4
Johannes Johansson är expert på kapselmaterial och projektledare för experimentet med miniatyrkapslar. Foto: SKB.

Klargörande resultat kring miniatyrkapslar

Experimentet MiniCan har sedan starten 2007 gett mätningar som både förbryllat experterna och bekräftat tidigare kunskap. En del oväntade mätvärden fick sin förklaring när man analyserade resultaten efter det senaste upptaget av två miniatyrkapslar.

Experimentet MiniCan installerades i Äspölaboratoriet 2007. Syftet var då att ta reda vad som händer med kapselns insats om det bildas en mikroskopisk kanal av porer i svetsfogen, så att vatten långsamt kommer in i kapseln. Fem miniatyrkapslar med defekter sattes därför ner i berget på 450 meters djup i Äspölaboratoriet. Trots att SKB nu bytt svetsmetod till friktionssvetsning som inte ger den typen av defekter, har experimentet ändå varit lärorikt. Johannes Johansson som är expert på kapselmaterial och projektledare för experimentet förklarar varför.

– Det har gett oss möjligheter att studera andra saker, exempelvis hur mikrobiologisk aktivitet och korrosion av järn och koppar påverkas av bentonitlerans täthet.

Resultat presenteras

Tre försökspaket har tagits upp, det första 2010 och de två senaste 2015. Resultaten från analyserna av de två senaste kapslarna har presenterats i två rapporter och i samband med en internationell konferens. Resultaten mellan de två försökskapslarna skiljer sig väsentligt åt, beroende på att de installerats på olika sätt. En av dem hade satts ner utan någon skyddande bentonitbuffert runt sig medan den andra var inbäddad i högkompakterad bentonit vilket mer motsvarar förhållandena i ett slutförvar för använt kärnbränsle.

– Vi kunde tydligt se skillnad i hur aktiva mikroberna varit i de två paketen. Den mikrobiella aktiviteten har varit hög vid kapseln utan bentonitbuffert vilket medfört att det järn som fanns inne i kapseln och de järnkuponger som installerats utanför kapseln utsatts för omfattande korrosion. Vid kapseln med högkompakterad lera var aktiviteten bland mikroberna tvärtom mycket låg.

Mikroberna är av det slaget som kallas sulfatreducerare, vilket betyder att de använder sig av sulfat som finns i bentonitleran och omvandlar det till sulfid. Man kan säga att de andas in sulfat och andas ut sulfid, på ungefär samma sätt som människor och djur andas in syrgas och andas ut koldioxid. Sulfid i sin tur, orsakar korrosion på järn och även på koppar, och ger därmed upphov till den viktigaste långsiktiga korrosionsprocessen i ett slutförvar för använt kärnbränsle. Mikroberna har svårare att överleva i bentonitlera med hög täthet, vilket också har visat sig i tidigare laboratorieförsök.

Mätningar förbryllar

– Elektrokemiska mätningar av till exempel korrosionshastigheter under experimentets gång har förbryllat oss en hel del. Elektroder som installerats för att mäta korrosionshastigheten hos kopparbitar i leran har gett orimligt höga värden. Men när försöket bröts var det alldeles uppenbart att mätningarna inte visat rätt och när vi i efterhand undersökt och mätt den faktiska korrosionen på dessa bitar kunde det bekräftas att de höga värdena inte stämde, säger Johannes Johansson.

Exakt varför några av mätningarna misslyckades i just detta försök kan inte experterna säkert veta men det är känt att vissa av de mätmetoder som använts kan ge missvisande värden när man har sulfidbeläggningar på elektrodytan.

– Sen är det så att mätningarna kräver tolkning för att kunna räknas om till korrosion och även i det steget ligger en del osäkerheter, säger Johannes Johansson.

Efter att miniatyrkapslarna tagits ut ur berget undersöktes de i en handskbox med syrgasfri atmosfär.

Detaljerade undersökningar av kopparytan

Ett flertal undersökningar och analyser har gjorts av experimentkapslarnas ytor, bland annat har de undersökts med svepelektronmikroskop. Som förväntat hade kopparen klarat sig mycket bra mot korrosion och kapseln med kompakterad lera runt sig hade klarat sig allra bäst.

