Technical Report NTB 08-12

Für die Entsorgung hochaktiver Abfälle und abgebrannter Brennelemente in einem geologischen Tiefenlager im Opalinuston zieht die Nagra Kohlenstoffstahl als eine der Materialoptionen für den Endlagerbehälter in Betracht. Nach einer kurzen Periode in einer aeroben Umgebung werden die Behälter für den Grossteil ihrer Lebensdauer anaeroben Bedingungen ausgesetzt sein. Kenntnis der anaeroben Korrosionsrate ist nicht nur wichtig, um die Behälterlebensdauer abzuschätzen, sondern auch, um die Produktionsrate von Wasserstoff zu bestimmen.

Dieser Bericht enthält einen kritischen Review des anaeroben Korrosionsverhaltens von Kohlenstoffstahl unter Bedingungen, wie sie im Tiefenlager erwartet werden. Die Ziele des Berichtes sind

1. eine anaerobe Langzeit-Korrosionsrate für Kohlenstoffstahlbehälter vorzuschlagen, und
2. basierend auf einem mechanistischen Verständnis der Struktur und der Eigenschaften des Korrosionsproduktefilms die Verwendung dieser Langzeit-Korrosionsrate in Sicherheitsanalysen zu rechtfertigen.

Der Review basiert auf ausgewählten Studien aus verschiedenen nationalen Entsorgungsprogrammen, die, wo angemessen, durch Studien aus anderen Gebieten und mit Hinweisen aus archäologischen Analoga ergänzt wurden.

Die Korrosionsgeschwindigkeit von Kohlenstoffstahl nimmt aufgrund der Bildung eines schützenden Films aus Korrosionsprodukten mit der Zeit ab. Das Korrosionsverhalten ist unterschiedlich in Wasser und in wassergesättigtem kompaktiertem Bentonit. In Wasser nähert sich die Korrosionsgeschwindigkeit nach ungefähr sechs Monaten einer scheinbaren (“apparent”) stationären Langzeitrate in der Grössenordnung von 0.1 μm⋅a^-1. Der Korrosionsproduktefilm besteht aus einer Doppelstruktur mit einer äusseren Magnetitschicht und einer inneren spinellartigen Schicht. In kompaktierten Tonsystemen nimmt die Korrosionsgeschwindigkeit langsamer ab und eine stationäre Rate ist selbst nach einigen Jahren noch nicht erreicht. Eine signifikante Anzahl von qualitativ hochwertigen Experimenten weist auf eine anaerobe Korrosionsgeschwindigkeit hin in der Grössenordnung von 1 – 2 μm⋅a^-1 für Systeme in einer Umgebung in wassergesättigtem kompaktiertem Ton, und die schützenden Korrosionsproduktefilme sind tendenziell karbonathaltig anstatt magnetithaltig.

Es gibt keine Hinweise in der Literatur, dass die Verwendung einer konstanten Langzeit-Korrosionsrate in Sicherheitsanalysen nicht gerechtfertigt ist. Faktoren, die bei der Bestimmung der Struktur und Eigenschaften des Korrosionsproduktefilms wichtig sind, werden bewertet, einschliesslich der Auswirkungen des Übergangs von aeroben zu anaeroben Bedingungen auf die Zusammensetzung und Struktur des Films, das mögliche Abplatzen des schützenden Films sowie die Auswirkung der Akkumulation von Korrosionsprodukten auf die Korrosionsraten des darunterliegenden Stahls.