1 MONITOREO DE CORROSIÓN DE ELEMENTOS COMBUSTIBLES MTR GASTADOS
Linardi, E.* y Haddad, R
Dpto. Corrosión - Gerencia de Materiales - Centro Atómico Constituyentes - CNEA Av. Gral. Paz 1499- (B1650KNA) - San Martín - Buenos Aires - Argentina
*e-mail: [email protected]
Resumen:
Los elementos combustibles tipo MTR gastados, provenientes de reactores experimentales argentinos, se depositan bajo agua en almacenamiento interino.
Durante el período 1996-2000 la Argentina participó de Proyectos de Investigación coordinados por el Organismo Internacional de Energía Atómica sobre “Corrosión acuosa de elementos combustibles de aluminio gastados”, realizando el monitoreo de la corrosión de los combustibles en sus instalaciones de almacenamiento.
Siguiendo los lineamientos del programa coordinado por la OIEA, actualmente en nuestro país se continúa con el monitoreo de la corrosión de los combustibles gastados en los reactores RA1, RA3 y RA6 y en la instalación FACIRI (Facilidad de Almacenamiento de Combustible Irradiados de Reactores de Investigación).
En este trabajo se presentan los detalles de las operaciones de monitoreo llevadas a cabo en el periodo 2014-2015 en las instalaciones mencionadas.
1. Introducción
Los reactores experimentales o de investigación argentinos utilizan elementos combustibles (EC) que consisten básicamente en placas de aleación de aluminio AA6061, que contienen el material fisil. Los demás componentes estructurales del EC se fabrican con la misma aleación. Una vez terminada su vida útil en los reactores, los combustibles gastados (ECG) pasan por distintas etapas de almacenamiento interino, durante las cuales el ECG permanece bajo agua. Dado que la duración conjunta de todas estas etapas puede extenderse por mucho tiempo, llegando en algunos casos hasta 40 años, se hace necesario ejercer un control de las instalaciones de almacenamiento.
En los sitios en Argentina en donde hay ECG almacenados, incluyendo instalaciones de almacenamiento y piletas de decaimiento de reactores, se está realizando desde el año 2011 un Programa de Monitoreo de la Corrosión de ECG. El programa también incluye el monitoreo de los reactores RA1 y RA6, ya que al ser de baja potencia, el tiempo de permanencia de los EC se extiende por varios años. Este programa tiene su antecedente inmediato en dos Proyectos Coordinados de Investigación (CRP) y un Proyecto Coordinado para Latinoamérica (RLA) organizados y auspiciados por el OIEA desde 1996 hasta el año 2007 [1,2].
El principal objetivo del Programa de Monitoreo es evaluar la posibilidad de que ocurran fenómenos de corrosión que puedan producir daño en los ECG, y establecer el origen de los problemas que se presenten. Adicionalmente, el Programa es útil para proporcionar herramientas a los operadores de las instalaciones que les facilite la conservación de los ECG.
2 En este trabajo se presenta un informe de avance de las operaciones de monitoreo en el RA3 y la FACIRI durante el período 2014-2015.
2. Metodología:
2.1 Armado de los conjuntos de ensayo:
Para el monitoreo de la corrosión de ECG, se utilizan cupones de aleación de aluminio fabricados con chapa de aleación AA6061 de 3mm de espesor. La preparación superficial consiste en un decapado en solución de NaOH 10% a 70ºC, neutralización con HNO3 50% a temperatura ambiente, enjuague con agua destilada y secado en corriente de aire caliente, según el protocolo elaborado por la OIEA [3]. Los cupones se colocan en un soporte de acero inoxidable, separados por anillos cerámicos para garantizar su aislación. A fin de estudiar posibles fenómenos de corrosión por par galvánico se incluyen pares formados por cupones de AA6061 y cupones de acero inoxidable SS316. En el caso particular del monitoreo en la instalación FACIRI se incluyeron cupones de la aleación AA5083, utilizada en la fabricación de soportes para los ECG, y cupones de AA6061 para el estudio de corrosión inducida por microorganismos (MIC). La Fig. 1 presenta los distintos cupones utilizados.
