Kapsel - Omhändertagande använt bränsle - 2017:17 Granskning och utvärdering av SKB:s redovisni

5 Omhändertagande använt bränsle

5.3 Kapsel

SSM redovisar i detta avsnitt synpunkter på kapitel 8, Kapsel, i SKB:s Fud-program 2016. SKB sammanfattar aspekter som rör kopparkapseln i fyra olika områden; korrosion, kopparkrypning, konstruktion och tillverkning. Denna rapport följer samma struktur. SSM:s bedömning av avsnitt 5.5 Kapsel för använt kärnbränsle avhandlas också

många tusen år efter förslutning. På detta sätt kan inverkan av bakgrundsgamma-

strålningens förmåga att aktivera väte utvärderas liksom om proven är representativa för använt kärnbränsle i framtiden i detta sammanhang.

SKB:s redovisning avseende radionuklidspeciering och lösligheter

Om löslighet av radionuklider innehåller Fud-redovisningen i korthet:

• EU-projektet Skin undersökte sorptions- och upptagsmekanismer och har resulterat i en vetenskaplig metodik för att kvantifiera graden av irreversibelt upptag av radionuklider i mineralfaser efter initial ytadsorption. Även radium- barium-samfällning har studerats. Resultaten visar att den fasta lösningen radium- barium-sulfat bör behandlas som ett termodynamiskt jämviktssystem i ett

långsiktigt geologiskt perspektiv.

• Inom EU-projektet Redupp studerades ytorna hos material med fluoritstruktur, det vill säga samma kristallstruktur som UO2 och använt bränsle. En förlängning av detta arbete resulterade i en beskrivning av hur vatten sorberar och reagerar med UO2-ytor.

• En stor del av undersökningarna från Fud inom urlakning och upplösning görs tillgängliga i internationella databaser. Inverkan av karbonathalt och pH på lösningen av toriumdioxid har studerats.

Arbete med att studera radionuklidlöslighet i olika former av uranmineraler planeras fortsätta. Detta görs till stor del inom internationella samarbeten, och SKB tar upp Amphos 21, OECD/NEA Thermochemical Database samt ett planerat EU-projekt.

Remissinstansernas synpunkter

Kungliga vetenskapsakademien (KVA) framför att kunskapsläget rörande relevant

radionuklidkemi generellt är gott och att av SKB redovisat planerat program är

välmotiverat. KVA framför i anslutning till detta att det skulle vara av intresse att även göra lakförsök med UO2 i alkalisk miljö och vid höga karbonathalter med syfte att undersöka om ett anjoniskt komplex kan bildas under förvarsbetingelserna.

KVA framför också att det finns en teoretisk möjlighet att U(V) kan existera under anoxiska betingelser (inom ett smalt Eh-pH-”fönster”), vilket skulle påverka uranets löslighet och mobilitet. KVA anser därför att en eventuell möjlig bildning av U(V) bör verifieras eller falsifieras.

SSM:s bedömning

SSM bedömer att de av SKB redovisade planerna för det fortsatta arbetet med löslighet av radionuklider förefaller vara ändamålsenliga.

5.3 Kapsel

i detta kapitel då innehållet där i huvudsak överlappar med vad som beskrivs i kapitel 8, Kapsel.

5.3.1 Kopparkorrosion

Här beaktas avsnitt 8.1 i Fud-2016 i vilket SKB avhandlar frågor som rör kopparkorrosion. Även 5.5.1 Processförståelse innefattas i denna del liksom i 6.3.3 i denna rapport.

SKB:s redovisning

SKB identifierar sulfidkorrosion som den dominerande korrosionsprocessen för koppar i slutförvarsmiljö och lyfter fram mekanistisk förståelse för processen, liksom bättre insikt i sulfidhalter i grundvatten och bentonit som de viktigaste frågeställningarna. Elektro- kemiska metoder har tillämpats för att studera kopparsulfidfilmtillväxt och identifiera faktorer som påverkar densamma. SKB lyfter fram sulfid- och kloridkoncentrationer liksom förhållandet dem emellan, tillsammans med sulfidflöde som avgörande för filmtillväxt.

