Principalele activitatile ale laboratorului de analiza si diagnoza componente metalice corodate in instalatii nucleare

I. Introduction

Nuclear energy plants produce electricity through the fission of uranium, not the burning of classical fuels. Consequently, nuclear power plants do not pollute the air with nitrogen oxides, sulfur oxides, dust or greenhouse gases like carbon dioxide (Fig.1). More than 400 nuclear power plants are operating in 25 countries around the world today, supplying almost 17 percent of the world's electricity (Fig 2.). Many of these nations are building new nuclear energy plants to meet the needs of their growing populations and expanding economies, about 83 new nuclear energy plants are currently being built around the world.

In decursul exploatarii centralelor nuclearo-electrice s-a constatat ca, si in conditii normale de functionare ale circuitelor de transfer al caldurii pot apare efecte nedorite datorate in special coroziunii, eroziunii, hidrurarii si depunerii de diversi produsi de coroziune pe suprafetele de transfer termic.

Operatiile de intretinere ale unei centrale nuclearo-electrice (CNE) sunt deosebit de complexe si dificile, datorita naturii specifice a acesteia. Astfel, opririle neplanificate ale instalatiilor nucleare datorate degradarii prin coroziune, reprezinta aproximativ 50%,in ultimii 10 ani, acestea functionand in medie cu circa 5% mai putin .

Avand in vedere o serie de cerinte cum ar fi:

cresterea duratei de functionare in conditii de securitate a componentelor structurale;

diminuarea costurilor necesare de readucere a instalatiei in conditii de functionare normala dupa opriri cauzate de inlocuirea unor componente corodate;

reducerea nivelului de radiatii in sistemele CNE;

evitarea diminuarii puterii instalatiei;

diminuarea riscului pierderii increderii publicului in cei care opereaza instalatiile nucleare,

Este necesar sa se cunoasca si sa se inteleaga fenomenele de degradare a componentelor structurale dintr-o CNE .

Analiza si diagnosticarea proceselor de coroziune care conduc la degradarea componentelor metalice aferente unei centrale nuclearo-electrice precum si identificarea solutiilor pentru diminuarea / prevenirea acestor procese sunt deosebit de importante, deoarece oprirea instalatiilor pentru repararea sau inlocuirea unor componente presupune costuri ridicate,mareste riscul expunerii la radiatii a personalului operator si riscul contaminarii radiochimice.

In cadrul Sectiei "Materiale nucleare si coroziune" din SCN exista Laboratorul de Analiza si Diagnoza Componente Metalice Corodate in Instalatii Nucleare, laborator acreditat RENAR conform Standardului ISO/IEC 17025:2005 - "Cerinte generale de competenta pentru laboratoare de incercare si etalonare".

In prezenta lucrare vor fi prezentate atat unele metode utilizate in cadrul LADICON pentru analiza componentelor corodate din instalatiile nucleare cat si metode de testare utilizate pentru evaluarea coroziunii materialelor structurale in conditii si medii similare cu cele in care au functionat componentele corodate.

II. Principalele activitatile ale laboratorului de analiza si diagnoza componente metalice corodate in instalatii nucleare LADICON

Experimentele de coroziune executate in cadrul LADICON in afara reactorului abordeaza coroziunea generalizata si localizata a diferitelor componente si materiale structurale prin diverse metode procedurate si in conformitate cu standardele sau normele actuale:

teste chimice de durata (autoclavizare statica la parametrii care simuleaza conditiile de operare din circuitele CNE);

teste accelerate (metode electrochimice).

Activitatea de cercetare

Referitor la problemele de chimia apei si coroziune in circuitele CNE,se desfasoara ctivitati de cercetare in cadrul unor Programe de Cercetare Experimentala privind comportarea la coroziune a materialelor structurale aferente circuitului primar, generatorului de abur (GA) si circuitului secundar al unei centrale nuclearo-electrice in conditii normale si anormale de operare.

Aceste programe de cercetare s-au impus ca o necesitate in asigurarea suportului tehnico-stiintific pentru operarea in siguranta si cresterea duratei de viata a centralelor nuclearo-electrice din tara noastra.

Pentru a urmari efectele chimiei apei asupra coroziunii si generarii activitatii pe unele materiale structurale si pentru a demonstra influenta transportului activitatii in circuitele, la CNE - Cernavoda exista un sistem de 4 autoclave intr-un "by-pass" al circuitului primar. In autoclavele Y1 si Y4 aflate la iesirea din reactor este determinata coroziunea la 310^oC, dupa iesirea agentului termic din canalul combustibil, iar in autoclavele Y2 si Y3 asamblate la intrarea in reactor se determina coroziunea la 265^oC, in conditiile circuitului secundar, dupa iesirea agentului termic din generatorul de abur.

