Purkujätemetallien korroosio

Transkriptio

1 Purkujätemetallien korroosio Ydinjätteen loppusijoituksen mikrobiologia KYT2018-seminaari , Otaniemi, Espoo Leena Carpén 1

2 Mitä ovat purkujätemetallit? Ydinvoimalaitosten käytön aikana osa rakenteista aktivoituu neutroniabsorption vuoksi Käytön ja purkamisen aikana syntyy myös kontaminoitunutta purkujätettä, johon kuuluu muun muassa putkia, venttiileitä, suodattimia ja eristeitä. Fortumin Loviisan voimalassa ja TVO:n Olkiluodon voimalassa voimalan käytön päätyttyä aktivoituneet ja kontaminoituneet osat puretaan ja loppusijoitetaan kallioperään. Osa aktivoituneista ja kontaminoituneista rakenteista paloitellaan ja pakataan yksilöllisesti aktiivisuuden mukaan betonisiin laatikoihin. Laatikot sijoitetaan voimalaitosjäteluolaan: Matala-aktiivinen ruiskubetonoituun kalliosiiloon ja keskiaktiivinen jäte ruiskubetonoituun kalliosiiloon rakennettuun betonisiiloon. Laatikkojen ja seinämien väliset tyhjät tilat betonoidaan. Suurin osa purkujätteistä on hiiliterästä ja ruostumattomia teräksiä Kuvat TVO ja Posiva 2

3 Mitä on korroosio? Korroosio on metallin turmeltumista seurauksena sen reaktioista ympäristön kanssa Metallit pyrkivät muuttumaan yhdisteikseen Oksidit, hydroxidit, erilaiset suolat Tavallisesti muuttumisnopeus on hyvin pieni, mutta aggressiivinen ympäristö voi muuttaa nopeuden haitallisen suureksi korroosio 3

4 Mitä tarkoitetaan mikrobiologisella korroosiolla? On sähkökemiallista korroosiota, jossa mikrobit tai niiden aineenvaihduntatuotteet joko fysikaalisesti tai kemiallisesti muuttavat olosuhteita materiaalin pinnalla sellaisiksi, että korroosio voi alkaa Puhutaan myös bakteerikorroosiosta, mikrobikorroosiosta ja MIC-korroosiosta (MIC = Microbiologically Influenced Corrosion) Mikrobien lisäksi tarvitaan energian ja ravinteen lähde, elektronin luovuttaja ja vastaanottaja ja tilkka vettä Mikrobit voivat kiihdyttää useita eri korroosiotyyppejä: Yleistä korroosiota Paikallista korroosiota: piste- ja rakokorroosio, jännityskorroosio 4

5 5

6 Ruostumaton teräs Hiiliteräs 6

7 Miksi tutkia mikrobiologista korroosiota matala- ja keskiaktiivisen jätteen loppusijoitusolosuhteissa? Hapettomassa ja alkalisessa ympäristössä, matalassa lämpötilassa (10 C) terästen korroosio on tyypillisesti äärimmäisen hidasta Betonin vanheneminen alentaa ph:ta ja edesauttaa pohjaveden pääsyä kontaktiin jätemateriaalin kanssa Pohjavedestä loppusijoitussyvyydeltä (n. 100 m) on löydetty useita eri mikrobilajeja Mikrobiologinen aktiivisuus voi muuttaa merkittävästi olosuhteita ja aikaan saada korroosion alkamisen Loppusijoituspaikalla tehdyissä pitkäaikaisissa kenttäkokeissa on todettu huomattavan korkeita korroosionopeuksia ja voimakkaasti paikallistunutta syöpymää Tämä johti epäilyksiin siitä, että mikrobiologisella toiminnalla on osuutta asiaan ja tarkemmat tutkimukset aloitettiin Hiiliteräs, 3 v Carpén, Leena; Maukonen, Johanna; Salo, Satu Accelerated corrosion of carbon steel and zinc in oxygen-free groundwater - Due to the microbiological activity? Nace International, ss. C Hiiliteräs, 11v 7

