forge report, single column layout · seals, in particular gas flow along contacts; role ... mr p....

36

Upload: vuongkien

Post on 10-Apr-2018

213 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: FORGE Report, single column layout · seals, in particular gas flow along contacts; role ... Mr P. POLIVKA from NRI ... FORGE Report: D2‐3– Ver.0
Page 2: FORGE Report, single column layout · seals, in particular gas flow along contacts; role ... Mr P. POLIVKA from NRI ... FORGE Report: D2‐3– Ver.0

FORGE Report: D2‐3 – Ver.0 

Fate of repository gases (FORGE) 

The multiple barrier  concept  is  the  cornerstone of  all  proposed  schemes  for  underground disposal  of  radioactive  wastes.  The  concept invokes a series of barriers, both engineered and natural,  between  the  waste  and  the  surface. Achieving this concept is the primary objective of all disposal programmes, from site appraisal and characterisation  to  repository  design  and construction. However,  the  performance  of  the repository as a whole (waste, buffer, engineering disturbed  zone,  host  rock),  and  in  particular  its gas  transport  properties,  are  still  poorly understood.  Issues  still  to  be  adequately examined  that  relate  to  understanding  basic processes  include:  dilational  versus  visco‐capillary flow mechanisms; long‐term integrity of seals,  in particular gas  flow along  contacts;  role of  the  EDZ  as  a  conduit  for  preferential  flow; laboratory to field up‐scaling. Understanding gas generation  and  migration  is  thus  vital  in  the quantitative  assessment  of  repositories  and  is the  focus  of  the  research  in  this  integrated, multi‐disciplinary project. The FORGE project is a pan‐European project with  links  to  international radioactive  waste  management  organisations, regulators and academia, specifically designed to tackle  the  key  research  issues  associated  with the  generation  and  movement  of  repository gasses.  Of  particular  importance  are  the  long‐term  performance  of  bentonite  buffers,  plastic clays,  indurated  mudrocks  and  crystalline formations.  Further  experimental  data  are required  to  reduce  uncertainty  relating  to  the quantitative  treatment  of  gas  in  performance assessment.  FORGE  will  address  these  issues through  a  series  of  laboratory  and  field‐scale experiments,  including  the development of new methods for up‐scaling allowing the optimisation of  concepts  through  detailed  scenario  analysis. The  FORGE  partners  are  committed  to  training and  CPD  through  a  broad  portfolio  of  training opportunities  and  initiatives  which  form  a significant part of the project.  

Further  details  on  the  FORGE  project  and  its outcomes  can  be  accessed  at www.FORGEproject.org.

Contact details: 

EC FORGE Work Package 2 Leader:  

 

Dr Delphine PELLEGRINI 

Organisation: IRSN 

Tel: 33 (1) 58 35 74 53   

Fax 33 (1) 58 35 79 76 email: [email protected] 

web address:  www.irsn.fr 

Address: 31 avenue de la Division Leclerc 

92260 Fontenay aux Roses Cedex 

FRANCE 

 

 

..

 

Page 3: FORGE Report, single column layout · seals, in particular gas flow along contacts; role ... Mr P. POLIVKA from NRI ... FORGE Report: D2‐3– Ver.0

FORGE Report: D2‐3– Ver.0     

Acknowledgements 

Of  the many  individuals who have contributed  to  the project,  the authors would particularly like to thank the following: 

Mr P. POLIVKA from NRI (Czech Republic) 

Mr D. DOBREV from NRI (Czech Republic) 

Dr L. BERGER from IRSN/PSN‐RES/SCA/BIREN (France) 

Mr. M. RABOIN from IRSN/PSN‐RES/SCA/BIREN (France) 

Mr. B. MARCILLAUD from IRSN/PSN‐RES/SCA/LPMA (France) 

  ii 

Page 4: FORGE Report, single column layout · seals, in particular gas flow along contacts; role ... Mr P. POLIVKA from NRI ... FORGE Report: D2‐3– Ver.0

FORGE Report: D2‐3– Ver.0     

Contents 

 

 

Acknowledgements .............................................................................................................ii

Contents .............................................................................................................................iii

Summary ............................................................................................................................vi

1 Introduction..................................................................................................................7

2 NRI Experiments ...........................................................................................................8 2.1 Experimental ........................................................................................................... 8 2.2 Results and discussion........................................................................................... 12 2.2.1 Carbon steel........................................................................................................... 12 2.2.2 Iron powder........................................................................................................... 19 2.3 Conclusion ............................................................................................................. 22

3 IRSN Experiments........................................................................................................23 3.1 Materials and methods ......................................................................................... 23 3.2 Results and discussion........................................................................................... 25 3.2.1 Irradiation of pure water....................................................................................... 25 3.2.2 Iron corrosion without irradiation ........................................................................ 26 3.2.3 Iron corrosion under irradiation............................................................................ 28 3.3 Conclusion and further experiments..................................................................... 30

References.........................................................................................................................32

 

  iii 

Page 5: FORGE Report, single column layout · seals, in particular gas flow along contacts; role ... Mr P. POLIVKA from NRI ... FORGE Report: D2‐3– Ver.0

FORGE Report: D2‐3– Ver.0     

 

List of Figures  

Fig. 1: The device for hydrogen evolution measurements. 1 – Heater, 2 – Constant pressure chamber, 3 – Sample, 4 – Gas sampling valve, 5 – Temperature regulator, 6 – Data acquisition equipment, 7 – Volume change detector, 8 – Source of constant pressure, 9 – Temperature sensor .............................................. 10

Fig. 2: The corrosion chamber for measuring hydrogen evolution under radiation before modification. ................................................................................................... 11

Fig. 3: Hydrogen evolution rates from experiments conducted in anaerobic box .................. 13

Fig. 4: Hydrogen accumulation curves from experiments with 1 sample of carbon steel in 2 l of bentonite water in anaerobic box.................................................................. 14

Fig. 5: Hydrogen accumulation curves from experiments with 10 sample of carbon steel in 2 l of bentonite water in anaerobic box.................................................................. 14

Fig. 6: The change of Eh in corrosion of 10 samples of carbon steel in bentonite water........ 15

Fig. 7: Change of pH during corrosion of 10 samples in 2 l of bentonite water ...................... 15

Fig. 8: Change of Eh during corrosion of one sample in 2 l of bentonite water ...................... 16

Fig. 9: Change of pH during corrosion of one sample of carbon steel in 2 l of bentonite water ........................................................................................................................... 16

Fig. 10: Raman spectrum from different carbon steel plate placed at 60 °C. ......................... 17

Fig. 11: Raman spectrum from different carbon steel plate placed at 70 °C. ......................... 17

Fig. 12: Hydrogen generation rate from carbon steel cylinder with surface removed by lathe before the experiment....................................................................................... 19

Fig. 13: Hydrogen and Eh evolution with corrosion of iron powder in an anaerobic box in solution of bentonite water at 70 °C. ..................................................................... 20

Fig. 14: The change of pH of bentonite water during corrosion of iron powder at 70 °C ....... 20

Fig. 15: The hydrogen evolution rate from iron powder in solution with solid bentonite...... 21

Fig. 16: Hydrogen evolution rate from iron powder at 80 °C under laboratory conditions with bentonite bubbled with nitrogen ..................................................... 22

Fig. 17: Experimental cell in IRMA facility, before irradiation (left) and after irradiation (12 hours; dose rate = 1kGy/h) ................................................................................... 24

Fig. 18: Experimental device .................................................................................................... 24

Fig. 19: Evolution of hydrogen concentration versus time under irradiation (1 kGy/h) ......... 25

  iv 

Page 6: FORGE Report, single column layout · seals, in particular gas flow along contacts; role ... Mr P. POLIVKA from NRI ... FORGE Report: D2‐3– Ver.0

FORGE Report: D2‐3– Ver.0     

Fig. 20: Variations with time of oxygen and nitrogen concentration during an irradiation period (1 kGy/h) ........................................................................................ 26

Fig. 21: Evolution of hydrogen concentration with time (m Fe(o) = 9.226 g ; V H2O ‐ 85ml H2O) ............................................................................................................................. 26

Fig. 22: Variations of oxygen concentration with time (m Fe(o) = 9.226 g ; V H2O ‐ 85ml H2O) ............................................................................................................................. 27

Fig. 23: Variations of nitrogen concentration with time (m Fe(o) = 9.226 g ; V H2O ‐ 85ml H2O) ............................................................................................................................. 27

Fig. 24: Evolution of H2 concentration versus time (mFe(o)=10.394 g; VH2O=84.64 ml; 1kGy/h)........................................................................................................................ 28

Fig. 25: Evolution of oxygen content with time (mFe(o)=10.394 g; VH2O=84.64 ml; 1kGy/h)........................................................................................................................ 29

Fig. 26: Evolution of nitrogen content with time (mFe(o)=10.394 g; VH2O=84.64 ml; 1kGy/h)........................................................................................................................ 30

 

 

List of Tables 

 Table 1: Composition of carbon steel ........................................................................................ 8

Table 2: Compositions and chemicals for preparation of synthetic bentonite water............... 9

Table 3: Corrosion layer composition measured at different temperatures. Number 0 means a sample without a corrosion layer................................................................. 18

Table 4: Corrosion layer composition after evaporating (etching) a thin surface layer by an electron beam.  0 is a sample without a corrosion layer....................................... 18

 

 

  v 

Page 7: FORGE Report, single column layout · seals, in particular gas flow along contacts; role ... Mr P. POLIVKA from NRI ... FORGE Report: D2‐3– Ver.0

FORGE Report: D2‐3– Ver.0     

  vi 

Summary 

This  report  presents  the  experimental  progress made  after  the  first  2‐years  period  of  the European  project  FORGE  by  the  two  partners  involved  in  Work  Package  2  on  hydrogen generation from corrosion of carbon steel and iron. 

