoofdonderzoeker Peng Wang, assistent-onderzoekswetenschapper in nucleaire engineering en radiologische wetenschappen aan de U-M, noemde het een "zeer unieke opstelling" Ionenbundels kunnen nucleaire materialen 1000 keer sneller testen, en tegen 1000 keer de kosten, vergeleken met onderzoeksreactoren. Ze versnellen de veroudering van nucleair materiaal omdat ze intensievere straling produceren. "Tot nu toe werd schaduwcorrosie nooit gereproduceerd in autoclaaf-laboratoriumexperimenten omdat het gelijktijdige effect van bestraling nodig was. Wat het experiment van de Universiteit van Michigan heeft aangetoond was de simulatie van de werkelijke situatie in de fabriek," aldus Raul Rebak, een corrosie-ingenieur bij GE Research, een onderdeel van GE, dat 's werelds grootste fabrikant van kokend-waterreactoren is. Het contact tussen de zircaloy brandstofstaven en de nikkellegering van de ondersteunende structuur creëert een spanning die de corrosiereactie aandrijft. Maar om de kringloop te voltooien is straling nodig om watermoleculen te splitsen, waarbij meer reactieve entiteiten zoals waterstofperoxide worden geproduceerd. Deze vormen zich op het oppervlak van de nikkellegering en diffunderen vervolgens naar het oppervlak van de zircaloy, waardoor de corrosie wordt versneld. Wang toonde dit aan met een vlak nikkellegeringsmonster dat parallel liep aan het zircaloymonster in de corrosiecel en met een gebogen monster dat varieerde in de afstand tot het zircaloy. Het gebogen monster toonde aan dat de zircaloy sterker geoxideerd was waar het zich dichter bij de nikkellegering bevond, en dat de mate van oxidatie afnam met de afstand.
Oplossing
Het werk van Wang en Was werd gefinancierd door het Franse bedrijf Framatome en hun samenwerking hoopt in het komende jaar voorgestelde oplossingen voor schaduwcorrosie te kunnen aankondigen. "Dit resultaat benadrukt de veelzijdigheid en de hoge mate van controle die versnellers en ionen bieden om experimenten te creëren met zeer goed gecontroleerde omstandigheden die de reactoromgeving nabootsen," verklaarde Was. "Je kunt problemen bestuderen tot het punt waarop je de processen begrijpt en vervolgens oplossingen ontwikkelen."