Två forskargrupper gav svar på omtvistad korrosionsfråga

En grupp forskare vid KTH har påstått att koppar korroderar betydligt mer i rent syrgasfritt vatten än vad etablerad vetenskap förutsäger. Tack vare omfattande och noggranna försök av två forskargrupper har det visat sig att dessa påståenden inte håller.

Resultaten som bland annat publicerats i den vetenskapliga tidskriften Corrosion Science, är förenliga med den etablerade vetenskapen och visar att omfattningen av korrosion i syrgasfritt vatten är helt försumbar i ett slutförvar.

Frågan om koppar skulle kunna korrodera i rent vatten utan syrgas närvarande väcktes redan på 1980-talet. Det var KTH-forskaren Gunnar Hultqvist som i sina experiment tyckte sig se vätgas när han stoppade ner kopparbitar i rent vatten. Vätgasen togs då som ett bevis för att kopparn korroderade, en slutsats som motsades av den etablerade vetenskapen. Sedan dess har flera forskare försökt upprepa Hultqvists experiment men resultaten har varit motstridiga.

Experiment i Uppsala

SKB har gjort stora insatser för att slutgiltigt bringa klarhet i frågan. Mellan 2010 och 2017 arbetade forskare vid Ångströmlaboratoriet vid Uppsala universitet med att upprepa de tidigare försöken under så rena förhållanden som möjligt. Till exempel använde man 99,9999 procent ren koppar, med en ren och slät yta som stoppades ner i en glasbägare med ultrarent vatten. De inledande försöken visade på en viss vätgasutveckling. Genom att analysera vilka kemiska föreningar som fanns på kopparytan hoppades man få en ledtråd till varifrån vätgasen kom. Trots att kopparytan anlyserades både med fotoelektronspektroskopi och Augerspektroskopi, gick det inte att visa att kopparn korroderat i någon nämnvärd mån. En av forskarna i gruppen var professor Yvonne Brandt Andersson:

– I förhållande till mängden vätgas så har vi hittat väldigt lite korrosionsprodukter, som mest motsvarande tre procent av den mängd som skulle ha bildats om vätgasen enbart kom från kopparkorrosion. Så slutsatsen är att vätgasen till största delen måste komma någon annanstans ifrån, säger hon.

Bakgrundsvärden undersöktes

En möjlig orsak till vätgasen var den så kallade bakgrunden, alltså själva experimentuppställningen och det rostfria stålet som ingick i uppställningen. De flesta delar i experimentuppställningen kunde värmebehandlas för att driva ut väte som kan finnas inuti stål men vissa delar tålde inte den höga värmen och insatser gjordes då för att minska bakgrundsvärdena på andra sätt.

Efter ytterligare experiment med olika kopparkvaliteter och olika ytbehandlingar var Uppsalaforskarna tydliga i sina slutsatser: Inget signifikant förhöjt vätgastryck ovanför bakgrundsnivån kunde konstateras. Inte heller såg de några tecken på att det hade bildats några korrosionsprodukter som innehöll koppar.
Resultaten går hand i hand med den etablerade vetenskapliga kunskapen om hur koppar beter sig under syrefria förhållanden. De stödjer därmed uppfattningen att koppar inte korroderar fortgående i rent syrgasfritt vatten.

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.

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.

Koppar studerades av mikrobiologer

Parallellt utvecklade även forskare vid det mikrobiologiska forskningsföretaget Microbial Analytics AB, Micans, i Göteborg, en alternativ metod för att studera det påstådda fenomenet med koppar i syrgasfritt vatten. Principen var enkel: Provrör av glas fylldes med rent syrgasfritt vatten och däri lades kopparbitar. Provrören förslöts med en gummikork och med en nål kunde man ta ut en liten mängd gas som sedan analyserades i en gaskromatograf.

En rad olika försök genomfördes med koppar av olika kvaliteter och som rengjorts på olika sätt. Resultaten var tydliga:

– När vi la elektrokemiskt rengjord koppar, bestående 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, vd för Microbial Analytics AB.

När de däremot tittade på koppar som skurits ut från SKB:s kapselkoppar (som består av 99,99 procent koppar, blandad med en liten mängd fosfor) såg de en betydande mängd vätgas. Kopparbitar skickades då till Uppsalaforskarna. Där värmebehandlades kapselkopparn i en temperatur upp till 400 grader i vakuum. Man kunde då detektera att vätgas avgavs från kopparn. När den sedan lades i rent syrgasfritt vatten 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.

Denna slutsats om vätets ursprung styrks även av provrörsförsök med koppar utan vatten, för även i dessa provrör kunde man uppmäta vätgas om kopparn inte värmebehandlats före försöket.

Ytterligare försök gjordes med koppar av samma kvalitet som forskare vid KTH tidigare hävdat gav vätgas under syrefria förhållanden. Men inte heller den kopparkvaliteten gav någon vätgasutveckling. Detta oavsett om kopparn ytbehandlats (slipats och tvättats), värmts upp eller inte behandlats alls före försöket.
När man la ihop resultaten från alla försök som gjorts vid Microbial Analytics AB kunde forskarna konstatera att oberoende av vilken kopparkvalitet det rörde sig om eller hur ytan var rengjord så bildades ingen vätgas när man la kopparen i rent syrgasfritt vatten.

Forskning gav klarhet

Med stöd av de båda forskargruppernas resultat har SKB därmed dragit slutsatsen att koppar inte kan korrodera fortgående under syrefria förhållanden. Mycket tunna ytskikt (enstaka atomlager) tycks kunna oxideras, men det är helt utan betydelse för slutförvaret.

SKB har presenterat resultat från de båda forskningsgruppernas arbeten i en samlad redovisning till Strålsäkerhetsmyndigheten i mars 2015, med ett tillägg 2016, samt vid huvudförhandlingen i Mark- och miljödomstolen, hösten 2017. En sammanfattning av de båda studierna och SKB:s slutsatser av dem har även publicerats i den ansedda tidskriften Corrosion Science under 2018.