– Korrosionen av koppar är väldigt liten. Förklaringen är att den mängd syrgas från luft som oundvikligen stängts in med kapseln vid installationen, och som dominerar korrosionen i försök på den här tidsskalan, var förhållandevis liten, säger Johannes Johansson och förklarar vidare.

– Det beror ytterst på försökets småskalighet samt att lervolymen var så liten, bara några liter. Kontinuerliga mätningar av olika elektrodpotentialer som gjorts under tiden kapslarna varit i berget visar att försökspaketet blev syrefritt på några månader och en stor del av den korrosion som kan mätas har skett under den tiden, då det fortfarande fanns syre kvar som kunde orsaka korrosion. Den efterföljande korrosionen orsakad av sulfid är även den mycket liten och av förväntad omfattning.

Gropar i ytan utreds

Noggranna analyser av kapselytan i MiniCan har också kastat nytt ljus på ett annat experiment i Äspölaboratoriet, nämligen det fullskaliga Prototypförvaret. Där såg man små mikrometerdjupa gropar i kapselytan, något som skulle kunna tolkas som att kopparen påverkats av syre och utsatts för lokala korrosionsangrepp. Vid analyserna av kapslarna i MiniCan-experimentet såg man motsvarande gropar trots att betingelserna för försöken varit så olika.

– I en slutförvarsmiljö förväntar man sig inte lokal korrosion på det sättet, det har vi omfattande laboratorieförsök som visar. Därför var det förvånande att kapselytan i MiniCan och Prototypförvaret var så lika, säger Johannes Johansson.

Den MiniCan-kapsel som omgärdats av kompakt bentonit hade korroderats till ett djup av endast några tiondels mikrometer, medan kapslarna i Prototypförvaret hade korroderats några mikrometer. Det är i sig helt rimligt, menar Johannes Johansson, då mängden bentonitlera och därmed mängden syrgas varit mycket större i Prototypförvaret. Men det var förvånande att kopparytorna i dessa försök var så lika när det gäller förekomsten av gropar, trots att de korroderat olika mycket.

Johannes Johansson och hans kollegor misstänkte därför att groparna kan ha funnits i materialet från början och kanske bildats vid tillverkning eller bearbetning, exempelvis svarvning, av kapslarna. Man lät därför undersöka ytan från kopparkapslar som tillverkats på samma sätt som kapslarna i Prototypförvaret men som aldrig exponerats för miljön i berget. Det visade sig att även på dessa kapslar förekom gropar jämförbara med de som återfanns på kapslarna i Prototypförvaret.

Försöket fortsätter

Två experimentkapslar från MiniCan-försöket finns fortfarande kvar nere i berget. Dessa kommer att tas upp om några år.

– Kapslarna som är kvar har lågkompakterad bentonit runt sig och liknar mest den kapseln som togs upp 2010. De har nu suttit i berget i över tio år och det ska bli väldigt roligt och intressant att ta upp dem, säger Johannes Johansson.

Fakta

Minicanförsöket

2007 installerades fem stycken miniatyrkapslar i Äspölaboratoriet. Kapslarna var 31 cm långa och hade en diameter på 14,5 centimeter. De installerades i nästan horisontella borrhål nere berget i Äspölaboratoriet. Kopparkvaliteten i kapslarna är densamma som hos kapslarna i det framtida Kärnbränsleförvaret.

Fyra av de fem kapslarna har monterats i paket tillsammans med bentonitlera. Hos tre av paketen har leran låg täthet medan den fjärde hade bentonit med hög täthet. Variationen i lerans förekomst och täthet ger möjligheter att studera just lerans funktion för kapseln.

Med hjälp av mätinstrument och regelbunden vattenprovtagning har en rad parametrar mätts under försökets gång, till exempel grundvattenkemi, mikrobiologi, redox-potential, pH, korrosionshastigheter och dragspänningar i kapselmaterialet.