8 Olkiluodon pohjavedessä olevia mikrobeja 8

9 Korroosioon vaikuttavia mikrobeja Sulfaattia pelkistävät bakteerit, SRB (Desulfovibrio, Desulfobacter, Desulfotomaculum) H 2 S, FeS, voivat käyttää teräksiä elektronin lähteenä, katodinen depolarisaatio, rakokorroosioympäristö Rikkiä hapettavat bakteerit (Thiobacillus) H 2 SO 4, jotkut voivat hapettaa myös rautaa (Fe 2+ Fe 3+ ), ph voi laskea jopa alle 1 Limaa tuottavat bakteerit (Bacillus, Flavobacterium,Sphaerotilus) Happipitoisuuseroja metallin pinnalla, saostumia, rako-olosuhteet 9

10 Korroosioon vaikuttavia mikrobeja Rautaa pelkistävät bakteerit, IRB (Pseudomonas) Voivat pelkistää Fe 3+ kahdenarvoiseksi raudaksi ja osa voi myös pelkistää SO 3 2, S 2 O 3 2 ja S 0 hapetusluvulle S 2 Mangaania ja rautaa hapettavat bakteerit (Gallionella, Sphaerotilus, Leptothrix, Siderocapsa) Hapettamalla alhaisemman hapetusasteen omaavat ionit korkeampiarvoiseksi Fe 2+ -ionit Fe 3+ ja Mn 2+ -ionit Mn 4+ -ioneiksi voimakkaita hapettimia riski pistekorroosioon kasvaa ruostumattomilla teräksillä Metanogeenit Tuottavat metaania, käyttävät H 2, voivat käyttää teräksiä elektronin lähteenä Sienet Muodostavat alustan, jolle helppo tarttua, tuottavat orgaanisia happoja 10

11 Purkujätemetalleihin liittyvät tutkimukset Purkujätemetallien liukeneminen: luottamuksellinen pitkäaikainen (v.1998 alkanut) tutkimus TVO:n kanssa Julkisia julkaisuja: Carpén, Leena, Maukonen, Johanna, Salo, Satu Accelerated corrosion of carbon steel and zinc in oxygen-free groundwater - Due to the microbiological activity?: Nace International. Nace International Corrosion Conference & Expo 2012, March 11-15, 2012, Salt Lake City, Utah, USA, pp. C Rajala, Pauliina, Carpen, Leena, Raulio, M SRB and methanogens in corrosion of steel in anaerobic water. 19th International Corrosion Congress, 2-6 November 2014, Jeju, Korea ph Conductivit Alkalinity O Cl SO 4 HCO 3 Ca 2 y (mg L -1 ) (mg L -1 ) (mg L -1 ) (mg L -1 (mmol L ) ) (PPb) (ms cm -1 ) Drill hole A <10 Drill hole B <10 A, 5v 9kk k.a. Korroosionopeus 29 µm/a B, 14v 10 kk k.a Korroosionopeus 18,5 µm/a 11

12 Purkujätemetalleihin liittyvät tutkimukset Mikrobiologisen korroosion riskit Suomen loppusijoitusolosuhteissa (REMIC) KYT2014 projekti Matala- ja keskiaktiivisen jätteen mikrobiologinen korroosio (CORLINE) KYT2018 projekti

13 Yhteenvetoa tuloksista: REMIC Kenttäkoe VLJ-luolassa (1, 2, 3 v) Mahdollisuus pitkäkestoisiin kokeisiin Simuloi loppusijoitusoloja Laboratoriomittakaavan kokeet Mahdollisuus simuloida erilaisia skenaarioita Mahdollisuus sähkökemiallisiin online-seurantaan 13