Fig.1a: probetas AA6061 Fig.1b: probetas AA5083 Fig. 1c: probetas AA6061 (MIC)
En la Fig. 2 se muestra el detalle de la ubicación de los cupones en el conjunto de ensayo utilizado en el monitoreo del reactor RA1, pileta de decaimiento del RA3, y reactor y pileta de decaimiento del RA6. Todos los elementos que componen el rack son de acero inoxidable, y se utiliza cable de acero inoxidable para colocarlos en los sitios de almacenamiento. Debido a la experiencia adquirida en programas anteriores, se sabe que una de las principales causas de degradación en los ECG es el ataque que se produce debajo de partículas ambientales que se depositan sobre el aluminio.
Por esta razón, los cupones de AA6061 se diseñaron de manera tal que su superficie esté igualmente expuesta a la precipitación y sedimentación (Fig. 1a). La Fig. 3 muestra el conjunto de ensayo utilizado en la instalación FACIRI.
2.2 Inmersión de los conjuntos de ensayo:
Los conjuntos de ensayo se colocan en los sitios a monitorear, utilizando cables y soportes de acero inoxidable, tratando de no introducir ningún material extraño a la instalación. Como criterio general, se colocan lo más cerca posible a los ECG, dependiendo de la disponibilidad de espacio y tratando de no interferir con las operaciones de rutina de la instalación.
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Fig. 2: armado conjunto de ensayo y detalle de ubicación de cupones
Fig. 3. armado conjunto de ensayo utilizado en la instalación FACIRI
2.2.1 Pileta de decaimiento del RA3 (CAE):
Se colocó un rack en la pileta, sobre uno de los laterales y a la misma altura que los ECG allí almacenados.
Fig. 4: detalle ubicación del rack en la pileta de decaimiento
4 2.2.2 Instalación FACIRI (CAE)
La FACIRI consiste básicamente en una pileta de 16m de profundidad, con soportes para los elementos combustibles fabricados con aleaciones de aluminio AA6061, AA5083 y AA5052. Debido a las características particulares de esta instalación, se decidió colocar 2 racks de monitoreo, en los niveles -8m y -16m, y tomar muestras de agua en los niveles -1m, -8m y -16m. La Fig. 3a presenta una vista desde la boca de la pileta, y en la Fig. 3b se observa, por debajo de uno de los canastos, el rack colocado a -8m.
Fig. 3a: vista boca de la pileta Fig. 3b: rack colocado en nivel -8m
2.3 Toma de muestras de agua:
El tiempo de permanencia de los conjuntos de ensayo es aproximadamente 1 año.
Durante ese tiempo se toman muestras de agua a intervalos de 2 meses. El protocolo diseñado por la OIEA [3] recomienda el monitoreo de varios parámetros en el agua de las instalaciones de almacenamiento. En este trabajo se analizan parámetros críticos como son la conductividad y el pH. Adicionalmente se miden la concentración de metales disueltos, tales como aluminio y hierro, debido a que son indicativos de los procesos de corrosión, y las concentraciones de cloruros, nitratos y sulfatos dado que se trata de especies agresivas. En cada muestra de agua se midió la conductividad in- situ y se midió el pH con papel reactivo. Las muestras fueron luego remitidas al laboratorio donde se realizó el análisis de los iones y metales disueltos.
Luego de cumplido un año de su inmersión, se retiraron los conjuntos de ensayo, se registró el estado de los cupones mediante fotografías y se procedió a su análisis mediante inspección visual y observación por Microscopía Óptica (MO).
3. Resultados y discusión
3.1 RA3
Los valores de pH y conductividad medidos durante el monitoreo en la pileta de decaimiento del RA3 se presentan en la Fig. 4. El valor de pH se mantuvo dentro del rango recomendado para este tipo de instalaciones [3].
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Fig. 4: pH y conductividad en pileta RA3
Con respecto a la conductividad, la OIEA recomienda que su valor esté por debajo de 1μS·cm-1, valor que ha sido levemente superior durante el monitoreo, llegando a un máximo de 2,5 μS·cm-1. Los valores de los demás parámetros obtenidos se pueden consultar en la Tabla 1. Se puede observar que la concentración de iones agresivos como cloruro, sulfato y nitrato se mantuvo debajo de 1ppm, y la concentración de metales disueltos como aluminio, hierro y magnesio se mantuvo también por debajo de 1ppm.