The experiments carried out by NRI consist in measuring continuously the volume of hydrogen generated  form  iron powder or carbon steel samples of various reactive surfaces  in synthetic bentonite water, within  a  closed  system  at  various  temperatures  (40  to  70°C)  and  anerobic conditons, during about 30 days. The presence of oxygen  in  low concentration  in the solution seems  to determine  the  initial  rate of hydrogen  generation  (up  to 10 mol H2.m

‐2.yr‐1  for  the investigated  conditions)  and  the  nature  of  the  corrosion  products  formed  on  the metallic surfaces.  The  stability  and  thickness of  the protective  corrosion  layers, which  strongly  slows down corrosion and consequently reduces hydrogen generation to much lower rates, appear to depend strongly on the initial conditions and on the evolution of these conditions as a result of corrosion processes. This could lead to a rise in hydrogen generation rates due to reactivation of  corrosion  processes  after  the  dissolution  of  corrosion  layers.  Besides,  differences  were observed  in  the pH evolution between  the  “iron”  and  the  “carbon  steel”  corrosion  systems, which could be explained by impurities contained in carbon steel. At last, one experiment was carried out to investigate the effect of bentonite in the solid form and showed a slight increase in  the  hydrogen  generation  rate. More  generally, NRI  investigations  show  that  carbon  steel corrosion  under  anaerobic  conditions  is  not  yet  fully  explored  and  understood.  Additional experiments are being carried out, including on longer durations.  

IRSN experimental program aims at assessing the impact of radiation on hydrogen generation. A  specific  set  up  have  had  to  be  developed  in  order  to match with  the  objective  of  online hydrogen measurements under  irradiation conditions,  in an “open” (flushed) system with  low hydrogen levels. Preliminary tests carried out with the corrosion chamber developed by NRI for measurements under irradiation highlighted the need for modifications of the chamber design so as to be operational  for  IRSN set up and  investigation plans. A glass vessel was temporary used  to  carry  on  the  validation  of  the  set  up  and  to  identify  lines  for  optimisation  of  the experiment  specifications, while a new  cell was manufactured. Results  in  terms of hydrogen concentrations generated under irradiation of pure water, by corrosion of iron powder and by corrosion  under  irradiation  (1Gy/h)  are  presented  together  with  orientations  for  revised specifications of future experiments (flushing gas flow rate, solid mass/ solution volume, dose rate, iron sample post‐mortem analysis…). 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 8: FORGE Report, single column layout · seals, in particular gas flow along contacts; role ... Mr P. POLIVKA from NRI ... FORGE Report: D2‐3– Ver.0

FORGE Report: D2‐3– Ver.0     

 

 

1 Introduction It  is well known  that gases generated  in radioactive waste repositories could affect adversely the  functional  properties  of  engineered  or  natural  barriers  if  the  pressure  was  allowed  to increase beoynd some limits. The problem can be solved either by preventing fast generation of gases  in a repository or by using barriers permeable enough not to allow accumulation of gas leading to the  increase of pressure above some barriers strength  limits. The  largest source of gas in repositories comes primarily from the corrosion of carbon steel based canisters. Despite a  huge  number  of  publications  devoted  to  the  study  of  carbon  steel  or  iron  corrosion with hydrogen generation (Jelinek, Neufeld, 1982, Simpson, 1984, Simpson et al., 1985, Anantamula et al. 1987, Marsh, Taylor, 1988, Schenk, 1988, Grauer et al., 1991, Hara et al., 1992, Honda et al., 1991, Kozaki et al., 1994, Fujisawa et al.1997, Fujiwara et al. 2000, Xia et al., 2005, Smart et al., 2001, 2008),  there  is  still a  lot of uncertainties concerning hydrogen generation  rate  in a repository conditions. The problem is that hydrogen evolution rate is affected by a large variety of  factors  such  as,  pH,  temperature,  and  composition  of water,  radiation  or  the  amount  of oxygen  in water. Reported values of hydrogen evolution  rate  therefore  range  from  less  than one  tenth of moles per  square meter and year  to values exceeding  several  tens of moles of generated hydrogen per square meter and year.  

Hydrogen  generation  rate  from  iron  or  carbon  steel  corrosion  strongly  decreases  with  pH (Schenk,  1988,  Simpson,  1984,  Simpson  et  al.,  1985, Grauer,  1991, Matsuda  1995,  Fujiwara, 2001) from values of ten of moles of hydrogen per year at low values of pH until tenth of moles per year at high pH. This is related to much easier formation of passive layers on iron or carbon steel under alkaline conditions.  

Much more complicated seems  to be  the effect of oxygen on hydrogen generation  rate.  It  is well known that hydrogen is not practically formed under fully aerobic conditions under which the  iron  reacts  with  oxygen  and  water  using  the  following  reaction  without  hydrogen generation: 

 

4 Fe + 2 H2O + 3 O2 → 4 FeO(OH)  → 2Fe2O3 + 2H2O                               (1) 

 

But  both  Hara  et  al.,  1992  and  later  Fujiwara  et  al,  2001  found  that  hydrogen  generation increases  significantly with  the  amount  of  oxygen  in water. Hara  et  al,  1992  conducted  the experiments in synthetic sea‐water and Fujiwara et al., 2001 at cement equilibrium water. Hara et al., 1992 have found that in the case of high amount of oxygen (1, 3 or 10 ppm) dissolved in water, the hydrogen evolution rate is ranging between 20 to 30 mol H2 m

‐2 yr‐1, but low values (0.5 mol H2 m

‐2 yr‐1) were reported for very low amount of dissolved oxygen (0.01 ppm). No pH values were reported  in their report. A systematic study of the effect of pH of the range from 11.5 to 14 and the amount of oxygen was conducted  in the work of Fujiwara et al., 2001. The amount of oxygen (1 x 10‐3 to 1 x 105 ppm) in solution was controlled by the amount of oxygen in nitrogen gas  flowing through solution. They also  found that hydrogen generation  increases with  the  content of oxygen  in water. Experiments were however  conducted at very high pH values,  so  that passivating  iron oxide  layers were  formed on  the  surface of carbon  steel and consequently hydrogen generation rates were order of magnitude lower than values measured 

  7 

Page 9: FORGE Report, single column layout · seals, in particular gas flow along contacts; role ... Mr P. POLIVKA from NRI ... FORGE Report: D2‐3– Ver.0

FORGE Report: D2‐3– Ver.0     

by Hara et al, 1992. They found that at very low values of oxygen, generation of hydrogen tends to be higher  than  at medium  concentrations of oxygen.  This was explained by  the  fact  that under very low concentration of oxygen passive films on the surface of carbon steels cannot be reproduced  sufficiently  and  therefore  the  corrosion  rate  becomes  higher,  but  this  does  not explain, why the hydrogen evolution rate is greater at greater content of oxygen in water if it is supposed that under the presence of oxygen in water, corrosion follows equation (1).  

It  seems  that no  systematic  study of  the effect of  temperature on hydrogen generation  rate from iron metal was conducted. Only some indications were observed that the maximal values of  hydrogen  generation  rates  are  at  temperatures  between  50  and  80  °C  (Schenk,1988, Simpson, 1984, Simpson et al., 1985). 

Several studies have been devoted to the effect of radiation on carbon steel corrosion (Daub et al, 2010, Marsh and Taylor…). Many of these studies, however, were devoted to the conditions to  which  are  exposed  materials  in  nuclear  reactors.  For  example  systematic  experiments conducted by Daub et al, 2010 were carried out at pH 10.6 and  in borate buffer. Marsh and Taylor,  1988  in  granitic  water,  found  that  corrosion  rate  of  carbon  steel  increases  in  the presence of radiation. Smart et al, 2008 conducted experiments  in bentonite or granitic water and  found  a  slight  increase  of  hydrogen  evolution  in  the  presence  of  radiation  also,  but  he found that  it depends on dose rate and on the time of  irradiation. They  found that hydrogen generation rate strongly decreases over time. In these papers no systematic effort was devoted to determination of the change of redox potential during experiments.  

A number of literature reviews was also compiled on this issue (Wiborgh et al, 1986, Platts et al, 1994, Johnson and Smith, 2000, King, 2007), but no clear conclusions were derived concerning the values of hydrogen generation rates in a repository. 

The main  aim  of  this  work  conducted  in  the  framework  of  7th  FM  EC  project  FORGE  was primarily to decrease the uncertainties concerning the possible values of hydrogen generated from corrosion of carbon steel and iron under repository conditions. A first part carried in NRI was devoted to conducting experiments under strictly anaerobic conditions in an anaerobic box with simultaneous measuring of Eh and pH (chapter 2). The second part carried out by IRSN was devoted to the investigation of radiation on hydrogen generation from carbon steel (chapter 2).  