14 Yhteenvetoa tuloksista: REMIC 14

15 Yhteenvetoa tuloksista: REMIC vtieteellisesti merkittäviksi löydöksiksi esikokeessa nousivat sulfaattia pelkistävien mikrobien lajiston muuntuminen koelämpötilasta riippuen. Lisäksi pohjavedessä esiintyvien rautaa käyttävien mikrobien suuri osuus biofilmissä ja niiden vaikutus hiiliteräksen korroosioon oli merkittävä löydös. vravinteiden lisäys muutti selvästi bakteeriyhteisön koostumusta ja sähkökemiallisten tulosten mukaan myös kiihdytti hiiliterästen korroosiota. Betonin lisäys puolestaan inhiboi biofilmin muodostumista ja vähensi myös korroosiota. Tosin betonin läsnä ollessa korroosio paikallistuu voimakkaammin. vrajala, Pauliina Microbially-induced corrosion of carbon steel in a geological repository environment, VTT. 83 p. + app. 54 p. VTT Science; 155 ISBN ;

16 Yhteenvetoa tuloksista: CORLINE Tekniset tavoitteet: Kehittää luotettava on-line in situ menetelmä korroosion ja vesikemian kehittymisen seurantaan kairanrei issä. Määrittää mikrobiologisen toiminnan vaikutus purkujätemetallien korroosionopeuteen ja korroosiomekanismeihin Suomen loppusijoitusolosuhteissa. Hyödyntää korroosiotuotteiden ja kaasujen koostumuksen analysointia mikrobiologisen korroosion tarkempaan ymmärtämiseen. 16

17 Yhteenvetoa tuloksista: CORLINE In situ mittalaitteiston asennus kairanreikiin VLJ-KR19 ja VLJ-KR21 ja mittausten aloitus Mittaukset: Korroosionäytteiden lepopotentiaaleja Platinan potentiaalia Korroosionopeuksia (LPR tekniikka) Referenssi elektrodit (Mg, Ag/AgCl) OsmoSampler kairanreikään Vesi- ja kaasunäytteenkeräin Kerää näytteet automatisoidusti Mahdollistaa kuukausittaisten erojen tarkastelun Suunniteltu sijoitusaika 2 v 17

18 Yhteenvetoa tuloksista: CORLINE 0,4 pullo 1, HT pullo 3, 304 Potentiaali vs. SHE/V 0,2 pullo 2, HT pullo 4, ,2-0,4-0,6-0, Aika/pv

19 Yhteenvetoa tuloksista: CORLINE 19

20 Yhteenvetoa tuloksista: CORLINE Laboratoriossa tehtävät kokeet: yhteenveto korroosionopeuksista painohäviöitten perusteella Korroosionopeus, mm/a Materiaali, ympäristö 20

21 Yhteenvetoa tuloksista: CORLINE Laboratoriossa tehtävät kokeet: esimerkki sekvensointituloksista 21

22 Yhteenvetoa tuloksista: CORLINE Korroosio steriilissä pohjavedessä Painohäviökoe steriloidussa pohjavedessä (VLJ- KR9) Tutkitaan abioottisilla mekanismeilla syntyviä korroosiotuotteita Vertailu käsittelemättömän pohjaveden näytteisiin Hiiliteräsnäytteet ja ruostumaton teräs 304 Koeaika 7kk Korroosionopeudet: Hiiliteräs 0,37 µm/a Ruostumaton teräs 0,02 µm/a 22

23 Yhteenvetoa tuloksista: Corline Kaasunmuodostuskoe Tutkitaan korroosion ja mikrobitoiminnan seurauksena syntyneitä kaasuja KR-9 vesi Hiiliteräs- ja ruostumaton teräsnäytteet Kaasumittaukset (H2, CH4, H2S, CO2, N2) Koeaika 18 kk H 2 S CH 4 CO 2 CO H 2 C 2 H 6 C 2 H 4 C 2 H 2 ppm vol% vol% vol% vol% vol% vol% vol% Hiiliteräs 0,2 1,42 0, ,05 0, ,7 0,08 0, Pelkkä vesi 0 0 0,