SKB-finansierad forskning har utifrån experimentaldata uppskattat ett kritiskt sulfidflöde under vilket korrosion anses begränsad av masstransport av sulfid. Flödena i slutförvaret beräknade i SR-Site ligger under detta värde. SKB anger vidare att lokal korrosion i reducerande förhållanden ej kan äga rum i slutförvarsmiljö då sulfidflödet och HS-_- koncentrationen anses vara för låga för att en passivfilm ska kunna bildas, vilket är en förutsättning för att lokal korrosion ska kunna induceras. SKB ämnar belysa frågan vidare med studier som i mer detalj analyserar förutsättningarna för uppkomst av lokal korrosion i reducerande miljö. SKB-finansierad experimentell forskning visar på att mekanismen för sulfidering av Cu2O är kemisk snarare än elektrokemisk. Detsamma gäller för CuO, där röntgenspektroskopistudier identifierar en komproportioneringsmekanism som föregår sulfideringen. Vidare finansierar SKB projekt med fokus på kvantkemisk forskning inom samma område för att belysa reaktionsmekanismer för sulfidering av oxidfilmer. SKB har sammanställt forskningsresultat på lösligheten hos pyrit och drar slutsatsen att det är osannolikt att pyrit löses upp vid reducerande förhållanden. SKB har fortsatt bedrivit studier gällande sulfidhalter i grundvatten och identifierat svårigheter med provtagning och analys då mikrobiella processer i avmanschetterade borrhålssektioner kan påverka lokala sulfidkoncentrationer när vattnet är stagnant. SKB ämnar fortsätta med utveckling av dessa metoder samt studera interaktioner mellan mikrober och olika material. SKB lyfter även fram samarbete med Posiva inom forskning på sulfidkorrosion, i synnerhet modellutveckling. SKB redovisar sitt forskningsprogram kring mikrobiell sulfatreduktion annorstädes i Fud-program 2016 (avsnitt 10.1.5 då bufferten är omättad och 10.3.2 efter mättnad).

Beträffande lokal korrosion under oxiderande förhållanden, hävdar SKB utifrån en litteraturstudie från 2013 att de porvattensammansättningar som är aktuella i förvaret inte ger upphov till bildandet av en passivfilm. Senare studier, menar SKB, visar dock på möjlighet till uppkomst av lokal korrosion i oxiderande miljö. Kapslarna upptagna ur Prototypförvaret i Äspölaboratoriet visar på morfologi som kan tolkas som lokal korrosion. Mätningar med SEM (svepelektronmikroskop) visade på gropdjup om

maximalt 7 µm. För att kunna karakterisera ytmorfologin mer utförligt på dessa upptagna kapslar avser SKB att fastställa ett morfologiskt initialtillstånd genom att undersöka

kapslar endast utsatta för atmosfärisk korrosion. SKB ämnar även, genom forskning bedriven vid University of Western Ontario, närmare undersöka den vattenkemi som kapseln utsätts för genom att mäta potentialer på koppar omsluten av bentonit.

SKB:s huvudlinje i frågan huruvida koppar kan korrodera i syrgasfritt vatten är att, utöver korrosionsomfattningen som termodynamisk data förutspår, så saknas det vetenskapligt belägg för att processen äger rum. SKB hänvisar vidare till studier, både experimentella och teoretiska, av ytreaktiviteten hos koppar och kopparoxid, som ej förklarar mängden utvecklad vätgas observerad i vissa experiment, liksom det fruktlösa sökandet av en ny stabil fas i Cu-O-H-systemet. Även Micans-projeket bedöms vara i sin slutfas med författande av vetenskapliga artiklar som huvudsakligt fokus. Under kommande Fud- period beräknas kvantkemiska studier i begränsad omfattning bedrivas för att utöka den mekanistiska förståelsen för bland annat vattendissociation på kopparoxidytor. Även elektrokemiska mätningar för att kartlägga inverkan av klorid och andra joner på korrosionsprocessen ämnas att utföras.

SKB har finansierat ett doktorandarbete vid KTH i vilket strålningsinducerad korrosion har studerats. Höga stråldosrater (i omfattningen omkring 1000 gånger högre än förväntad maximal stråldosrat utanpå kapseln i slutförvaret) har tillämpats på koppar för att beakta den totala dosen som koppar utsätts för under slutförvarstiden. Korrosionsomfattningen är mindre än vad som pessimistiskt antogs i SR-Site-beräkningarna. SKB påpekar dock att utförlig mekanistisk förståelse fordras för att direkt extrapolation till lägre stråldoser ska vara tillämpbart och kommer fortsatt finansiera forskning för kartläggning av dylika mekanismer. SKB följer även noga liknande experiment genomförda i det kanadensiska kärnavfallsprogrammet.

SKB gör fortsatt bedömningen att spänningskorrosion inte hotar kapselintegriteten i slutförvaret men belyser även vikten av att kartlägga mekanismer för spänningskorrosion i större omfattning, i synnerhet vid reducerande betingelser under vilka tydliga experimentella resultat till viss del saknas, genom forskningsarbete bedrivet vid Swerea KIMAB. Detta för att med större noggrannhet bedöma effekterna av eventuell spännings- korrosion. Analys från MiniCan-försök som återtogs hösten 2015 vid Äspölaboratoriet fortgår för att undersöka spänningskorrosion i kapselmaterial.

