Kuparikapselin pitkäaikaiskestävyys

Transkriptio

1 Kuparikapselin pitkäaikaiskestävyys Juhani Rantala, Pertti Auerkari, Stefan Holmström & Jorma Salonen VTT, Espoo Tapio Saukkonen TKK Materiaalitekniikan laboratorio, Espoo KYT2010 Puoliväliseminaari , Helsinki

2 Sisällys Johdanto: tausta ja tavoitteet Tutkimusmenetelmät Havaintoja ja tuloksia: - hitsauksen vaikutus kestävyyteen - vikojen vaikutus - yhdistetyn virumisen ja korrosion kokeet - elinikämallinnus ja ennusteet Johtopäätöksiä ja yhteenveto

3 Johdanto - kuparikapseli: tekninen vapautumiseste (korroosiosuoja) - virumisen ja korroosion vaikutukset loppusijoitusoloissa? Temp Slow time corrosion irradiation Creep damage & failure multiaxiality Stress (Fast strain) Rajat annetulle eliniälle Kapselin OFP-kupari, ~ 50 ppm P Odotettu lämpötila max C Odotettu jännitystaso max ~ 50 MPa (?) Turvallinen > v?

4 KYT: kitkahitsaus FSW, yhteistyö SKI:n kanssa FSW Raiko 2005

5 Tavoitteet määrittää kokeellisesti ja mallintaa kapselikuparin ja sen hitsien pitkäaikaiskäyttäytyminen, mukaan lukien pitkäaikainen primaariviruminen, mikrorakennemuutokset ja mahdollisten vikojen vaikutus; ja määrittää kokeellisesti ja mallintaa loppusijoitusolosuhteissa odotetun hapetusastetransition vaikutus yhdistetyn virumisen ja korroosion elinikävaikutuksiin Toteutusperiaate Hanke toteutetaan yhteistyönä (VTT, TKK, JRC), KYT-ohjelman ja SKI:n toimeksiannosta; samalla osana kahden tutkijan jatko-opintoja Odotettu päätulos Realistinen arvio kapselin kuparivaipan pitkäaikaiskäyttäytymisestä, eliniästä ja suojauskyvystä loppusijoitusolosuhteissa

6 Tutkimusmenetelmät Kuparikapselin hitsaus (FSW) Virumisen, korroosion ja vikojen mallinnus VTT- CW-defect VTT - FSW IM - FSW VTT -PM IM - PM σ/σ T Parameter Value k u Q (Lattice diffusion) Stress (MPa) Estimate for 50 MPa / 100 C a 0.2 1E-6 1E-5 1E-4 1E tr*exp(-q/rt) [time in s] Time (h) Viruminen ja korroosio Pitkäaikaiskokeet Elinikäennuste loppusijoitusolosuhteissa Koetulosten analysointi, FEMlaskenta

7 Tutkimusmenetelmät Kiihdytetyt kokeet: - viruminen (perusaine ja hitsausliitos) yksi- ja moniaks. (lieriösauva, CT): C / MPa - viruminen pohjavesiympäristössä: ~ 90 C - vertailu OFHC-kupariin Koekappaleiden metallografia: - LOM, SEM, EBSD, XRD - mikrorakennemuutokset, muutosten nopeus Mallintaminen: - viruminen, murtuminen, moniaksiaalisuus - hitsausvirheiden vaikutukset - mikrorakennemuutosten vaikutukset - yhteisvaikutukset korroosion kanssa - elinikäennusteet

8 Liitosvirhe ja sulkeumia hitsin (FSW) juuressa liitosvirhe raon kärki

9 Radiaalinen virumiskoe hitsin poikki: 136 MPa/175 C

10 Virumiskoe hitsin poikki (kapselin radiaalisuunta) Koesauvan VT3 murtopinnat (126 MPa/175 C)

11 Stress (MPa) Radiaalinen liitoksen vs. perusaineen/aksiaalinen liitoksen virumislujuus VTT- CW-defect VTT - FSW IM - FSW VTT -PM IM - PM 175 C Ilman vikaa (aksiaalinen) A ~ 40-50% Vikojen kanssa (radiaalinen) A ~ 10-15% a Time (h) 80 MPa, tr = h

