Rakennemateriaalien korroosiotestaus ja mallintaminen ylikriittisessä vedessä

Sami Penttilä

Tutkimustuotos: Doctoral ThesisCollection of Articles

Abstrakti

Ydinenergian tuotannossa esitetyt vaatimukset paremmalle polttoainetehokkuudelle ja turvallisuudelle edesauttavat uudenlaisien innovaatioiden esiintuloa edistämällä myös neljännen sukupolven (Gen IV) laitosten kehitystä. Yleisesti ottaen Gen IV reaktorit käyttävät polttoainetta tehokkaammin verrattuna nykyisiin kevytvesireaktoreihin johtuen suljetusta polttoainekierrosta, korkeammasta palamasta, paremmasta termisestä hyötysuhteesta tai näiden yhdistelmästä. Näistä Gen IV konsepteista ylikriittisen veden reaktori (SCWR) on ainoa, joka käyttää vettä jäähdytteenä. Yleinen korroosio on yksi vakavimmista materiaalien vanhenemismekanismeista ylikriittisessä vedessä (SCW). Kirjallisuudessa käsitellään laajasti vaihtoehtoisia materiaaleja SCWR:n komponenteille. Yleensä kokeet ovat suoritettu hyvin erilaisissa olosuhteissa ja tuloksien vertaaminen on haastavaa. Tämä työ pyrkii selvittämään materiaalien käyttäytymistä SCW-olosuhteissa ja täydentämään tietoaukkoja erityisesti korkeammissa lämpötiloissa aina 700 °C asti tutkien erilaisia materiaalikoostumuksia (Julkaisut I-VI) erilaisilla karakterisointimenetelmillä. Yleisesti materiaalien käyttäytymiseen vaikuttavia tekijöitä yleisen korroosion näkökulmasta ovat perusaineen koostumus, lämpötila ja näytepinnan esikäsittely. Tuloksien perusteella voidaan todeta, että Zr-seokset ja teräkset (< 16 - 20 paino-% Cr) eivät saavuta riittävää korroosiokestävyyttä polttoaineen suojakuoren tapauksessa, vaikka korroosiokestävyyttä voidaan mahdollisesti parantaa kylmämuokkaamalla materiaalin pintaa. Tämä havainto poissulkee useat ydinvoimalaitoskäyttöön jo lisensioidut materiaalivaihtoehdot niiden ollessa tyypillisessä lähtötilassaan. Toisaalta teräkset (> 20 paino-% Cr), nikkelipohjaiset seokset ja oksididispersiolujitetut teräkset (ODS) ovat osoittaneet käyttökelpoisuutensa. Joitakin rajoituksia näiden materiaalien käyttöön tulee liittyen perusaineen korkeaan kromi- ja nikkelipitoisuuteen sekä materiaalien liitettävyyteen. Pinnan kylmämuokkauksen vaikutusta hapettumisen kestävyyteen tutkittiin ruostumattomalle teräkselle 316L altistamalla näytteet 3000 h asti SCW olosuhteissa. Altistuskokeiden tulokset olivat lupaavia, mutta kylmämuokkauksen vaikutusta jännityskorroosioherkkyyteen kuten myös pidempiaikaisen altistumisen (&gt; 5000 h) vaikutusta pitää edelleen tutkia. Yleisen korroosiokestävyyden arvioimiseksi kehitettiin ja sovellettiin ns. MCM-menetelmää (Mixed Conduction Model) määrittämään valittujen materiaalien pitkäaikaiskäyttäytymistä. Lupaavimpia tuloksia saatiin ODS teräksille, jotka sisälsivät yli 20 paino-% kromia perusaineessa. MCM laskennan perusteella tämä materiaali osoitti hitaampaa korroosiotunkeutumisnopeutta (mm/vuosi) kuin muut tutkitut metalliseokset. Toisaalta pintakäsittelemätön ruostumaton teräs 316NG osoitti n. 2 kertaa nopeampaa korroosiotunkeutumisnopeutta verrattuna 20 paino-% kromia sisältävään ODS teräkseen. Mallinnus antoi uutta ymmärrystä siihen, miten rakennemateriaalien hapettuminen ko. ympäristössä todennäköisesti tapahtuu ja miten sitä voidaan mallinnuksen kautta selittää.
Julkaisun otsikon käännösRakennemateriaalien korroosiotestaus ja mallintaminen ylikriittisessä vedessä
AlkuperäiskieliEnglanti
PätevyysTohtorintutkinto
Myöntävä instituutio
  • Aalto-yliopisto
Valvoja/neuvonantaja
  • Lundström, Mari, Vastaava professori
  • Kinnunen, Petri, Ohjaaja, Ulkoinen henkilö
  • Forsen, Olof, Ohjaaja
Kustantaja
Painoksen ISBN978-952-60-3866-7
Sähköinen ISBN978-952-60-3867-4
TilaJulkaistu - 2020
OKM-julkaisutyyppiG5 Tohtorinväitöskirja (artikkeli)

Tutkimusalat

  • yliriittinen vesi
  • korroosio
  • hapettuminen
  • teräs
  • suojakuori
  • mallinnus

Sormenjälki Sukella tutkimusaiheisiin 'Rakennemateriaalien korroosiotestaus ja mallintaminen ylikriittisessä vedessä'. Ne muodostavat yhdessä ainutlaatuisen sormenjäljen.

Siteeraa tätä