24 P. Rajala, Microbially-induced corrosion of carbon steel in a geological repository environment, Academic Dissertation, VTT Science S155. P. Rajala, M. Bomberg Reactivation of deep subsurface microbial community in response to methane or methanol amendment. Front. Microbiol. 8:431. P. Rajala, M. Bomberg, M. Vepsäläinen, L. Carpén Microbial fouling and corrosion of carbon steel in alkaline deep groundwater, Biofouling, 33(2): M. Bomberg, M. Raulio, S. Jylhä, C. W. Mueller, C. Höschen, P. Rajala, L. Purkamo, R. Kietäväinen, L. Ahonen, M. Itävaara CO 2 and carbonate as substrate for the activation of the microbial community in 180 m deep bedrock fracture fluid of Outokumpu Deep Drill Hole, Finland. AIMS Microbiology 3(4): P. Rajala, M. Bomberg, E. Huttunen-Saarivirta, L. Carpén Corrosion of stainless steels AISI 304 and AISI 316 induced by sulfate reducing bacteria in anoxic groundwater. Corrosion2017, C E. Huttunen-Saarivirta, P. Rajala, L. Carpén Microbially induced corrosion (MIC) of carbon steel and stainless steels grades EN and EN in deep bedrock environment, Eurocorr September 3-7, Prague, Czech Republic. L.Carpén, P. Rajala, M. Bomberg, E. Huttunen-Saarivirta Matala- ja keskiaktiivisen jätteen mikrobiologinen korroosio (CORLINE) - Vuosiraportti Tutkimusraportti: VTT-R , VTT, 45 s. P. Rajala, L. Carpén, M. Vepsäläinen, M. Raulio, E. Huttunen-Saarivirta, M. Bomberg Influence of carbon sources and concrete on microbiologically influenced corrosion of carbon steel in subterranean ground-water environment: Corrosion, Vol. 72, No. 12, pp doi: /2118. L.Carpén, P. Rajala, M. Bomberg Microbially Induced Corrosion in Deep Bedrock. Advanced Materials Research Vol (2015) pp P.Kinnunen, M. Bomberg, P. Rajala, L. Carpén. Industrial Views to Microbe-Metal Interactions in Sub-Arctic Conditions Advanced Materials Research Vol (2015) pp P. Rajala, L. Carpén, M. Vepsäläinen, M. Raulio, E. Sohlberg, M. Bomberg Microbially induced corrosion of carbon steel in deep groundwater environment: Frontiers. Frontiers in Microbiology, Vol. 6, pp. Article number 647. L.Carpén, P. Rajala, M. Bomberg, E.Huttunen-Saarivirta Matala- ja keskiaktiivisen jätteen mikrobiologinen korroosio (CORLINE) - Vuosiraportti Tutkimusraportti: VTT-R , VTT, 27 s. M. Vikman, M. Itävaara, L. Carpén Matala- ja keskiaktiivisen ydinjätteen loppu-sijoituksen mikrobiologiset riskit Suomessa. VTT Technology: 273, VTT, 41 s. ISBN Carpén, Leena; Rajala, Pauliina; Bomberg, Malin Real-Time Electrochemical Measurements of Carbon Steel in Ground Water with Sulfate Reducing Bacteria Enrichment. Proceedings, vol The Annual Waste Management Conference 2015, WM Proceedings, March 2015, Phoenix, Arizona, USA M. Raunio, P. Rajala, L. Carpén Corrosion of stainless steel in low oxygen groundwater environment. 16th Nordic Corrosion Congress nd May 2015, Stavanger, Norway L.Carpén, P. Rajala, M. Bomberg Microbially Induced Corrosion in Deep Bedrock. Presentation in IBS 2015 (International Biohydrometallurgy Symposium), Sanur, Bali

25 A brighter future is created through science-based innovations. #vttpeople