 

2 NRI Experiments  

2.1 EXPERIMENTAL  

The  corrosion  system  consisted  of  1  or  10  carbon  steel  plates  in  2  L  of  synthetic  bentonite water or 30 g of the iron powder in the same amount of water or carbon steel cylinder in 0.3 L of  synthetic  bentonite water.  The  carbon  steel  correspond  to  the  Czech  standard  ČSN  ISO 11321 (Table 1) (dimension of the plate is 70x70x1 mm with circle cut out in center of diameter 8 mm). The  surface of  carbon  steel plates was 99.7  cm2/plate and  the  carbon  steel  cylinder  141 cm2. 

 

Table 1: Composition of carbon steel 

Element  C  P  Mn  S 

%  0.1  0.035  0.45  0.035 

  8 

Page 10: FORGE Report, single column layout · seals, in particular gas flow along contacts; role ... Mr P. POLIVKA from NRI ... FORGE Report: D2‐3– Ver.0

FORGE Report: D2‐3– Ver.0     

 

The  iron  powder was Alfa Aesar A  Johnson Matthey Company  (<  10 micron,  99.9+%  (metal basis),  surface  0.205  m2/g).  Before  the  experiment  carbon  steel  plates  were  polished  by sandpaper of grid 600 and washed by ethanol and carbon steel cylinder using a lathe to remove surface oxidized layers.  

The composition of synthetic bentonite water and quantity of chemicals used for  it  is given  in the Table 2. The pH of this water was 7.5, approximately, conductivity 2100 mS.m−1, and ionic strength 0.29 mol.l−1. 

 

Table 2: Compositions and chemicals for preparation of synthetic bentonite water 

Salt  m [g.l–1]  ion  m [mol.l−1] 

NaCl  0  Na+  0.2 

KCl  0.2013  K+  0.0036 

MgCl2.6H2O  1.5491  Mg2+  0.0190 

MgSO4.2H2O  0.5438  Ca2+  0.0087 

CaCl2.2H2O  0  Cl−  0.065 

CaSO4.2H2O  1.5842  SO42−  0.1 

SrCl2.6H2O  0.0216  F−  0.0003 

Na2SO4  12.843  HCO3−  0.0008 

NaHCO3  0.0748     

NaF  0.0092     

 

The bentonite water should correspond to the composition of sodium bentonite Volclay KWK 20‐80 of a density of 1600 kg.m‐3. 

The hydrogen generation rate was determined by measuring hydrogen evolved from corroding iron or carbon steel using equipment developed in NRI (Fig. 1). 

  9 

Page 11: FORGE Report, single column layout · seals, in particular gas flow along contacts; role ... Mr P. POLIVKA from NRI ... FORGE Report: D2‐3– Ver.0

FORGE Report: D2‐3– Ver.0     

 

Fig. 1: The device for hydrogen evolution measurements. 1 – Heater, 2 – Constant pressure chamber, 3 – Sample, 4 – Gas sampling valve, 5 – Temperature regulator, 6 – Data acquisition equipment, 7 – Volume change detector, 8 – Source of constant pressure, 9 – Temperature sensor 

 

This device enables to measure hydrogen evolution continuously at different temperatures and at a  constant pressure  in water. The  source of pressure  is heavy piston, moving  in mutually interconnected  pressurized  cylindrical  vessels  with  a  rolling membrane  (Brůha  and  Pelech, 1989).  The measurement of  volume  is based on  the detection of  the piston position, which depends on the medium volume. 

Most of the experiments were conducted in anaerobic box filled with argon with concentration of oxygen below 0.1 ppm. For comparison sake some of the experiments were carried out  in closed vessels under normal laboratory conditions.  

In the framework of this project the device, which scheme is shown in Fig. 2 was developed in NRI to enable to conduct experiments under irradiation. It uses the same principle of measuring hydrogen  generation  rate  from  the  volume  change  with  LVDT  Displacement  Tranducer  as described above. However, difficulties were encountered by  IRSN to operate this set up  in  its laboratory conditions (see below in chapter 3), which led to the development of a new device. 

 

 

  10 

Page 12: FORGE Report, single column layout · seals, in particular gas flow along contacts; role ... Mr P. POLIVKA from NRI ... FORGE Report: D2‐3– Ver.0

FORGE Report: D2‐3– Ver.0     

 

Fig. 2: The corrosion chamber for measuring hydrogen evolution under radiation before modification. 

1. Chamber case 2. Chamber body 3. Nuts 4. Cover 5. Sample in the form of a tube 6. Filtration textile 7. Watering tube 8. Temperature sensor  9. Heater 10. Sealing O circles 11. Solution, bentonite or other materiál 

 

Two  independent  electrodes,  platinum wire  electrode  of  diameter  1 mm,  length  of  20 mm (Beckman Instruments, USA) and gold wire electrode of diameter 1 mm, length 50 mm (Safina, Czech Republic), were used  to measure  redox potential continuously  in  the corrosion  system with  carbon  steel  and  bentonite  water.  The  redox  potential  was measured  between  work electrode (platinum, gold) and reference Ag/AgCl electrodes. These reference electrodes were prepared  by  coating  Ag  wire  by  silver  chloride  in  our  laboratory.  During  the  experiments working  and  reference  electrodes  were  cleaned  from  precipitated  corrosion  products  by hydrochloric  acid.  Combined  platinum  electrode  ORC  103–BAZ  (Theta  ‘90,  Czech  Republic, platinum  disc  of  diameter  4 mm) was  also  used  to measure  Eh  in  system with  steel  plates (measuring period 1 day). The same platinum electrode and additional XCL 101 XB2 platinum electrode (Gryf HB, Czech Republic, platinum disc of diameter 2 mm) were used for measuring the  redox  potential  in  the  corrosion  system  with  iron  powder.  For measuring  pH  HC  113 electrode (Theta ‘90, Czech Republic) was used and in the system with the iron powder also pH PCL 321 XB2 electrode (Gryf HB, Czech Republic). The electrodes from Gryf HB company were used also for measuring in system with carbon steel wire. 

The experiments were carried out at various temperatures controlled by a TDC 2 Temperature Controller  (Gamry  Instruments  Inc, USA) with a Series 988 PID control unit  (Watlow Controls, USA). The concentration of Fe3+ and S2‐ ions in the solution after experiments was measured at UV/Vis  spectrometer Specord 205 – 222A358  (Analytic  Jena Co., Germany), Fe3+ by modified 

  11 

Page 13: FORGE Report, single column layout · seals, in particular gas flow along contacts; role ... Mr P. POLIVKA from NRI ... FORGE Report: D2‐3– Ver.0

FORGE Report: D2‐3– Ver.0     

ferozzine method  (Viollier et al., 2000) and  for  sulphide detection Spectroquant  test kit  (No. 167, Merck) was used. Total iron concentration in solution was measured at atomic absorption spectroscope Varian SpectrAA 200 (Varian, U.S.A). 

Corrosion products on the carbon steel plates after the experiments were measured by Raman spectrometer LabRam  (Horiba  ‐ Jobin Yvon, France) with two  lasers (He – Ne and Ar), by X‐ray diffraction  Philips‐Xpert  PRO  (PANalytical,  Netherlands)  and  by  ESCA  Probe  P  (Omikron Nanotechnology, Germany) in CAE mode (Constant Analyser Energy). 

 

2.2 RESULTS AND DISCUSSION 

2.2.1 Carbon steel The results of hydrogen generation rates form the experiments conducted in an anaerobic box with 10 or 1 carbon steel samples in 2 L of bentonite water are shown in Fig. 3. The curves were obtained by derivation of hydrogen accumulation curves shown  in Figs 4 and 5. The pictures show a considerable dispersion of values measured at 10‐minute intervals, so the results of the hydrogen release rate values obtained by derivation of these curves can not be overestimated. It can be seen, however, that in the case of the experiments with 10 samples of carbon steel in 2 L of solution the corrosion rates decrease and in longer times approach 2 µm/yr, but in some of  the  experiments  some  indication  of  growth  can  be  seen  in  the  end  of  experiments.  The indication of growths after decrease in the beginning of corrosion is clearly visible in the system with one sample in 2 L of solution.  

These results can be explained by the formation and dissolution of protective corrosion product layers on the surface of carbon steel samples. The stability of corrosion layers depends on the evolution of the conditions as a result of corrosion. Both pH and Eh are affected by corrosion process itself (Figs. 7 ‐ 10). Eh very quickly decreases to low values immediately after immersion of samples in the solution in the system with 10 samples (Fig. 6). The initial Eh of the solution in the  anaerobic box  after 14 day equilibration was  slightly  above  zero mV.  This  indicates  that remained oxygen quickly  reacted with carbon  steel  surface under  the  formation of corrosion products, such as ferrous hydroxide or magnetite. Then Eh  increases due to oxidation and the formation of corrosion products with ferric ions, such as maghemite or hematite. pH decreases for all the time of corrosion (Fig. 7). This might be due to impurities contained in carbon steel. The Eh of the corrosion system with 1 carbon steel sample in 2 l of solution also decreases for all the time of experiments, but a fall of Eh in the beginning is much smaller (Fig. 9).  The least stable corrosion product layers were formed under corrosion at 40 °C and 50 °C as will be seen later, at which Eh decreased at  least. This suggests that the reaction of  iron with oxygen was not sufficient to form a stable protective corrosion product layer.  

