Formation of hard magnetite deposits in simulated pressurized water reactor steam generator environment
Peltonen, Veera (2022)
Diplomityö
Peltonen, Veera
2022
School of Energy Systems, Energiatekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2022062749590
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2022062749590
Tiivistelmä
The integrity of the steam generators has a significant impact on the safety and long-term operation of the pressurized water reactor nuclear power plants. The corrosion of secondary circuit materials subjects steam generators to various degradation phenomena and reduces plant efficiency as corrosion products may deposit on steam generator surfaces and harden. This master’s thesis focuses on studying the deposition and especially the hardening of the corrosion product, magnetite, in simulated steam generator conditions.
The deposition and hardening of magnetite were studied with two experimental setups. The in-situ laboratory system allowed real-time observation of deposit formation at atmospheric pressure and temperatures up to 100 °C. The detected processes are analyzed by electrochemical impedance spectroscopy and modelled with simple equivalent circuits. The second setup, pipe cell, enabled to perform magnetite hardening experiments in simulated steam generator conditions and estimate the deposition effects to heat transfer properties. The cell samples are examined by scanning electron microscopy and energy dispersive spectrometry to analyze microscopic properties.
When imaging the pieces from the regions of the pipe cell experiment, various surface morphologies were observed indicating different deposition behaviour of magnetite. The imaging of the filtrations cast in SEM resin was challenging due to the applied alumina and silica, but at the same time helped to highlight the small differences between the experiments. No formation of uniform deposits was achieved with the in-situ EIS laboratory equipment and only the oxide layer on the metal surface and the electrical double layer was detected in the recorded impedance spectrum. Unfortunately, this experimental setup broke down in the middle of the last experiment, but a new version is already being designed for possible further studies. Höyrystimien kunnolla on merkittävä vaikutus painevesireaktoriydinvoimalaitosten turvallisuuteen ja pitkäaikaiseen toimintaan. Sekundääripiirin materiaalien korroosio altistaa höyrystimet erilaisille vaurioitumisilmiöille ja heikentää laitoksen hyötysuhdetta, koska korroosiotuotteet voivat saostuvat höyrystimen pinnoille ja kovettua. Tässä diplomityössä keskitytään korroosiotuotteen, magnetiitin, saostumiseen ja erityisesti kovettumiseen simuloiduissa höyrystinolosuhteissa.
Magnetiitin saostumista ja kovettumista tutkittiin kahdella koelaitteistolla. Laboratoriojärjestelmä mahdollisti saostuman reaaliaikaisen havainnoinnin ilman paineessa ja jopa 100 °C:n lämpötiloissa. Havaitut prosessit analysoitiin sähkökemiallisella impedanssispektroskopialla ja mallinnettiin yksinkertaisilla ekvivalenttipiireillä. Toinen koelaitteisto, putkikenno, mahdollisti magnetiitin kovettumiskokeiden toteuttamisen simuloiduissa höyrystinolosuhteissa sekä saostuman vaikutuksen arvioinnin lämmönsiirtoon. Kennonäytteitä tutkittiin pyyhkäisyelektronimikroskoopilla ja energiadispersiivisellä spektrometrialla pienten ominaisuuksien havaitsemiseksi.
Kuvattaessa näytteitä putkikennokokeiden alueilta havaittiin erilaisia pinnan muotoja viitaten magnetiitin erilaisiin saostumiin. Valettujen suodatusten kuvantaminen oli haastavaa kokeissa käytettyjen alumiini- ja piidioksidin vuoksi, mutta samalla ne auttoivat tuomaan esiin pieniä eroja kokeiden välillä. Laboratoriolaitteistolla ei saatu muodostettua yhtenäisiä saostumia, ja impedanssispektristä havaittiin vain metallin pinnalla oleva oksidi- ja sähköinen kaksoiskerros. Valitettavasti tämä koelaitteisto hajosi kesken viimeisen kokeen, mutta uutta versiota suunnitellaan jo mahdollisia jatkotutkimuksia varten.
The deposition and hardening of magnetite were studied with two experimental setups. The in-situ laboratory system allowed real-time observation of deposit formation at atmospheric pressure and temperatures up to 100 °C. The detected processes are analyzed by electrochemical impedance spectroscopy and modelled with simple equivalent circuits. The second setup, pipe cell, enabled to perform magnetite hardening experiments in simulated steam generator conditions and estimate the deposition effects to heat transfer properties. The cell samples are examined by scanning electron microscopy and energy dispersive spectrometry to analyze microscopic properties.
When imaging the pieces from the regions of the pipe cell experiment, various surface morphologies were observed indicating different deposition behaviour of magnetite. The imaging of the filtrations cast in SEM resin was challenging due to the applied alumina and silica, but at the same time helped to highlight the small differences between the experiments. No formation of uniform deposits was achieved with the in-situ EIS laboratory equipment and only the oxide layer on the metal surface and the electrical double layer was detected in the recorded impedance spectrum. Unfortunately, this experimental setup broke down in the middle of the last experiment, but a new version is already being designed for possible further studies.
Magnetiitin saostumista ja kovettumista tutkittiin kahdella koelaitteistolla. Laboratoriojärjestelmä mahdollisti saostuman reaaliaikaisen havainnoinnin ilman paineessa ja jopa 100 °C:n lämpötiloissa. Havaitut prosessit analysoitiin sähkökemiallisella impedanssispektroskopialla ja mallinnettiin yksinkertaisilla ekvivalenttipiireillä. Toinen koelaitteisto, putkikenno, mahdollisti magnetiitin kovettumiskokeiden toteuttamisen simuloiduissa höyrystinolosuhteissa sekä saostuman vaikutuksen arvioinnin lämmönsiirtoon. Kennonäytteitä tutkittiin pyyhkäisyelektronimikroskoopilla ja energiadispersiivisellä spektrometrialla pienten ominaisuuksien havaitsemiseksi.
Kuvattaessa näytteitä putkikennokokeiden alueilta havaittiin erilaisia pinnan muotoja viitaten magnetiitin erilaisiin saostumiin. Valettujen suodatusten kuvantaminen oli haastavaa kokeissa käytettyjen alumiini- ja piidioksidin vuoksi, mutta samalla ne auttoivat tuomaan esiin pieniä eroja kokeiden välillä. Laboratoriolaitteistolla ei saatu muodostettua yhtenäisiä saostumia, ja impedanssispektristä havaittiin vain metallin pinnalla oleva oksidi- ja sähköinen kaksoiskerros. Valitettavasti tämä koelaitteisto hajosi kesken viimeisen kokeen, mutta uutta versiota suunnitellaan jo mahdollisia jatkotutkimuksia varten.