Studie förklarar varför nya typer av stål behövs för att bygga blykylda reaktorer
Säkrare drift, bättre bränsleeffektivitet och mindre avfall gör blykyld kärnkraft till ett dramatiskt skifte från de vattenkylda kärnkraftverk som världen har förlitat sig på sedan mitten av 1900-talet. En ny svensk studie kastar ljus över hur man kan undvika korrosion i stålet som används för att bygga dessa nästa generations kärntekniska anläggningar.
Forskare vid KTH rapporterar nya detaljer om hur korrosion uppstår i rostfritt stål när det utsätts för flytande bly. Studien visar varför vissa stålsorter fungerar bättre än andra, så att reaktordelar håller längre. Resultaten publicerades i tidskriften Corrosion Science.
Eftersom flytande bly är mycket korrosivt mot konventionellt konstruktionsstål har utvecklingen av nya stållegeringar för kraftverk varit en hög prioritet för industrin. Den nya studien fokuserade på AISI 316L, en legering som föredras för vattenkylda kärnkraftverk tack vare flera egenskaper, bland annat mekanisk styrka vid höga temperaturer och den lätthet med vilken materialet kan bearbetas och svetsas för komplexa reaktordelar. Det är känt som ett austenitiskt rostfritt stål på grund av sitt höga innehåll av nickel samt krom och andra element.
Forskarna fann att korrosion initieras av bildandet av en ultratunn film av flytande bly – så tunn som en mikrometer – som driver snabb upplösning vid stålytan. Detta fynd motsäger tidigare antaganden om korrosionsmekanismen. Och det bekräftar vad många har misstänkt om varför austenitiskt stål försämras kraftigt när det utsätts för flytande bly.
Många experter inom området har hävdat att ferrit – en typ av mjukt, magnetiskt järnoxid – växer direkt ovanpå austeniten, med flytande bly som tränger in senare. Forskarna fann i stället att den austenitiska strukturen destabiliseras och börjar brytas ned på elementnivå, säger Kin Wing Wong och Peter Szakálos, forskare vid avdelningen för Kärnvetenskap och kärnteknik på KTH.
Wong säger att nickelatomer, som är mycket lösliga i flytande bly, diffunderar ut ur stålet och löses upp i den omgivande metallen. Det kvarvarande järnet och kromet omorganiseras till en ferritisk fas – men denna nybildade ferrit är svag och mycket porös.
— Under strömmande bly rivs dessa porösa, blyfyllda kanaler lätt bort, vilket dramatiskt accelererar materialförlusten, säger han. Detta förklarar varför flytande bly som strömmar bortför metall i så hög takt – ibland flera millimeter per år – snabbare än någon tidigare trott.
Resultaten förklarar också varför utvecklingen av ett enda ”korrosionssäkert” austenitiskt stål sannolikt inte kommer att fungera. Flytande bly ligger inte kvar på ytan; det tränger in och avlägsnar krom och nickel från insidan, vilket gör att strukturen hos austenitiskt stål gradvis faller sönder – oavsett hur dess sammansättning justeras. I stället säger forskarna att framtiden ligger i att kombinera olika typer av stål så att varje lager gör det det är bäst på.
Wong säger att ett lovande alternativ är den nya klassen av ferritiska stål som bildar alumina (FeCrAl), nyligen utvecklade vid KTH av Szakálos, vilka bildar en tunn, självläkande aluminafilm (Al₂O₃) som visat utmärkt korrosionsbeständighet även vid temperaturer upp till 800 °C – långt över typiska reaktordriftstemperaturer. — När de används tillsammans med konventionella austenitiska stål som skiktade material kan dessa material ge det långvariga skydd som behövs för morgondagens blykylda reaktorer, säger han.
David Callahan