 

  12 

Page 14: FORGE Report, single column layout · seals, in particular gas flow along contacts; role ... Mr P. POLIVKA from NRI ... FORGE Report: D2‐3– Ver.0

FORGE Report: D2‐3– Ver.0     

 

Fig. 3: Hydrogen evolution rates from experiments conducted in anaerobic box 

 

 

  13 

Page 15: FORGE Report, single column layout · seals, in particular gas flow along contacts; role ... Mr P. POLIVKA from NRI ... FORGE Report: D2‐3– Ver.0

FORGE Report: D2‐3– Ver.0     

 

Fig. 4: Hydrogen accumulation curves from experiments with 1 sample of carbon steel in 2 l of bentonite water in anaerobic box. 

 

 

 

 

Fig. 5: Hydrogen accumulation curves from experiments with 10 sample of carbon steel in 2 l of bentonite water in anaerobic box. 

 

  14 

Page 16: FORGE Report, single column layout · seals, in particular gas flow along contacts; role ... Mr P. POLIVKA from NRI ... FORGE Report: D2‐3– Ver.0

FORGE Report: D2‐3– Ver.0     

 

Fig. 6: The change of Eh in corrosion of 10 samples of carbon steel in bentonite water 

 

 

Fig. 7: Change of pH during corrosion of 10 samples in 2 l of bentonite water 

 

 

  15 

Page 17: FORGE Report, single column layout · seals, in particular gas flow along contacts; role ... Mr P. POLIVKA from NRI ... FORGE Report: D2‐3– Ver.0

FORGE Report: D2‐3– Ver.0     

 

Fig. 8: Change of Eh during corrosion of one sample in 2 l of bentonite water 

 

Fig. 9: Change of pH during corrosion of one sample of carbon steel in 2 l of bentonite water 

 

The  nature  of  corrosion  products  layers  was  analysed  using  X‐ray  diffraction  and  Raman spectroscopy.  Corrosion  product  layers  formed  on  the  surfaces  of  the  samples  from experiments  with  one  carbon  steel  plate  conducted  at  40  °C  and  50  °C  were  under  the detection limit of Raman spectroscopy and X‐ray diffraction. This confirms that the thickness of these layers was very thin and can explain why the hydrogen evolution rates of some samples started to increase after some time (Fig. 2).  

  16 

Page 18: FORGE Report, single column layout · seals, in particular gas flow along contacts; role ... Mr P. POLIVKA from NRI ... FORGE Report: D2‐3– Ver.0

FORGE Report: D2‐3– Ver.0     

The corrosion product layer of the sample from the experiment carried out at 60 °C and 70 °C was  also  under  the  detection  limit  of  X‐ray  diffraction  but  by  Raman  spectroscopy magnetite/maghemite (band 676 cm–1), maghemite (1430 cm–1) and hematite (band 220 cm–1) were detected (Fig. 10 and Fig. 11).  

 

Fig. 10: Raman spectrum from different carbon steel plate placed at 60 °C. 

 

Fig. 11: Raman spectrum from different carbon steel plate placed at 70 °C. 

 

Interesting  results  that  emerged  from  our  experiments  were  achieved  by  analyzing  the elementary composition of the corrosion layers by ESCA. A relatively large number of elements 

  17 

Page 19: FORGE Report, single column layout · seals, in particular gas flow along contacts; role ... Mr P. POLIVKA from NRI ... FORGE Report: D2‐3– Ver.0

FORGE Report: D2‐3– Ver.0     

were detected, but with very low percentages, so that only the 3 most important elements: C, O, and Fe are shown in Tables 2 and 3. Table 3 shows the results after etching (evaporation) a very thin surface layer (thickness nm) by an electron beam. It can be seen that after removing the  first  layer affected by atmospheric  corrosion,  the percentage of  iron on  the  surface of a non‐corroded  sample  is much higher  than on  the  surfaces of  corroded  samples. The oxygen content in surface layers increases with the corrosion temperature. Therefore we can say that this method provided evidence that an adhering corrosion layer of non‐negligible thickness was formed on the surface of carbon steel during anaerobic corrosion at 60 and 70 °C, protecting carbon steel against further fast corrosion. The oxygen content in the surface layers of samples corroded  at  60  °C  and  70  °C,  is,  however,  higher  than  the  stoichimetric  ratio  of  Fe/O  in magnetite or maghemite so that the results suggest that the composition of passive corrosion products layers is not only formed by an inner layer of magnetite and outer layer of maghemite as proposed in previous papers (Kruger, 1989, Lu and Macdonald, 2008).  

Table 3: Corrosion layer composition measured at different temperatures. Number 0 means a sample without a corrosion layer 

0m  sample/temperature, °C 

At%  0  40  50  60  70 

C 1s  49.37  64.33  37.4  29.2  50.27 

O 1s  34.72  23.07  44.77  47.7  35.92 

Fe 2p  9.89  1.47  4.21  5.33  2.75 

 

Table 4: Corrosion layer composition after evaporating (etching) a thin surface layer by an electron beam.  0 is a sample without a corrosion layer. 

etching  sample/temperature, °C 

At%  0  40  50  60  70 

C 1s  7.44  53.2  19.74  4.89  12.95 

O 1s  6.41  19.47  33.56  52.67  50.10 

Fe 2p  86.15  9.77  26.04  21.14  14.57 

 

The  results  confirm  that  protective  corrosion  product  layers  are  formed  in  bentonite  pore water solutions on the surface of carbon steel samples, but their stability depends strongly on the conditions of corrosion, primarily temperature, Eh and presumably pH. It also explains the wide range of corrosion and hydrogen generation rates mentioned above.  

 

A number of experiments under various conditions have been carried out using device shown in Fig.  2.  Very  low  values  of  hydrogen  generation  rates were  obtained  if  the  temperature  of corrosion was below 50 °C (Fig. 12). 

 

  18 

Page 20: FORGE Report, single column layout · seals, in particular gas flow along contacts; role ... Mr P. POLIVKA from NRI ... FORGE Report: D2‐3– Ver.0

FORGE Report: D2‐3– Ver.0     

0

5

10

15

20

25

0 5 10 15 20 25 30 35

Time (days)

V (m

l)

50 °C60 °C70 °C80 °C

 

Fig. 12: Hydrogen generation rate from carbon steel cylinder with surface removed by lathe before the experiment  

 

A  long‐term  experiment  conducted  at  80  °C  in  an  anaerobic  box  is  now  under  way.  The preliminary results suggest that hydrogen generation rate is by order of magnitude higher than in previous experiments shown in Fig.13. This surprising result cannot be completely explained now, but suggests  that  the carbon steel corrosion under anaerobic conditions  is not yet  fully explored and understood.  

 

2.2.2 Iron powder In  many  research  works  focusing  mainly  on  modelling  of  the  effect  of  canister  material corrosion on  the evolution of  the  conditions  in  a  repository,  iron powder  is used  instead of carbon steel ((Lantenois, et al., 2005, Perronet et al., 2007, de Combarieu et al., 2007, Osacky et al., 2010). For comparison  sake and also  to accelerate corrosion  reactions, particularly under low temperatures, iron powder with large surface was used in some of the experiments instead of carbon steel samples. 

The  experiment  with  iron  powder  was  also  conducted  in  the  anaerobic  box.  Hydrogen accumulation  curve  for  iron  powder  corroded  at  70  °C  in  synthetic  bentonite  pore water  is shown in Fig. 14. It can be seen that contrary to the results with carbon steel samples hydrogen accumulation curve started to increase only after several days and the rate of this increase was linear  and  corresponded  to  the  corrosion  rate  of  0.8 molH2 m‐2  yr‐1  (corrosion  rate  of  4.3 µm.yr‐1). It could suggest that an initial protective iron oxide layer was dissolved during the first 10  days  under  these  conditions  and  only  after  this  time  active  corrosion  of  iron  started  or corrosion  took place  in  the presence of oxygen without hydrogen evolution according  to  the equation (1). 

 

 

  19 

Page 21: FORGE Report, single column layout · seals, in particular gas flow along contacts; role ... Mr P. POLIVKA from NRI ... FORGE Report: D2‐3– Ver.0

FORGE Report: D2‐3– Ver.0     

 

Fig. 13: Hydrogen and Eh evolution with corrosion of iron powder in an anaerobic box in solution of bentonite water at 70 °C.  

 

In this experiment, very low values of Eh (Fig 13) were achieved rather quickly after beginning of the corrosion process. The pH in 30 days of the experiment contrary to carbon steel samples did not change (Fig. 14).  

 

 

Fig. 14: The change of pH of bentonite water during corrosion of iron powder at 70 °C 

 

 

  20 

Page 22: FORGE Report, single column layout · seals, in particular gas flow along contacts; role ... Mr P. POLIVKA from NRI ... FORGE Report: D2‐3– Ver.0

FORGE Report: D2‐3– Ver.0     

To  determine  the  effect  of  bentonite  in  the  solid  form  on  the  rate  of  corrosion,  the  same experiment was  repeated with only one exception  that a solid bentonite  in a permeable bag was  added  to  the  solution.  It  can  be  seen  (Fig.  15)  that  the  character  of  the  hydrogen accumulation curve is practically the same as in previous one. The rate of hydrogen evolution is little higher (1.2 to 0.8 molm‐2yr‐1), but it is difficult to conclude on the basis of this comparison that the presence of solid bentonite will accelerate hydrogen generation rate. 