Tabla 1. Resultados análisis agua pileta RA3 (NA: no analizado; 1mg/l=1 ppm; 1 µg/l=1ppb)
Luego de extraer el conjunto de ensayo, se procede a desarmarlo y limpiar los cupones, para realizar el análisis de los mismos. A modo de ejemplo, en la Fig. 5 se muestran dos cupones de AA6061 (las imágenes corresponden a las caras que estuvieron expuestas hacia arriba). En general, se observa la formación de un óxido de color gris oscuro que cubre de manera homogénea toda la superficie que estuvo expuesta al agua de la instalación. La inspección visual no revela ningún signo de degradación severa. No se observan diferencias entre los cupones aislados y los que estuvieron en contacto con acero inoxidable. En el cupón de la Fig. 5b se observan sobre la superficie del óxido algunas manchas puntuales (indicadas como A y C en la figura), y se ha señalado también la zona B como referencia de un área de la probeta que no ha sufrido ataque. Luego de la inspección visual, se realizó la observación mediante microscopía óptica (MO).
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Fig. 5: cupones extraídos de la pileta de almacenamiento RA3.
En las Figs. 6a, 6b y 6c se presentan imágenes de MO de distintas zonas de los cupones. La Fig. 6b muestra una zona del cupón con crecimiento normal de óxido donde no se ha producido ningún tipo de ataque. La morfología observada en las Figs.
6a y 6c corresponde a un tipo de corrosión bajo depósito, se trata de ataque alrededor de partículas depositadas en la superficie del metal. Esto ha sido observado en gran número de cupones a lo largo de los distintos programas de monitoreo [1,4], y se sabe que ocurre debido a alguna partícula ambiental que se deposita sobre la superficie del metal. Esto ocurre frecuentemente en los sitios de almacenamiento debido a que el agua está expuesta a partículas de polvo, cemento, pintura, óxidos de hierro, etc., y se presenta como disolución del aluminio debajo de la partícula. El óxido formado precipita alrededor de ella, dando origen a anillos de interferencia. Este fenómeno de corrosión bajo depósito ha sido reproducido en ensayos de laboratorio [5]. Se ha encontrado que este ataque puede producirse al depositarse partículas provenientes del ambiente, aún en aguas de muy alta pureza y con concentración muy baja de cloruro.
Fig. 6a: zona “A” Fig. 6b: zona “B” Fig. 6c: zona “C”
Analizando el estado de los cupones en relación a la calidad del agua de la pileta, se puede observar la correlación entra la buena calidad del agua y la ausencia de degradación severa.
3.2 FACIRI
Los valores de pH registrados durante el monitoreo en la instalación FACIRI se mantuvieron dentro del rango permitido en este tipo de instalaciones (Fig.7). Los valores de conductividad ("κ") variaron entre 0,5 y 2,5μS·cm-1, valor levemente superior a lo recomendado. En la Tabla 2 se detallan los valores de otros parámetros monitoreados, como concentración de cloruro, sulfato, nitrato, y metales disueltos. Para
7 estos parámetros se registraron valores cercanos a 1ppm durante todo el monitoreo.
Por otra parte, se observa que tanto estos valores como la k y el pH, que caracterizan la química del agua, no varían significativamente en los tres niveles estudiados: -1m, - 8m y -16m. Esto es indicativo de que el funcionamiento de los sistemas de recirculación de la instalación es eficiente, logrando mantener la homogeneidad de todo el volumen de agua.
Tabla 2. Resultados análisis de agua FACIRI (NA: no analizado; 1mg/l=1 ppm; 1 µg/l=1ppb)
Al analizar los cupones extraídos de la instalación, se observa que los que estuvieron aislados presentaron un crecimiento de óxido homogéneo en toda su superficie, en ambos niveles -8 (Fig. 8a) y -16m (Fig. 9a). En los cupones que estuvieron en contacto con acero inoxidable (Fig. 8b y 9b) se detectó óxido solo en ciertas zonas. En los cupones acoplados con inoxidable, el agua que queda retenida en la rendija formada por el par aluminio/inoxidable tiene un pH y k muy diferentes al resto del agua de la instalación. Es probable que esta solución pueda emerger de la rendija y disolver el oxido que se ha formado en la cara exterior del cupón de aluminio, dando lugar a lo observado en la Fig. 9b.
En los cupones de aleación AA5083 (Figs. 8c y 9c) el óxido también creció de manera uniforme en toda la superficie. En ninguno de los cupones analizados se encontraron evidencias de corrosión localizada. La inspección de los cupones mediante MO tampoco mostró ningún tipo de ataque localizado.
