Från mikrober till kopparkorrosion
Med metoder hämtade från mikrobiologisk forskning har Karsten Pedersen och hans kollegor på forskningsföretaget Micans tagit sig an ett för dem nytt forskningsfält – nämligen kopparkorrosion.
Karsten Pedersen är docent inom området geovetenskaplig mikrobiologi och vd för det egna företaget Micans, Microbial Analytics AB. I drygt 25 år har han forskat kring vilken betydelse mikrober har för den långsiktiga säkerheten i ett kärnbränsleförvar. Både på plats i Äspölaboratoriet och vid det egna laboratoriet i Mölnlycke, strax utanför Göteborg, har han undersökt vilka mikrober som finns i det svenska urberget och deras förutsättningar att överleva nere i en syrefri miljö i berggrunden.
När så påståenden om att koppar kan korrodera i syrgasfritt vatten dök upp för några år sedan, var steget inte långt för Karsten Pedersen och hans personal på Micans att göra sina vanliga mikrobförsök – fast med koppar i stället.
– I vårt laboratorium har vi utrustning för att både bereda proverna och analysera mycket små mängder vätgas. Så vi bytte helt enkelt ut mikroberna mot koppar för att se vad som skulle hända, säger Karsten Pedersen.
Metod i 34 steg
Principen är enkel. Provrör av glas fylls med rent syrgasfritt vatten och där i läggs kopparbitar. Provrören försluts med en gummikork. Men trots att metoden kan framstå som enkel, har den tagit flera år att utveckla.
– Vi har tagit fram en metod i 34 steg för att få tillförlitliga resultat. Det är viktigt att resultaten blir reproducerbara och kontrollerbara, och därför har vi en noggrann metod- och analysbeskrivning samt kvalitetskontroll för att vara säkra på att resultaten blir så bra som möjligt.
Förberedelserna inför experimentet görs i syrgasfri miljö. Kopparblecken slipas och tvättas i flera steg, och eventuella oxider på ytan tas bort med syra.
Förberedelserna inför varje experiment består av 34 steg där bland annat kopparproverna rengörs och alla ingående delar behandlas för att göra försöken så syrefria som möjligt. Här renar Jessica Johansson vattnet från syrgas genom att bubbla ner kvävgas.
Alla delar som ingår i experimentet, koppar, provrör och gummikorkar, behandlas på olika vis för att göra försöket så syrefritt som möjligt. Vattnet som ska användas renas och bubblas med kvävgas för att få bort löst syrgas.
Noggranna gasanalyser
Skillnaden mot de experiment med koppar i rent vatten som genomförs på till exempel Ångströmlaboratoriet vid Uppsala universitet är att Micans inte använder sig av andra metaller som exempelvis stålbehållare och palladiummembran. I stället görs analys direkt på den gasblandning som finns i provrören. En nål sticks genom gummikorken och ner i provröret. En liten mängd av gasen sugs upp och analyseras i en gaskromatograf som kan detektera ytterst låga halter av både vätgas och syrgas.
– Att få kopparytorna att bete sig likadant i upprepade försök var svårt, därför fick vi bli noggrannare i både förberedelserna och analyserna än vad vi normalt är när vi gör försök med mikrober, förklarar Karsten Pedersen.
Under 2014 har en rad olika försök genomförts med koppar av olika kvaliteter och som rengjorts på olika sätt. Resultaten var tydliga:
– När vi la elektrokemiskt rengjord Uppsalakoppar (som består av 99,9999 procent koppar) i våra provrör så visade det sig att den var helt tyst, det kom ingen vätgas alls, berättar Karsten Pedersen.
När de däremot tittade på koppar som skurits ur från SKB:s kapselkoppar (som består av 99,99 procent koppar, blandad med en liten mängd fosfor) så såg de betydande mängd vätgas. Kopparbitarna skickades då till forskarna vid Ångströmlaboratoriet i Uppsala som också arbetat med frågan om koppar korroderar i rent syrgasfritt vatten.
Med hjälp av en gaskromatograf kan gasen i provrören analyseras och Anders Blom kan då se om det utvecklats vätgas eller inte.
Där värmebehandlades kapselkopparn upp till 400 grader i vakuum. Man kunde då detektera att vätgas avgavs från kopparn. När den sedan lades i rent syrgasfritt vatten så blev resultatet ett annat – ingen vätgas utöver bakgrundsnivåerna kunde ses.
Det innebär att den vätgas som man såg under de inledande försöken i Göteborg var vätgas som fanns i kapselkopparn från början och den har alltså inget med korrosion att göra.
Ingen korrosionsprocess
Lägger man så ihop resultaten från alla försök som gjorts så kan nu forskarna konstatera att oberoende av vilken kopparkvalitet det rör sig om eller hur ytan är rengjord så bildas ingen vätgas när man lägger den i rent syrgasfritt vatten. Därmed kan SKB:s experter sluta sig till att kopparn inte heller korroderar fortgående under dessa förhållanden.