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

0 5 10 15 20 25 30 35t [den]

V [m

l]

-700

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

Eh [m

V]

objem H2 Redox externi Pt elektroda Theta Redox externi Grif

 

Fig. 15: The hydrogen evolution rate from iron powder in solution with solid bentonite. 

 

Some  of  our  experiments with  iron  powder were  conducted  also  under  normal  laboratory conditions without anaerobic box in solution, which was bubbled for 20 minutes with nitrogen. The  results  of  hydrogen  generation  are  shown  in  Fig.  16.  High  hydrogen  generation  rates, approaching 10 mol H2/m2 yr, were observed at the beginning of corrosion, but after a rather short time the hydrogen generation rates decrease to  low values well below 1 mol H2/m2 yr. Similar results were obtained under these conditions also with carbon steel samples (Fig. 3) and also  in a number of experiments carried out  in other  laboratories (e.g. Smart et al.2001). The explanation  is usually  seen  in  the  formation of protective  iron oxide  layers on  the  surface of iron  but  this  can  explain  a  decrease  of  hydrogen  evolution  rates,  but  not  a  high  hydrogen generation rates in the beginning of corrosion. It seems that other plausible explanation can be seen  in effect of oxygen on the  formation of hydrogen. Commonly reported reactions of  iron with water such as: 

 

Fe + 2H2O → Fe(OH)2 + H2                    (3) 

 

3Fe(OH)2 ↔Fe3O4 + 4H2 + 2H2O            (4) 

 

under the formation of hydrogen are probably to much simplified and may not reflect the real mechanism of hydrogen  generation.  This  also  strongly  suggests  that  estimation of  corrosion 

  21 

Page 23: FORGE Report, single column layout · seals, in particular gas flow along contacts; role ... Mr P. POLIVKA from NRI ... FORGE Report: D2‐3– Ver.0

FORGE Report: D2‐3– Ver.0     

rate  of  carbon  steel  under  not  fully  specified  anaerobic  conditions  from  the  hydrogen generation rate can be wrong.  

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0 1 2 3 4 5 6 7 8t [days]

H2

gene

ratio

n [m

olm

2yr-

1]

 

Fig. 16: Hydrogen evolution rate from iron powder at 80 °C under laboratory conditions with bentonite bubbled with nitrogen 

 

2.3 CONCLUSION 

Experimental  investigation  of  hydrogen  generation  conducted  in  this  work  suggests  that hydrogen generation rates cannot be predicted with any certainty if exact corrosion conditions are  not  known.  It  seems  that  the  content  of  oxygen  of  the  solution  determines  the  rate  of hydrogen  generation, particularly  in  the beginning of  corrosion,  and  the nature of  corrosion products  formed on  the  surface of  carbon  steel or  iron.  It was  clearly  shown  that hydrogen generation rate in the presence of oxygen can reach values approaching 10 mol H2 m

‐2 yr‐1, but it always lead to quick depletion of oxygen from the solution and the formation of more or less stable  corrosion  product  layers,  which  strongly  slows  down  corrosion  and  consequently hydrogen  generation  rates  to much  lower. Our  findings  support  the  results  of Honda  et  al., 1991 and Fujiwara et al., 2001 suggesting that the presence of oxygen accelerates the hydrogen generation  rates. On  the other hand  it was  shown  that  the presence of oxygen  leads  to  the formation of protective corrosion layers, which stability and thickness depends strongly on the conditions of corrosion (notably T, Eh and presumably pH). This could also mean that hydrogen generation rate could be increased after dissolution of protecting corrosion layers.  

It was observed that the behaviour of  iron and carbon steel under anaerobic conditions  is not the same. A decrease of pH was observed only in the experiments with carbon steel contrary to iron powder. This could be caused by the effect of impurities contained in carbon steel.  

 

The problem of the investigation described in this work is that only short‐term, usually 30‐day experiments were conducted. The results suggest that carbon steel corrosion under anaerobic conditions is not yet fully explored and understood.  

  22 

Page 24: FORGE Report, single column layout · seals, in particular gas flow along contacts; role ... Mr P. POLIVKA from NRI ... FORGE Report: D2‐3– Ver.0

FORGE Report: D2‐3– Ver.0     

For deeper understanding a  larger set of samples should be tested  in  long‐term experiments, exceeding usual time of common projects.  

 

3 IRSN Experiments  

This first 2‐years period of the project was devoted to the definition of the experimental setup accounting  for  strong  constraints,  which  are  irradiation  condition  and  hydrogen  online measurement  at  low  levels,  as  well  as  to  first  tests  aiming  at  identifying  the  optimized conditions  to  acquire  representative  results.  Thus,  the  following presents  a  summary of  this specification work together with first results obtained related to corrosion under irradiation.  

3.1 MATERIALS AND METHODS  

The  objective  of WP2  experiments  being  to  assess  the  possible  influence  of  irradiation  on hydrogen production by corrosion,  it was proposed  that  the  two partners of  the project  (NRI and IRSN) use the same device and the same conditions (solution composition, carbon steel). so that a  comparison of hydrogen produced by corrosion alone and under  irradiation would be facilitated. However, preliminary experiments conducted with NRI device (see Fig 2  in chapter 2.1) were unsuccessful because:  

• in spite of rings, gas and solutions leakages were observed, 

• corrosion of stainless steel (massive piece) is too low to be easily detected,  

• presence of organic rings which would be damaged under irradiation, 

• uneasy manipulation of the cell (2 persons are necessary). 

Therefore, a new device was defined and manufactured. Because of  the delay  to obtain  the new cell, first tests were conducted with glass vessels (Fig. 17). 

Irradiation  experiments  were  performed  in  IRMA  (IRradiation  MAtériaux)  facility  which  is devoted to the study of the interactions radiation‐matter and more specifically to the behavior of materials  and devices under γ  radiation. Because of  its  large  volume  (24 m3),  this  facility allows a wide range of measures considering different geometries.  

Four cylindrical sealed sources  (60Co) with different activities are available  for  irradiation  (see Deliverable D2.1). Their diameters are 10 mm and their lengths vary between 229 and 452 mm. The  dose  rate  available  is  comprised  between  5  μGy/h  and  15  kGy/h.  For  the  first  set  of experiments presented in this report, a single cylindrical source was used and was disposed in front of the cell at a distance of 15 cm. In these conditions the dose rate was 103 Gy/h.  

A  first  set of  tests has allowed defining  the experimental  setup  (Fig. 18). The  cell alone was introduced in IRMA irradiator and submitted to irradiation. An inert gas (helium) is introduced at the bottom of the cell in order to degas the solution (limit oxygen content in solution) and to carry out hydrogen at a constant gas flow rate at the exit of the cell. The gas mixture (O2, H2, N2 in helium) was regularly (10 min) sampled (1 ml) and analyzed by Gas Chromatography (Varian GC 450) equipped with a pulsed discharge helium ionization detector (PDHID).  

A mass close  to 10 g of  iron powder  (d<10µm) provided by alpha Caesar  is added  to a given volume (~100 ml) of water (Milli‐Q quality). The degassing of the solution is ensured by Helium 4.5 at a constant flowrate (approximatively 5ml/min). The gas content (O2 and N2) decrease was 

  23 

Page 25: FORGE Report, single column layout · seals, in particular gas flow along contacts; role ... Mr P. POLIVKA from NRI ... FORGE Report: D2‐3– Ver.0

FORGE Report: D2‐3– Ver.0     

followed by Gas Chromatography (GC). Gas chromatography was not yet calibrated; therefore the amounts of gas are expressed in arbitrary units.  

Temperature  is also monitored both  in IRMA (“Temperature IRMA”) close to the vessel and  in the  laboratory  (“Temperature  hall”)  close  to  gas  chromatography  (GC).  At  the  end  of  the experiment, pH, redox potential and conductivity of the solution were measured.  

 

 

Fig. 17: Experimental cell in IRMA facility, before irradiation (left) and after irradiation (12 hours; dose rate = 1kGy/h)  

 

 

Gas chromatography (GC)

Fig. 18: Experimental device 

 

solution degassing

Helium 4.5

Control of gas flow rate

He 6.0

Mixture of O2/H2 for GC standardization

10 m

He 6.0

6 Bars

Carrier gas

Sampling loop (1 ml)

Pressure measurement

outlet

Pneumatic valve monitoring

PC

Synthetic air

IRRADIATION

Iron powder

Solution

  24 

Page 26: FORGE Report, single column layout · seals, in particular gas flow along contacts; role ... Mr P. POLIVKA from NRI ... FORGE Report: D2‐3– Ver.0

FORGE Report: D2‐3– Ver.0     

3.2 RESULTS AND DISCUSSION 

Three  experiments  were  conducted  in  order  to  test  the  device  and  to  compare  the  gas concentration under irradiation alone, by corrosion and by corrosion under irradiation.  

3.2.1 Irradiation of pure water  The evolution of hydrogen amount  (expressed  in arbitrary unit  (a.u.)) released by pure water irradiated  during  4  hours  at  a  constant  dose  rate  1  kGy/h  is  plotted  on  Fig.  19. As  soon  as irradiation begins, hydrogen concentration increases sharply during the first hour of irradiation. Between 1 and 4 hours of  irradiation, the  increase  is going on but more smoothly. As soon as irradiation  is stopped the hydrogen concentration decreases. No  influence of temperature on hydrogen content is observed.  