Folosind dispozitive cu geometrie adecvata, pe langa coroziunea generalizata se mai poate studia coroziunea fisuranta sub sarcina, coroziunea galvanica, coroziunea in crevasa, ca si coroziunea diferitelor zone afectate termic

Activitatea de analiza si diagnoza

Avand in vedere ca, activitatea de analiza si diagnoza componente metalice corodate provenite din instalatii nucleare este deosebit de importanta pentru mentinerea securitatii nucleare, ea trebuie realizata in conformitate si cu legislatia Comisiei Nationale pentru Controlul Activitatilor Nucleare -CNCAN.

Notificarea laboratorului LADICON ca Laborator de Incercari in domeniul nuclear s-a facut de catre CNCAN - Bucuresti (notificarea nr. Li-04 - 2008) pentru urmatoarele metode de analiza si evaluare:

Analiza gravimetrica a cupoanelor de coroziune;

Analiza prin microscopie metalografica a cupoanelor de coroziune si componentelor metalice corodate in instalatii nucleare;

Determinarea comportarii la coroziune a materialelor structurale prin metode electrochimice.

Se stie ca majoritatea componentelor metalice si in special cele executate din otel carbon se coroodeaza in mediu apos aflate la temperatiri si presiuni ridicate, similare celor existente in circuitele primar si secundar ale CNE CANDU. De aici rezulta importanta executiei testelor de coroziune in acele conditii care sa simuleze pe cele din circuitele primar si respectiv secundar, in vederea prognozarii directiilor de avansare a coroziunii si a mecanismelor diferitelor procese de coroziune.

Investigarea comportarii la coroziune prin autoclavizare la temperatura si presiune ridicata in solutii apoase

Testarea la coroziune prin autoclavizare implica expunerea cupoanelor, prelevate din diferite materiale structurale, in mediu apos sau de vapori la temperaturi si presiuni ridicate, pentru perioade de timp limitate. Parametrii de lucru si mediul de testare trebuie sa fie similare conditiilor de operare ale componentelor corodate aflate in studiu.

Echipamentele statice folosite in testarea la coroziune sunt urmatoarele:

• autoclava Prolabo - 1litru: temperatura maxima 400^oC (eroare masurare 5^oC) si presiunea maxima 20 MPa (eroare masurare 0,5 MPa);
• autoclava Baskerville - 5litri: temperatura maxima 400^oC (eroare masurare 5^oC) si presiunea maxima 20 MPa (eroare masurare 0,5 MPa)(Fig. 3.);
• autoclava Baskerville - 13litri: temperatura maxima 400^oC (eroare masurare 5^oC) si presiunea maxima 20 MPa (eroare masurare 0,5 MPa)(Fig. 3.);
• Instalatie de decontaminare(descalare) in regim dinamic;
• Autoclava electrochimica de 1 litru permite efectuarea masuratorilor electrochimice (potentiale de coroziune in circuit deschis, cronoamperometrie, voltametrie) la parametrii specifici circuitelor unei centrale nucleare (temp.max.= 300⁰C, presiune 100atm). (Fig.4.)

Cu ajutorul softului de coroziune incorporat, se pot determina potentialele de coroziune si curentii de coroziune aferenti probelor expuse in medii apoase la temperatura si presiune ridicate.

Parametrii electrochimici masurati pot furniza informatii privitoare la susceptibilitatea la coroziune a materialelor respective din centrala nucleara.

Metoda de analiza gravimetrica a cupoanelor

Gravimetria este o metoda de analiza cantitativa bazata pe masurarea masei unui cupon de coroziune inainte si dupa expunerea pentru o perioada de timp bine determinata in medii diferite. Pe baza cantaririlor initiale si a celor inregistrate, de exemplu, dupa autoclavizari, se determina variatia in greutate DG in mg care se raporteaza la suprafata calculata in dm², pe baza masuratorii dimensiunilor cupoanelor efectuate inainte de expunere la coroziune.

Fig.5. Weight loss function of autoclavization periods curves corresponding to carbon steel samples tested in three types of solutions

In felul acesta se determina variatia in greutate pe suprafata , DG/S (mg/dm²), care raportata la timpul de expunere exprimat in zile conduce la viteza de coroziune in mg/dm²zi (Fig.5). Pe baza determinarilor gravimetrice sub forma castigului in greutate, se poate face si o estimare a grosimii compusilor superficiali, cu conditia cunoasterii tipului compusului si a densitatii acestuia.