SKB tillämpar elektrokemiska metoder för att undersöka olika typer av kopparmaterial såsom svetsat och kallarbetat sådant i syfte att kartlägga deras korrosionsbeständighet. Detta initierades under föregående Fud-period, vid vilken främst korrosionspotentialen som funktion av fosforhalt bestämdes, och kommer fortgå framöver med fokus på främst svetsat material.

Remissinstansernas synpunkter

Luleå tekniska universitet framför synpunkter avseende Kärnbränsleförvarets stabilitet

med avseende på såväl kapslarnas korrosion i elektriska fält och närfältbergets hållfasthet på sätt som bestäms av platsvalet. Universitetet anför att Kärnbränsleförvarets belägenhet i tätt berg innebär att lerbufferten som omger kapslarna kommer att vara vattenmättad och elektriskt ledande vid kapslarnas ändar men under lång tid vara torr och oledande över större delen av kapslarnas längd. Det ger ökad genomsläpplighet, förstyvning och minskning av buffertens självläkningsförmåga och duktilitet, samt elektronvandring genom kapslarna som korroderar.

Remissinstansernas synpunkter

Luleå tekniska universitet framför synpunkter avseende Kärnbränsleförvarets stabilitet

Universitetet framför att en av de mest iögonfallande bristerna i SKB:s Fud-program gäller den kemiska stabiliteten hos den viktigaste ingenjörsbarriären, kapslarna med använt kärnbränsle. Detta, eftersom det framgår att SKB inte avser att genomföra tester för att finna hur kapslarnas korrosionsförlopp gestaltas i ett förvar beläget där elektriska potentialer genereras av grundvattenströmning i omgivande sprickzoner. I förvaret är lerbufferten som omger kapslarna från början ofullständigt vattenmättad men graden av mättnad ökar successivt där bufferten är i kontakt med berget medan uttorkning sker invid kapslarna (p.159). Det innebär att det skapas elektriska potentialer över kapslarnas längd, vilket ger elektronvandring genom kapslarna med åtföljande risk för omfattande

korrosion. Risken blir speciellt stor om förvaret förläggs i ”torrt” berg såsom i den föreslagna ”täta” berglinsen i Forsmark.

Stockholms universitet framför att sulfideringsmekanismer sägs vara en central process

för korrosion på kopparkapslarna. Universitetet önskar en förklaring till att mekanismen anges vara av kemisk natur snarare än elektrokemisk.

Universitetet framför vidare att frånvaron av stöd för korrosion av koppar i vatten troligen är korrekt, förutsatt att låga Cu2+_{-koncentrationer omkring 10}-15_mol/dm3_{inte är relevanta.} Universitetet hänvisar till Pourbaix-diagrammet för koppar med denna totalkoncentration och konstaterar att koppar inte ens är formellt stabilt vid pH < ca 7, utan att det bara bildas Cu+(aq) och enbart vid dessa mycket låga totalkoncentrationer. Universitetet anser vidare att det i syrefritt vatten kanske är liten risk att det skulle leda till mycket korrosion men inte om vattnet innehåller lite syrgas och dessutom kloridjoner som stabiliserar kopparjoner. Universitetet anser att hänvisning till att teoretiska studier inte visar några okända faser i Cu-O-H systemet kanske inte är ett tillräckligt skäl för att tro att kopparkapslarna inte kommer att korrodera utan att processen bör ses i ett helhetsperspektiv där fler kemiska komponenter beaktas.

Kungliga vetenskapsakademien (KVA) konstaterar att korrosion av koppar i syrefri miljö

har varit en stridsfråga under många år. KVA framför att den forskning som bedrivits i SKB:s regi under de senaste åren ger ett vederhäftigt intryck och är övertygande. KVA anser dock att det är nödvändigt att studierna av möjliga korrosionsprocesser fortsätter så länge kontroversen finns och bedömer att av SKB föreslaget program är genomtänkt. KVA framför i anslutning till detta att beräkningar av maximala korrosionsdjup är nödvändiga i en ”performance assessment” – strategi.