0

10

20

30

40

50

60

0 60 120 180 240 300 360 420

Time (min)

[H2]

(a.

u)

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

tem

pera

ture

(°C

)

irradiation

irradiation stopped

temperature IRMA

temperature hall

 

Fig. 19: Evolution of hydrogen concentration versus time under irradiation (1 kGy/h) 

 

The  evolution  of  oxygen  and  nitrogen  concentrations  versus  time  is  plotted  on  Fig.  20. No significant variation was noticed.  

 

  25 

Page 27: FORGE Report, single column layout · seals, in particular gas flow along contacts; role ... Mr P. POLIVKA from NRI ... FORGE Report: D2‐3– Ver.0

FORGE Report: D2‐3– Ver.0     

0

50

100

150

200

250

300

0 60 120 180 240 300 360

Time (min)

[O2]

a.u

.

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

O2

N2

temperature hall

temperature IRMA

 

Fig. 20: Variations with time of oxygen and nitrogen concentration during an irradiation period (1 kGy/h) 

 

3.2.2 Iron corrosion without irradiation  The  evolution  of  hydrogen  produced  by  iron  corrosion  versus  time  is  plotted  on  Fig.  21. 

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 740 1480 2220 2960 3700 4440 5180 5920 6660 7400

time (min)

[H2]

a.u

.

20

21

22

23

24

25

26

27

28te

mpe

ratu

re (

°C)

H2

temperature hall

 

Fig. 21: Evolution of hydrogen concentration with time (m Fe(o) = 9.226 g ; V H2O ‐ 85ml H2O) 

  26 

Page 28: FORGE Report, single column layout · seals, in particular gas flow along contacts; role ... Mr P. POLIVKA from NRI ... FORGE Report: D2‐3– Ver.0

FORGE Report: D2‐3– Ver.0     

The  concentration  of  hydrogen  increases  sharply  during  the  first  hours  (~30  hours)  until  to reach  a  short  plateau  around  45  a.u..  Then,  hydrogen  concentration  increases  again  until  a pseudo‐plateau corresponding to a mean value of 65 a.u. But the concentrations vary around this  value  between  55  and  75  a.u..  These  variations  seem  partly  linked  to  temperature variations.  Similar  variations  of  both  oxygen  and  nitrogen  content  with  temperature  were observed (Fig. 22 and 23).  

0

20

40

60

80

100

0 740 1480 2220 2960 3700 4440 5180 5920 6660 7400

time (min)

O2

(a.u

.)

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

O2

temperature

 

Fig. 22: Variations of oxygen concentration with time (m Fe(o) = 9.226 g ; V H2O ‐ 85ml H2O) 

40

50

60

70

80

90

100

0 740 1480 2220 2960 3700 4440 5180 5920 6660 7400

time (min)

N2

(a.u

.)

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

N2

temperature

 

Fig. 23: Variations of nitrogen concentration with time (m Fe(o) = 9.226 g ; V H2O ‐ 85ml H2O) 

  27 

Page 29: FORGE Report, single column layout · seals, in particular gas flow along contacts; role ... Mr P. POLIVKA from NRI ... FORGE Report: D2‐3– Ver.0

FORGE Report: D2‐3– Ver.0     

 

Solubility of gases in solution depends on temperature. When temperature increases, solubility of gases decreases and their concentrations in gaseous phase increase.  

But  some  variations  observed  in  the  case  of  hydrogen  can’t  be  explained  by  temperature variations. The experiment in glass vessel gives the opportunity to observe formations of gases bubbles at  the  surface of  iron particles. When  these bubbles  reach a  sufficient  size  they are released  in  gaseous  phase  inducing  a  flush  of  gas  and  a  sudden  increase  of  hydrogen concentration in this phase.  

At the end of the experiment, the glass vessel has been dismantled and the physico‐chemical parameters  of  the  solution were measured.  The  pH was  9.15  and  the  redox  potential  has decreased  to  ‐285 mV  (ENH). The  conductivity of  the  final  solution was 3  times higher  than those of pure water,  traducing  the presence  in  solution of  iron  species. After  few hours,  the colour of the solution has changed and became brunish, linked to the oxidation of Fe2+ to Fe 3+.  

3.2.3 Iron corrosion under irradiation  This experiment was conducted as followed: 

Phase 1: Iron in contact with deaerated water during 22hours. 

Phase 2: First irradiation during 4 hours (1kGy/h).  

Phase 3: Irradiation is stopped during 15 hours  

Phase 4: Second irradiation during 8 hours (1kGy/h) 

Phase 5: Irradiation is stopped and the online hydrogen measurement goes on during 96 hours 

The  gases  (hydrogen,  oxygen  and  nitrogen)  concentrations  were  monitored  during  all  the experiment. The  figure 24 presents  the variation of hydrogen  concentration as a  function of time.  

0

50

100

150

200

250

0 1440 2880 4320 5760 7200 8640

time (min) BEF 27-04-11

[H2]

(a.

u.)

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

tem

pera

ture

(°C

)corrosion

irradiation (4h)

irradiation stopped

irradiation (8h)

temperature hall

temperature IRMA

 

Fig. 24: Evolution of H2 concentration versus time (mFe(o)=10.394 g; VH2O=84.64 ml; 1kGy/h) 

  28 

Page 30: FORGE Report, single column layout · seals, in particular gas flow along contacts; role ... Mr P. POLIVKA from NRI ... FORGE Report: D2‐3– Ver.0

FORGE Report: D2‐3– Ver.0     

 

The  first  part  of  the  curve  is  quite  similar  (same  hydrogen  concentrations  for  same  contact durations) to those obtained in the experiment without irradiation (Fig. 21). As soon irradiation begins the concentration of hydrogen  in gaseous phase  increases and this  lasts during all the irradiation phase. When irradiation is stopped, hydrogen concentration decreases sharply until to reach the level of concentration observed in the previous experiment for same contact iron‐water duration (Fig. 21).  

The same sharp  increase  in hydrogen content  is observed  for the second  irradiation phase  (8 hours).  Again,  hydrogen  content  decreases  when  irradiation  is  stopped.  Then,  hydrogen content during about 4days (end of the experiment) varies between 70 and 110 a.u., i.e. slightly higher than in previous experiment.  

Hydrogen  content  variations  seem  linked  to  temperature  variations  in  the  laboratory  (green curve).  Excepted  during  the  irradiation  phases  for which  temperature  in  the  irradiation  cell increase, the variations of the temperature  in  IRMA are small  (2 °C) and seem to have minor influence on the gas content value.  

The  same  influence  of  the  temperature  of  the  laboratory  is  observed  on  the  variations  of oxygen  and nitrogen  content. At 20  °C,  the mean  values  are  respectively 85 a.u.  for oxygen (Fig. 25) and 160 a.u. for nitrogen (Fig. 26).  

Physico‐chemical parameters of the solution were not measured at the end of the experiment, due  to  various  hindrances;  nevertheless  the  same  change  in  the  solution  colour  (as  that observed  in  the  previous  experiment)  due  to  contact with  atmosphere  (FeII  oxidation) was observed.  

 

40

60

80

100

120

140

360 1080 1800 2520 3240 3960 4680 5400 6120 6840 7560 8280 9000

time (min)

O2

(a.u

.)

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

tem

pera

ture

(°C

)

corrosion

irradiation (4h)

irradiation stopped

irradiation (8h)

temperature IRMA

temperature hall

 

Fig. 25: Evolution of oxygen content with time (mFe(o)=10.394 g; VH2O=84.64 ml; 1kGy/h) 

  29 

Page 31: FORGE Report, single column layout · seals, in particular gas flow along contacts; role ... Mr P. POLIVKA from NRI ... FORGE Report: D2‐3– Ver.0

FORGE Report: D2‐3– Ver.0     

120

130

140

150

160

170

180

190

200

210

220

360 1080 1800 2520 3240 3960 4680 5400 6120 6840 7560 8280 9000

time (min)

N2

(a.u

.)

18

20

22

24

26

28

30

tem

pera

ture

(°C

)

corrosion

irradiation (4h)

irradiation stopped

irradiation (8h)

temperature IRMA

température hall

 

Fig. 26: Evolution of nitrogen content with time (mFe(o)=10.394 g; VH2O=84.64 ml; 1kGy/h) 

 

 

3.3  CONCLUSION AND FURTHER EXPERIMENTS  

This first set of experiments has allowed testing the feasibility of continuous gas measurements by gas chromatography  (GC) over a period of a week.  In the conditions of these experiments (high dose rate,  iron (o)), hydrogen was easily detected and as soon as GC will be calibrated a quantification  of  hydrogen  concentration  in  gaseous  phase  will  be  possible.  The  results presented  in this report also show the  importance of temperature especially  in the  laboratory at the level of GC.  

Further experiments will be conducted with the new cell, which equipment allows the control of  pressure  and  He  4.5  flowrate.  Thus,  after  the  optimization  of  the  conditions  of  the experience  (flushing  gas  flow  rate,  ratio  Fe(o) mass  /  solution  volume)  the  quantification  of hydrogen production will be possible.  