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Fig. 7: Valores de pH y k en instalación FACIRI, relevados en distintos niveles.
Fig. 8: cupones extraídos de la instalación FACIRI del nivel -8m.
Fig. 9: cupones extraídos de la instalación FACIRI del nivel -16m.
A modo ilustrativo, la Fig. 10 muestra los resultados de la observación con MO. No se detectaron puntos de ataque localizado en ninguno de los cupones analizados de AA6061 ni en los de AA5083.
a b c
a b c
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Fig. 10: imagen MO cupones: a) -8m cupón aislado; b) -8m cupón acoplado con inoxidable; c) -16m cupón aislado d) -16m cupón acoplado con inoxidable
Nuevamente, en el caso de la FACIRI, se observa que la buena calidad del agua se vé reflejada en la ausencia de corrosión localizada en los cupones. Es necesario aclarar que, a diferencia de la pileta de decaimiento del RA3, la pileta de la FACIRI cuenta con una tapa, lo cual minimiza la caída de partículas ambientales en el agua, favoreciendo el buen mantenimiento de la misma.
Con respecto a los estudios para evaluar la posibilidad de corrosión inducida por microorganismos, hasta el momento sólo se tienen resultados preliminares, por lo tanto no se expondrán en el presente trabajo.
4. Conclusiones – Recomendaciones
No se observó en los cupones analizados ningún tipo de degradación severa.
Se verificó la relación entre el buen mantenimiento de la química del agua y la ausencia de corrosión localizada.
Además del control de la química del agua, es importante el manejo de la instalación, tratando de evitar el ensuciamiento del sitio con polvo o partículas de cualquier tipo.
Se comprobó que el programa de monitoreo incentiva a los operadores de instalaciones a mejorar las condiciones de mantenimiento.
Por otra parte, se hace necesario continuar con estudios específicos sobre mecanismos de corrosión de los materiales utilizados tanto en las instalaciones como en los elementos combustibles, para garantizar la integridad de los mismos
10 5. Referencias:
[1] Corrosion of Research Reactor Aluminum Clad Spent Fuel in Water, Technical Re- port Series No. 418, IAEA, Vienna, 2003.
[2] Corrosion of research reactor aluminum clad spent fuel in water, IAEA-TECDOC 1637, Vienna, 2009.
[3] Good Practices for Water Quality Management in Research Reactors and Spent Fuel Storage Facilities, Technical Report, IAEA No. NP-T-5.2, 2011.
[4] XLI Reunión Anual de la Asociación Argentina de Tecnología Nuclear - AATN
“Programa de monitoreo de elementos combustibles tipo MTR, gastados en reactores experimentales, en sitios de almacenamiento interino prolongado en agua.”,E. Linardi y R. Haddad. Buenos Aires, 2014.
[5] XXX Reunión Anual de la Asociación Argentina de Tecnología Nuclear - AATN
“Estudio de la corrosión de AA6061 usada en combustibles nucleares”, Sebastián. Ro- driguez, Roberto. Haddad y Liliana. Lanzani. Buenos Aires, 2003.
Agradecimientos:
Los autores agradecen al personal de las instalaciones FACIRI, RA1, RA3 y RA6 por su colaboración y excelente predisposición para el desarrollo de este trabajo, a la planta ECRI, y al Laboratorio de Química Analítica en Medios Activos (LFR, ICP – MS), Centro Atómico Ezeiza.
ABSTRACT.
CORROSION SURVEILLANCE PROGRAM OF MTR SPENT FUEL ELEMENTS
MTR-type spent fuel elements, used in Argentine experimental nuclear reactors, are placed in demineralised water basins for interim storage. During the period 1996-2000 the International Atomic Energy Agency implemented a Coordinated Research Project and a Regional Latin America Project on “Corrosion of Research Reactor Aluminium Clad Spent Fuel in Water”. Argentina participated in these projects, by carrying out corrosion surveillance operations in the RA1, RA3 and RA6 reactors, and in the Central Storage Facility located in the Ezeiza Atomic Centre.
Following the IAEA program guidelines, a surveillance operation is currently being conducted in our country, which includes corrosion monitoring in the RA1, RA3 and RA6 reactors and in the FACIRI (Research Reactors Spent Fuel Elements Storage Facility).
This paper presents the details of the surveillance program carried out during the period 2014-2015 in the RA3 decaying pool and in the FACIRI.