Metode electrochimice

Implica determinarea comportarii la coroziune a materialelor structurale prin metoda polarizarii lineare, metoda polarizarii ciclice (Fig.7.), evaluarea susceptibilitatii la coroziune a materialelor structurale utilizand metoda variatiei potentialului de coroziune in circuit deschis functie de timp(Fig. 6.), precum si o metoda moderna de evaluare a performantelor filmelor superficiale depuse pe suprafata metalelor si are avantajul de a nu accelera reactiile electrochimice de la interfata metal/solutie.

Sistemul electrochimic Princeton Model 2273(Fig.8 si 9) utilizat pentru executarea masurilor electrochimice cuprinde: un potentiostat / galvanostat, ; celula electrochimica propriu-zisa(Fig. 9.) si un computer Windows XP(pentru prelucrarea datelor).

Metoda spectroscopiei impedantei electrochimice (EIS) este larg folosita in cercetarile de coroziune intrucat ea prezinta urmatoarele avantaje:

foloseste semnale foarte mici care nu perturba proprietatile electrozilor;

pot fi studiate procesele de coroziune si masurate vitezele de coroziune in lichide cu conductivitate foarte coborata, in care metodele traditionale nu pot fi folosite;

facand o singura masuratoare, pot fi obtinute cel putin doua caracteristici electrice ale filmelor superficiale: capacitatea stratului dublu electric si rezistenta de polarizare.

Metoda de analiza metalografica

Analiza metalografica consta in examinarea macroscopica si microscopica a materialelor metalice.

Analiza microscopica, este o metoda de lucru indispensabila in studiul microstructurii materialelor care permite efectuarea urmatoarelor analize: determinarea microscopica a incluziunilor nemetalice in metale si aliaje, studiul modificarii grauntilor cristalini, determinarea morfologiei cristalitelor si a distributiei lor dupa marime, etc.

Microscopul OLYMPUS GX 71 (Fig.10.) este un instrument optic de vizualizare, la mariri cuprinse intre x12,5 - x2000 care permite evidentierea morfologiei straturilor de oxizi si depunerile de produsi de coroziune de pe suprafetele probelor. Pentru achizitie, prelucrare si arhivare imagine, microscopul este dotat cu un PC si un soft de lucru (program: analySIS). Se pot face examinari in camp luminos (BF=bright field), camp intunecat (DF=dark field), lumina polarizata (LP) si DIC.

Aceasta analiza se poate evalua microstructura, (structura fina) unui material metalic, furnizeaza informatii referitoare la fazele care alcatuiesc materialul metalic, grauntii cristalini, distributia fazelor si grauntilor, natura acestora, marimea cristalelor, morfologia hidrurilor, etc. De asemenea, se poate pune in evidenta morfologia suprafetelor corodate, aspectul in sectiune al filmulor superficiale, si se poate determinarea grosimii uniformitatii, continuitatii filmelor superficiale, etc.

Figure 10. Microscopul metalografic OLYMPUS GX 71

Concluzii:

           Activitatea in cadrul LADICON este impartita in doua directii: cercetari privind chimia apei si coroziunea in circuitele CNE si analiza si diagnoza comportarii la coroziune a componentelor metalice corodate din instalatii nucleare.

           Experimentele de coroziune abordeaza coroziunea generalizata si localizata prin teste chimice de durata (autoclavizare statica ) si teste accelerate (teste electrochimice).Evaluarea comportarii la coroziune se face prin calcule gravimetrice si tehnici de analiza a suprafetelor.

           Metoda spectroscopiei de impedanta electrochimica (EIS) se utilizeaza in studiul proceselor de coroziune si in analiza proprietatilor de aderena si porozitate, in special, a filmelor de coroziune.

           Analiza gravimetrica permite determinarea vitezelor de coroziune, de eliberare a produsilor de coroziune sau a metalului prin coroziune ,ca si cantitatea produsilor de coroziune total formati, aderenti si eliberati in mediu coroziv.

           Analiza metalografica este o metoda de cercetare fizica ce consta in examinarea macroscopica si microscopica a materialelor metalice.

Pentru investigarea si evaluarea comportarii la coroziune a materialelor structurale, in vederea solutionarii cauzelor de degradare coroziva, se folosesc metode electrochimice (polarizare potentiodinamica, polarizare ciclica si variatia potentialului de coroziune in timp)