This  first  set  of  experiments was  conducted with  a  higher  dose  rate  (1  kGy/h)  than  those expected outside HLW overpacks  in a geological disposal. Future experiments will be realized with  lower  dose  rates  and  if  possible  (capability  of  IRMA  irradiation  facility),  additional experiments will be carried out to study the relation [H2] ‐ dose rate.  

To  complete  this  study  on  the  influence  of  dose  rate  on  hydrogen  generation,  few  vials containing iron and water or carbonate solution will be placed in IRMA facility for several weeks at such a distance of sources that dose rate will be low.  

Then the influence of solution composition on hydrogen production will be studied. Instead of using a solution which composition exactly mimics  those of bentonite, we will use a Na2CO3 solution for simplification purpose, carbonate ion being sensitive to irradiation.  

  30 

Page 32: FORGE Report, single column layout · seals, in particular gas flow along contacts; role ... Mr P. POLIVKA from NRI ... FORGE Report: D2‐3– Ver.0

FORGE Report: D2‐3– Ver.0     

  31 

Some experiments will be conduct using  iron powder (d<210 µm) and  iron pieces which offer lower specific areas  to corrosion processes  than powder used  in  the  first set of experiments. but  allows  solid  observation  (SEM…)  and  characterisation  (RAMAN…)  at  the  end  of  the experiment  (contrary to  iron particles which diameter  is  lower than 10 µm). A comparison of corrosion  layers obtained with and without  irradiation would complete data obtained on gas production.  

Some analytical developments are still necessary to better characterize the solution after each experiment.  First,  the  determination  of  hydrogen  peroxide  according  to  Ghormley method (Joseph  et  al.,  2008)  needs  to  be  validated  and  to  be  tested  in  presence  of  iron  species  in solution.    Secondly,  a method of determination of  iron  speciation  in  solution  (Fe2+/Fe3+) will developed (Viollier et al., 2000). 

At  last,  the  modelling  of  these  experiments  regarding  solution  radiolysis  (Chemsimul calculations) and chemistry mass balance (using the code Chess) planned for the second 2‐years period of this project will help the interpretation of the experiments.  

 

Page 33: FORGE Report, single column layout · seals, in particular gas flow along contacts; role ... Mr P. POLIVKA from NRI ... FORGE Report: D2‐3– Ver.0

FORGE Report: D2‐3– Ver.0     

References 

Anantamula R.P., Delegard C.H.,  Fish R.L., 1984, Corrosion behaviour of  low‐carbon  steels  in Grande Ronde Basalt groundwater in the presence of basalt‐bentonite packing,  Scientific Basis for Nuclear Waste Management VII, Mat. Res. Soc. Sym Proc. Vol. 26, p.113 

Brůha P., Pelech I., Czechoslovak patent no. 259785, Int. Cl. F 16 J 3/00, 1989.  

de Combarieu G., Barboux P., Minet Y., 2007, Iron corrosion in Callovo‐Oxfordian argillite: Form experiments to thermodynamic/kinetic modelling, Physics and Chemistry of the Earth 32, 346‐358 

Daub, K.Z., X.; Noël,  J.  J.;Shoesmith D.;Wren,  J. C., 2008,  Effect of  gamma  radiation on  steel corrosion, in Curran Associates, I., ed., 9th Annual Conference of the canadian Nuclear Societey and 32nd CNS/CNA Student Conference: Toronto ‐Ontario, CANADA. 

Daub, K.Z., X.; Noël, J. J.;Wren, J. C., 2010, Effects of [gamma]‐radiation versus H2O2 on carbon steel corrosion:  Electrochimica Acta, vol55,8,2767‐2776 

Dunn D.S., Cragnolino G.A., Sridhar N., 2000, An Electrochemical Approach to Predicting Long‐Term  Localized  Corrosion  of  Corrosion‐Resistant  High‐Level  Waste  Container  Materials, Corrosion‐January, Vol. 56, No.1, 90‐104 

Druyts F., Kursten B., Van Iseghem P., 2001, Corrosion Evaluation of Metallic Materials for Long‐Lived  HLW/Spent  Fuel  Disposal  Containers,  Final  report  to  EDF  for  the  period  1996‐1998, SCK.CEN, R‐3533, May  

Elliot, A.J., 1994, rate constants and G‐values for the simulation of the radiolysis of light water over the range 0‐300°C, in 11073, A.‐. ed. 

Ershov, B.G.G., A. V., 2008, A model for radiolysis of water and aqueous solutions of H2, H2O2 and O2: Radiation Physics and Chemistry, v. 77, p. 928‐935. 

Fattahi, M., Houée‐Levin, C., Ferradini, C., and Jacquier, P., 1992, Hydrogen peroxide formation and decay in [gamma]‐irradiated clay water: International Journal of Radiation Applications and Instrumentation. Part C. Radiation Physics and Chemistry, v. 40, p. 167‐173 

Fujisawa R., Cho T., Sugahara K., Takizawa Y., Horikawaa Y., Shiomi T., Hironaga M., 1997, The corrosion behaviour of iron and aluminium under waste disposal conditions, Scientific Basis for Nuclear Waste Management XX, MRS Symp. Proc. vol. 465, , p. 675 

Fujita, N., Matsuura, C., and Saigo, K., 2000,  Irradiation‐enhanced corrosion of carbon steel  in high  temperature water  ‐‐  in  view  of  a  cell  formation  induced  by  [gamma]‐rays:  Radiation Physics and Chemistry, v. 58, p. 139‐147 

Fujita, N,  2001, Radiation‐induced preferential dissolution of specific planes of carbon steel in high‐temperature water: Radiation Physics and Chemistry, v. 60, p. 53‐60 

Fujiwara  A.,  Yasutomi  I.,  Fukudome  K.,  Tateishi  T.,  Fujiwara  K.,  2001,  Influence  of  Oxygen Concentration  and Alkalinity on  the Hydrogen Gas Generation by Corrosion of Carbon  Steel, Mat. Res. Soc. Symp. Vol. 663, MRS 2001, p. 497, Sci Basis XXIV, Sydney  

Grauer R., Knecht B., Kreis P., Simpson  J.P., 1991, Hydrogen evolution  from corrosion of  iron and steel in intermediate level waste repositories, Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Vol.212, MRS, Sci. Basis XIV, Boston, str.295 

  32 

Page 34: FORGE Report, single column layout · seals, in particular gas flow along contacts; role ... Mr P. POLIVKA from NRI ... FORGE Report: D2‐3– Ver.0

FORGE Report: D2‐3– Ver.0     

Hara  K.,  Ishikawa  H.,  Honda  A.,  Sasaki  N.,  1992,  Influence  of  Dissolved  Oxygen  on  the Generation Rate of Hydrogen Gas with Corrosion of Carbon Steel, Proceeding of Workshop Gas Generation and Release, OECD Paris, p. 120 

Honda A., Teshima T., Tsurudome K., Ishikawa H., Yusa Y., Sasaki N., 1991, Effect of compacted bentonite on the corrosion behaviour of carbon steel as geological isolation overpack, Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Vol.212, MRS, Sci. Basis XIV, Boston, str. 287  

Ishigure, K., Fujita  N., Tamura, T., Oshima, K., 1980, Effect of gamma radiation on the release of corrosion  products  from  carbon  steel  and  stainless  steel  in  high  temperature water.  [PWR; BWR]:  Nucl. Technol. Vol. 50,2,Pages: 169‐177 

Jelinek  J., Neufeld P., 1982, Kinetics of Hydrogen  Formation  from Mild  Steel  in Water under Anaerobic Conditions, Corrosion,  Vol. 38, No.2, February 

Johnson L.H., Smith P.A., The interaction of radiolysis products and canister corrosion products and  the  implications  for  spent  fuel dissolution and  radionuclide  transport  in a  repository  for spent fuel, Nagra Technical Report 00‐04, February 2000 

Joseph, J.M., Seon, C. B., Yakabuskie, P. C., Wren, J., 2008, A combined experimental and model analysis  on  the  effect  of  pH  and O2(aq)  on  [gamma]‐radiolytically  produced  H2  and  H2O2: Radiation Physics and Chemistry, v. 77, p. 1009‐1020. 

King  F.,  Overview  of  a  Carbon  Steel  Container  Corrosion  Model  for  a  Deep  Geological Repository in Sedimentary Rock, NWMO TR‐2007‐01, March 2007 

Kruger J., The nature of the passive film on iron and ferrous alloys, Corrosion Science. Vol. 29. No 2/3. pp. 149‐162. 1989 

Lapuerta, S., Moncoffre, N., Millard‐Pinard, N., Mendes, E., Corbel, C., and Crusset, D., 2005, use  of  ion  beam  analysis  techniques  to  characterise  iron  corrosion  under  water  radiolysis Nuclear  Instruments  and  Methods  in  Physics  Research  Section  B:  Beam  Interactions  with Materials and Atoms, v. 240. 

Lapuerta, S.M.‐P., N; Moncoffre, N.;Bererd, N.; Jaffrezic, H.; Brunel, G.;Crusset, D.;Mennecart, Th,  2007,  Origin  of  the  hydrogen  involved  in  iron  corrosion  under  irradiation:  Surface  and Coatings Technology, v. 201, p. 8197‐8201. 

Lapuerta, S., Moncoffre N., Bererd, N.,  Jaffrezic, H., Millard‐Pinard, N,   Crusset, D., 2006,  Ion beam analysis of the effect of O2 and H2O on the oxidation of  iron under  irradiation: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms, v. 249, p. 470‐473. 