12 Mikrorakennetutkimukset Metallografia: yksiaksiaaliset virumissauvat - murtuman jälkeen tai vähän ennen - pitkittäisleikkauksista (ja murtopinnoista) - LOM, SEM (EBSD), TEM Metallografia: moniaksiaaliset (CT) sauvat - kokeen keskeytys 5000 h välein - tutkitaan mikrorakennetta läheltä loven / vian kärkeä - LOM, SEM (EBSD)

13 Mikrorakennemuutos viruvassa OFP-kuparissa Raeraja-alueet leviävät, jännitys ja lämpötila kiihdyttävät toipumisreaktioita 175 C / h 1-aksiaalinen koe OFP perusaine

14 Moniaksiaalinen viruminen ja mikrorakennemuutos Tarkastus 5000 h välein 5000 h / 175 C / 34 MPa

15 5000 h / 175 C Raon avauma noin 10 µm Ei voimakkaita raon kärkialueen venymiä Ei selvää särön etenemistä liitoksen viasta huolimatta

16 CT-sauvan särön kärki, 175 C h h Pattern quality map with gb's & low angle b's (> 2 deg in yellow)

17 CT-sauvan särön kärki, 175 C/10000 h Euler color map, twin boundaries in yellow =100 µm; BC+E1-3+E1-3; Step=0.5 µm; Grid726x264 Inverse pole figure map =100 µm; Default Map; Step=0.5 µm; Grid726x264

18 CT-sauvan särön kärki, 175 C/10000 h h h Särön kärjen deformaatio/rekristallisaatio

19 Moniaksiaaliset virumiskokeet pohjavedessä - yhdistetyn virumisen ja korroosion vaikutukset Pitkäaikaiskokeet simuloidussa Olkiluodon pohjavedessä: uusi koelaitteisto Happipitoinen vesi simuloi loppusijoitustilan alkutransienttia Kiertävä vesi, 90 C, CT-koesauva Lämpötilan, avauman ja johtokyvyn monitorointi Vertailu ilmassa tehtyjen kokeiden tuloksiin

20 Eliniän ennustaminen: virumisen uudet murto- ja venymämallit σ * Qc u (log = exp{ k1[ tr.exp( )] } ( t ) r log( tε ) = σ RT log( 1.0 TS 1 + ( x + C ) ε ) p ) 0 C 1 σ/σ T Parameter Value k u Q (Lattice diffusion) Strain (mm/mm) 0.1 Estimate for 50 MPa / 100 C E-6 1E-5 1E-4 1E tr*exp(-q/rt) [time in s] Time (h)

21 Projektin yleistilanne Yksiaksiaaliset virumiskokeet - pisin n. 7 vuotta ( h) Moniaksiaaliset -"- - pisin > 2 vuotta ( h) ( C: kiihdytys käyttöön verrattuna > 1000 x) Yhdistetyn virumisen ja korroosion vaikutusten määrittämiseen uusi koelaitteisto käytössä Mikrorakenne muuttuu ilmeisesti myös loppusijoitusolosuhteissa (raeraja-alueiden toipuminen/leveneminen) Hitsausvirheiden vaikutus - vikoja sisältävät koesauvat Eliniän mallintaminen: uudet tehokkaat materiaalimallit

22 Johtopäätöksiä - yhteenveto Pienet hitsausvirheet (liitosvirhe/sulkeumat OFP-kuparissa: kokeellinen varmistus elinikävaikutuksiin - useita kertaluokkia Mikrorakennemuutokset raerajoilla: selvä raerajan leviäminen (toipuminen) matalissakin lämpötiloissa (< 150 C) kun aikaa on riittävästi Parannetut mallit venymän ja murtuman ennustamiseen: testattu ECCC-vertailussa ja todettu erittäin kilpailukykyiseksi; implementoitu numeeriseen rakenneanalyysiohjelmistoon Uusi pohjavesiolosuhteiden moniaksiaalikoelaitteisto käytössä