Uppsala universitet uppmuntrar ansträngningarna att i mer detalj undersöka aspekterna

kring sulfidinducerad korrosion, både vad gäller själva korrosionsmekanismerna samt förekomsten och masstransporten av sulfid i slutförvaret. Universitetet konstaterar att inledande experiment har genomförts men att angreppsätt och metoder inte förefaller vara systematiska, och resultaten från dessa därmed är svårtolkade. Universitetet anser därför att ett helhetsgrepp kring denna fråga måste tas för att ordentligt utreda riskerna kring sulfidinducerad korrosion ( som är den mest kritiska i sammanhanget). Universitetet menar att experiment måste utföras i slutförvarsliknande miljö, på ett systematiskt sätt och med adekvata metoder för att så långt som möjligt kunna bedöma omfattningen av korrosionen på mycket lång sikt. Det gäller också speciellt mekanismerna för lokal korrosion där kunskapsläget idag är bristfälligt. Universitetet anser att detta arbete bör utföras av ett flertal oberoende experter med olika angreppsätt och instrumentella metoder.

Uppsala universitet anser vidare att programmen kring strålningsinducerad korrosion och spänningskorrosion bör fortsätta. Universitetet anser att program även bör inledas för att

undersöka kapselangrepp orsakad av samtidig påverkan av ovan nämnda korrosionstyper, och hur detta till exempel kan leda till lokala angrepp med ökad hastighet. Universitetet framför i anslutning till detta att koppars eventuella korrosion i rent syrefritt vatten kan anses vara tillräckligt utrett.

Sveriges energiföreningars centralorganisation (SERO) anser att kopparkapseln utgör en

halvmesyr och är ofullständigt undersökt. SERO framför att alternativa kapselmaterial inte har redovisats liksom samverkande faktorer i slutförvarsmiljön med höga tryck, temperaturer, joniserande strålning, omgivande material och gaser i kombination med bland annat koppar. SERO framför, med referens till andra sammanhang där koppar används som katalysator, att kopparmaterialet i kopparkapseln skulle kunna fungera som katalysator och påverka processerna kopparkorrosion i rent syrgasfritt vatten, strålnings- inducerad korrosion, spänningskorrosion och mikrobiell sulfidbildning.

SSM:s bedömning

SKB:s redovisning angående sakfrågor som rör kopparkorrosion är central i SKB:s ansökningar för att etablera ett slutförvarssystem för använt kärnbränsle. Redovisningen motsvarar i vissa avseenden den redovisning som SSM granskar inom ramen för

pågående prövning av SKB:s ansökningar och som SSM kommer att bedöma i yttranden över ansökningarna till regeringen. SSM föregriper därför inte bedömningar utifrån långsiktig säkerhet av sådana kritiska sakfrågor som hanteras i granskningen av SKB:s ansökningar utan fokuserar på att bedöma frågorna utifrån deras relevans för SKB:s föreslagna forsknings- och utvecklingsprogram inom kopparkorrosion.

SSM ser i det perspektivet positivt på att SKB fortsatt ämnar fördjupa sin forskning kring lokal korrosion i reducerande miljö, och i synnerhet studier kring förutsättningarna för uppkomst av lokal korrosion genom kartläggning av stabiliteten av den bildade passiv- filmen, då detta är ett område inom vilket den generella kunskapsnivån fortfarande är förhållandevis låg. SSM bedömer således att SKB:s planerade program inom området för sulfidkorrosion på en övergripande nivå motsvarar myndighetens förväntningar. SSM anser dock att fortsatta studier inom området även bör inbegripa beaktandet av i vilket stadium av återmättnad bufferten befinner sig.

SSM vill även understryka vikten av att beakta en samverkan av olika korrosionsprocesser i stället för att studera processerna som isolerade företeelser, något som kan leda till att betydande korrelerade effekter negligeras. SSM ser därför positivt på fortsatt kartläggning av vattenkemin som kapseln utsätts för genom initiativet vid University of Western Ontario i Kanada då dessa typer av analyser kan ses som steg i rätt riktning då korrosionsprocesser i mer realistiska fysikaliska och kemiska betingelser beaktas i högre grad. Vidare ser SSM det som positivt att SKB ämnar beakta lokal korrosion i oxiderande miljö i en probabilistisk analys.

SSM ser även positivt på att SKB satsar vidare på elektrokemisk forskning liksom fortsatta kvantkemiska studier inom området kopparkorrosion i syrgasfritt vatten. De elektrokemiska studierna där joners, såsom klorid, påverkan på korrosionsprocessen analyseras lyfter in fler variabler att betänka vilket SSM ser som positivt. De teoretiska studierna kan leda till ökad förståelse för ytreaktivitet hos kopparoxid, vilket enligt SSM:s bedömning också är en viktig fråga.

SSM anser att extrapolation av stråldoser till lägre nivåer utan grundläggande förståelse för korrosionsmekanismer medför osäkerheter och understryker vikten av vidare

Sveriges energiföreningars centralorganisation (SERO) anser att kopparkapseln utgör en

SSM:s bedömning

In document 2017:17 Granskning och utvärdering av SKB:s redovisning av Fud-program 2016 (Page 90-101)