Lillard, R.S.P., D. L.;Butt, D. P., 2000, The corrosion of materials in water irradiated by 800 MeV protons: Journal of nuclear materials, v. 278, p. 277‐289. 

Lu  Z.,  Macdonald  D.D.,  Transient  growth  and  thinning  of  the  barrier  oxide  layer  on  iron measured by real‐time spectroscopic ellipsometry, Electrochimica Acta 53, 7796‐7702, 2008 

Manaka,  Mitsuo  Kawasaki,  Manabu  Honda,  Akira,  2000  Measurements  of  the  effective diffusion  coefficient  of dissolved  oxygen  and  oxidation  rate  of  pyrite by  dissolved  oxygen  in compacted sodium bentonite, Nuclear Technology,  v. 130(2), p. 206‐217 

Marsh  G.P.,  Taylor  K.J.,  Sharland  S.M.,  Tasker  P.W.,  1987,  An  approach  for  evaluation  the general  and  localised  corrosion  of  carbon‐steel  containers  for  nuclear  waste  disposal,  in Scientific Basis for Nuclear Waste Management X, Mat. Res. Soc. Sym Proc. Vol. 84 str. 227 

  33 

Page 35: FORGE Report, single column layout · seals, in particular gas flow along contacts; role ... Mr P. POLIVKA from NRI ... FORGE Report: D2‐3– Ver.0

FORGE Report: D2‐3– Ver.0     

Marsh, G.P., and Taylor, K.J., 1988, An assessment of  carbon  steel  containers  for  radioactive waste disposal: Corrosion Science, v. 28, p. 289‐320 

Matsuda F., Wada R., Fujiwara K., Fujiwara A.,1995, An evaluation of hydrogen evolution from corrosion of  carbon  steel  in  low/intermediate  level waste  repositories, MRS, Symp‐Proc. Vol. 353, Eds. Murakami T, Ewing R.C. Scientific Basis for Nuclear Waste Management XVIII, Kyoto, str.719 

Nielsen,  F.L.,  Karin;Jonsson, Mats,  2008,  Simulations  of  H2O2  concentration  profiles  in  the water surrounding spent nuclear fuel: Journal of nuclear materials, v. 372, p. 32‐35. 

Osacký M..  Šucha V.. Czímerová A.. Madejová. Reaction of  smectites with  iron  in  a nitrogen atmosphere at 75 °C. Applied Clay Science. 2010. 237‐244 

Pastina,  B.,  1997,  Etude  sur  la  radiolyse  de  l'eau  en  relation  avec  le  circuit  primaire  de refroidissement des réacteurs nucléaires à eau sous pression: Orsay, Partis XI  

Pastina,  B.I.,  J.;  Hickel,  B.,  1999,  The  influence  of water  chemistry  on  the  radiolysis  of  the primary  coolant water  in pressurized water  reactors:  Journal of nuclear materials,  v. 264, p. 309‐318. 

Perronet M., Villiér F., Jullien M., Razafitianamahotovo A., Raynal J., Bonnin D., Towards a  link between the energetic heterogeneities of the edge faces of smectites and their stability in the context of metallic corrosion, Geochimical et Cosmochimica Acta, 71, p. 1463‐1479, 2007. 

Platts  N.,  Blackwood  D.J.,  Naish  C.C.,  1994,  Anaerobic  oxidation  of  carbon  steel  in  granitic groundwaters: A review of the relevant literature, SKB Technical Report 94‐01, 

Puigdomenech I., Ambrosi J‐P., Eisenlohr L., Lartique J‐E., Banwart S.A., Bateman K., Milodowski A.E., West  J.M., Griffault  L., Gustafsson E., Hama K., Yoshida H., Kotelnikova S., Pedersen K., Michaud, Trotignon L., Rivas Perez J., Tullborg E‐L.  , 2001, O2 depletion  in granitic media The Rex project, Technical Report SKB TR‐01‐05 

Puigdomenech  I.,  Taxen  C.,  2000,  Thermodynamic  data  for  copper:  Implications  for  the corrosion of copper under repository conditions, Technical Report SKB TR‐00‐13,  

Puigdomenech I., Trotignon L., Kotelnikova S., Pedersen K., Griffault L., Michaud V., Lartigue J‐‐E., Hama K., Yoshida H., West J.M., Bateman K., Milodowski A.E., Banwari S.A., Rivas Perez J., Tullborg E.‐L.,2000, O2 consumption in a granitic environment, Mat. Res. Symp. Proc. Vol. 608, MRS, Sci Basis XXIII, Boston, p. 179 

Rasmussen,  O.L.B.E.,  1984,  Chemsimul  ‐  a  program  package  for  numerical  simulation  of chemical reaction systems.  ,  in Rissô National Laboratory, D., ed., Technical Report Risö‐R‐395 (ENG) 

Ross, A.B., Mallard W.G., Helman W.P., Buxton G.V., Huie P. E.,  Neta P.,, 1994, Solution Kinetics Database ‐ Version2.0 NIST Gaitherburg USA, in NDRL‐NIST, ed. 

Ross, A.B., Neta P., 1979, rate constants for reactions of inorganic radicals in aqueous solutions, NSRDS ‐ NBS 65. 58p. 

Schenk  R.,  1988,  Untersuchungen  uber  die  wasserstoffbildung  durg  eisencorrosion  unter endlagerbedingungen, NAGRA Technisher bericht 86‐24, 

Simpson  J.P., 1984, Experiments on Container Materials  for  Swiss High‐Level Waste Disposal Projects Part II, NAGRA Technical report 84‐01 

Simpson  J.P., Schenk R., 1987, Hydrogen evolution  from  corrosion of pure  copper, Corrosion Science, Vol. 27, pp. 1365‐1370  

  34 

Page 36: FORGE Report, single column layout · seals, in particular gas flow along contacts; role ... Mr P. POLIVKA from NRI ... FORGE Report: D2‐3– Ver.0

FORGE Report: D2‐3– Ver.0     

  35 

Simpson  J.P., Schenk R., Knecht B., 1985, Corrosion  rate of unalloyed steels and cast  irons  in reducing  granitic  groundwaters  and  chloride  solutions,  Sci  Basis  for  Nuclear  Waste Management X, Mat. Res. Soc. Sym Proc. Vol. 50, Ed‐ L.O. Werme, p. 429 

Smart N.R., Blackwood D.J., Werme L., 2001, The anaerobic corrosion of carbon steel and cast iron in artificial groundwaters, SKB Technical Report TR 01‐22 

Smart N.R., Bond A.E., Crossley J.A.A., Lovegrove P.C., Werme L., 2001, Mechanical properties of Oxides Formed by Anaerobic Corrosion of Steel, Mat. Res. Soc. Symp. Vol. 663, MRS, p. 477, Sci Basis XXIV, Sydney 2000 

Smart N.R., Rance A.P.,  Fennell P, Werme  L., 2002, Expansion due  to anaerobic  corrosion of steel  and  cast  iron:  experimental  and  natural  analogue  studies,  In:  Prediction  of  long  term corrosion  behaviour  in  nuclear waste  systems.  Proccedings  of  an  int. Workshop,  Cadarache, France , pp. 280‐294 

Smart,  N.R.R.,  Rance  A.  P.;Werme,  L.  O.,  2008,  The  effect  of  radiation  on  the  anaerobic corrosion of steel: Journal of nuclear materials, v. 379, p. 97‐104. 

Spotheim‐Maurizot, M., Mostafavi, M., Douki,  Y.,  and  Belloni,  J.,  2008,  Radiation  Chemistry, l'actualité chimique, EDP Sciences. 

Viollier,  E.,  Inglette,  P.W.,  Hunter,  K.,  Roychoudhury,  A.N.,  Van  Cappellen,  P.,  2000,  The ferrozine  methode  revisited :  Fe(II)/Fe(III)  determination  in  natural  waters.    Applied geochemistry 15 2000) 785‐790 

Wasselin‐Trupin,  V.,  2000,  Processus  primaires  en  chimie  sous  rayonnement.  Influence  du Transfert d'Energie Linéique sur la radiolyse de l'eau. : Orsay, Paris XI. 

Wiborgh M., Hoglund L.O., Pers K., 1986, Gas formation in a L/ILW Repository and gas transport in the host rock, NAGRA Tech. Report 85‐17 

Xia  X.,  Idemitsu  K.,  Arima  T.,  Inagaki  Y.,  Ishidera  T.,  Kurosawa  S.,  Iijima  K.,  Sato  H.,  2005, Corrosion of carbon steel in compacted bentonite and its effect on neptunium diffusion under reducing condition, Applied Clay Science 28, 89‐100 

Xu, T., Senger, R., and Finsterle, S., 2008, Corrosion‐induced gas generation in a nuclear waste repository: Reactive geochemistry and multiphase flow effects: Applied Geochemistry, v. 23, p. 3423‐3433. 

Yakabuskie, P.A.J., Jiju M.;Clara Wren, J., 2010, The effect of interfacial mass transfer on steady‐state water radiolysis: Radiation Physics and Chemistry, v. In Press, Accepted Manuscript. 

Zhang, X., Xu, W., Shoesmith, D.W., and Wren, J.C., 2007, Kinetics of H2O2 reaction with oxide films on carbon steel: Corrosion Science, v. 49, p. 4553‐4567.