Tesis para optar al título de Doctor en Ciencia y Tecnología de Materiales, 2018.

Directores:
Dra. Silvia Beatriz FARINA. CNEA, UNSAM, CONICET - Argentina.
Dr. Martín Alejandro RODRÍGUEZ. CNEA, UNSAM, CONICET - Argentina.

Lugar de realización: División Corrosión Básica - Departamento Corrosión - Gerencia Materiales - Centro Atómico Constituyentes - CNEA - Argentina.

Fecha Defensa: 23/02/2018.

Jurado: Dra. María José CANCIO. Tenaris Siderca - Argentina
Lic. Albero Carlos MANZINI. CNEA - Argentina.
Dra. Marcela VÁZQUEZ. INTEMA, UNMdP, CONICET - Argentina.

Este trabajo se desarrolló con el fin de determinar la viabilidad del empleo del cobre como barrera ingenieril de contenedores de residuos radioactivos de nivel alto (RRNA). El cobre presenta una excelente resistencia a la corrosión en electrolitos acuosos; en particular en medios reductores como son los que se hallan en repositorios saturados donde se planea utilizar este tipo de contenedor. Sin embargo, debido a la larga vida útil que deben tener este tipo de contenedores, se deben realizar estudios de viabilidad en condiciones más agresivas a las esperadas en el sitio de emplazamiento a fin de garantizar un buen confinamiento de los radionucleídos.

En una primera etapa se evaluó el efecto del cloruro (0,01, 0,1 y 1 mol/L), del sulfato (0,01, 0,1 y 1 mol/L) y del bicarbonato (0,001, 0,01 y 0,1 mol/L) sobre la corrosión del cobre, a 30, 60 y 90 °C, a través del trazado de curvas de polarización. En la siguiente etapa se trabajó con soluciones mezcla de las especies antes consideradas. Se utilizó un modelo full factorial para reducir todas las combinaciones posibles a 27 condiciones que fueron seleccionadas para su estudio. De esta manera se determinó la influencia de estas variables de modo individual y sinérgico sobre el potencial de corrosión, el potencial de ruptura de la pasividad y la densidad de corriente anódica. Se obtuvieron modelos para predecir estos parámetros y determinar la agresividad de las distintas soluciones.

Se estudió la existencia de corrosión bajo tensión (CBT) y corrosión en rendijas en 8 de las condiciones mezcla de la etapa previa, elegidas específicamente. Se realizaron ensayos de tracción lenta hasta la fractura a dos potenciales relevantes. En todos los casos se observaron superficies de fractura de tipo dúctil y no se detectó la presencia de fisuras asociadas al fenómeno de CBT.

Se realizaron ensayos al potencial de circuito abierto y ensayos de polarización utilizando formadores de rendija artificiales. Se observó ataque localizado de poca profundidad junto con ataque generalizado, tanto en las rendijas como fuera de ellas. No se pudo determinar un potencial de repasivación crítico, como el que presentan los metales pasivos. Esto pudo deberse a que la corrosión en rendijas ocurra por un mecanismo diferente.

Debido a que no se observaron ataques localizados profundos y no se detectó CBT, aún en condiciones de mayor agresividad a las esperadas en servicio, se concluye que el cobre es un buen candidato para ser utilizado en la fabricación del contenedor de RRNA, desde el punto de vista de los fenómenos estudiados en esta tesis.

English version:

This work is aimed at determining the viability of using copper as an engineering barrier of high level radioactive waste (HLRW) containers. Copper exhibits an excellent resistance to corrosion in aqueous electrolytes; particularly in reducing environments as those expected in the saturated repositories where it is planned to use this type of container. However, due to the long lifespan of this type of containers, feasibility studies must be carried out under more aggressive conditions than expected at the site, in order to guarantee a good confinement of the radionuclides.

On the first stage, the effect of chloride (0.01, 0.1 y 1 mol/L), sulphate (0.01, 0.1 y 1 mol/L) and bicarbonate (0.001, 0.01 y 0.1 mol/L) on copper corrosion, at 30, 60 and 90 °C, was evaluated through polarization curves. On the next stage, mixed solutions of the same species were studied. A full factorial model was used to reduce all possible combinations to 27 selected conditions. The individual and synergic effects of the variables on the corrosion potential, the passivity breakdown potential and the anodic current density, were determined. Modeling was used to predict these parameters, and to determine the aggressiveness of the different solutions.

Stress corrosion cracking (SCC) and crevice corrosion were studied in 8 of the previous mixed conditions, specifically selected. Slow strain rate tests were carried out at two relevant potentials. Fracture surfaces showed the typical characteristics of a ductile rupture and SCC cracks were not observed in any case.

Open circuit potential tests and polarization tests were performed with artificial crevice formers. Shallow localized attack was observed along with generalized attack, both in the crevices and outside of them. A critical repassivation potential, such as presented by passive metals, was not determined. This could be due to a different crevice corrosion mechanism for copper.

Due to the fact that no deep localized attacks were observed and no SCC was detected, even in harsher conditions than those expected in service, it is concluded that copper is a good candidate to be used in the manufacture of the HLRW container, from the point of view of the phenomena studied in this thesis.