Microbially-induced corrosion of carbon steel in a geologic repository environment

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-38-8544-1
Title: Microbially-induced corrosion of carbon steel in a geologic repository environment
Author: Rajala, Pauliina
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Agriculture and Forestry, Department of Food and Environmental Sciences
VTT Technical Research Centre of Finland Ltd
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Belongs to series: URN:ISSN: 2242-1203
Abstract: Low- and intermediate-level radioactive waste (LLW/ILW) is produced during the operation and decommission of nuclear power plants. At the Olkiluoto power plant, LLW/ILW is disposed of in an underground repository excavated into the bedrock 60–100 m below sea level. The metallic portion of this waste is typically made of carbon steel and stainless steels. In anoxic conditions, such as the groundwater at the Olkiluoto repository site, carbon steel corrosion rate is very slow unless the groundwater is highly acidic or microbial activity is high, altering local conditions to corrosion inducing direction. Microorganisms are able to accelerate general corrosion as well as induce localized corrosion forms and stress corrosion cracking as conditions under the biofilm can differ markedly from those in the adjacent environment. Critically, corrosion of metallic waste can release radioactive nuclides into the groundwater and threaten the long-term integrity of the storage site. The objective of this research was to determine the importance of microbially- induced corrosion (MIC) of carbon steel placed in deep geological repository containing LLW/ILW. The structure and function of microbial communities in the deep biosphere are still poorly understood but could have important consequences for the long-term storage of radioactive waste in underground repositories. MIC of carbon steel in anoxic groundwater was studied in the laboratory and in situ in experiments with exposure time ranging from 3 months to 15 years. MIC was examined using gravimetric and electrochemical techniques complemented by molecular biology and surface characterization methods. It was shown that conditions beneath the microbial biofilm accelerated corrosion rate of carbon steel, especially localized corrosion, and that microbial activity in deep groundwater is enhanced by the presence of carbon steel. Naturally- occurring microorganisms in deep groundwater environments have a great affinity for the surface of carbon steel and rapidly form a biofilm. Phylum proteobacteria, beta- or deltaproteobacteria depending on the experiment, were in the majority in the biofilm forming bacterial community. Archaeal biofilm was formed by phylas Euryarchaeota (DHVE) and Thaumarcheota (MBGB). However, corrosion was inhibited in concrete-encased environments, due to high alkalinity and calcium carbonate concentration in the environment. In many cases, LLW/ILW repositories contain concrete materials, which according to the present results hinders the corrosion at least in the beginning of repository time scale.dinvoimalaitoksen käytön ja purkamisen yhteydessä syntyy radioaktiivisesti kontaminoitunutta materiaalia, joka luokitellaan aktiivisuustason perusteella pääosin matala- ja keskiaktiiviseksi radioaktiiviseksi jätteeksi. Olkiluodon ydinvoimalassa tämä jäte sijoitetaan maanalaiseen loppusijoitustilaan 60-100 m maanpinnan alapuolelle. Metallinen matala- ja keskiaktiivinen jäte on pääosin hiiliterästä ja ruostumattomia teräksiä. Hapettomissa olosuhteissa, kuten pohjavesi Olkiluodon loppusijoitustilassa, hiiliteräksen korroosionopeus on hyvin matala, ellei pohjavesi ole hyvin hapanta tai mikrobiologinen toiminta ole aktiivista, muuttaen paikallisia olosuhteita korroosiota kiihdyttäviksi. Mikrobit voivat kiihdyttää teräksen yleistä korroosiota sekä edesauttaa paikallisen ja jännityskorroosion syntymistä luomalla biofilmin alle korroosiolle altistavat olosuhteet, jotka voivat merkittävästi erota ympäröivistä olosuhteista. Metallisen radioaktiivisen jätteen korroosio voi vaikuttaa radionuklidien kulkeutumiseen sekä vaikuttaa loppusijoituksen pitkäaikaisturvallisuuteen. Tämän tutkimuksen tavoite oli kartoittaa hiiliteräksen mikrobiologisen korroosion riskejä loppusijoitusolosuhteissa. Mikrobiyhteisön koostumus ja toiminnallisuus syvässä kallioperässä on yhä heikosti tunnettua, mutta sillä saattaa olla vaikutusta vaikuttaa matala- ja keskiaktiivisen jätteen loppusijoituksen pitkäaikaisturvallisuuteen. Mikrobiologista korroosiota hapettomassa pohjavedessä on tutkittu sekä laboratorio- että in situ -olosuhteissa koeaikojen ollessa kolmesta kuukaudesta viiteentoista vuoteen. Mikrobiologista korroosiota tutkittiin sekä painohäviöön perustuvilla että sähkökemiallisilla menetelmillä yhdistettynä molekyylibiologisiin menetelmiin ja pinnan karakterisointiin. Tulokset osoittavat, että mikrobien muodostaman biofilmin alla syntyi olosuhteet, joissa hiiliteräksen korroosio, erityiseesti paikallinen korroosio, merkittävästi kiihtyi. Tulokset myös osoittivat, että pohjaveden mikrobiyhteisö hyötyi hiiliteräksestä. Pohjaveden luonnollinen mikrobiyhteisö hakeutui hiiliteräksen pinnoille muodostaen nopeasti biofilmiä. Proteobacteria pääjaksoon kuuluvat bakteerit, beta- tai deltaproteobacteria riippuen koeolosuhteista, olivat suurimmassa osassa biofilmin bakteeriyhteisöä. Biofilmin arkeoniyhteisön muodostivat pääjaksojen Euryarchaeota (DHVE) ja Thaumarcheota (MBGB) arkeonit. Koesarjoissa, jotka suoritettiin betonin läsnäollessa, korroosionopeus oli huomattavasti matalampi, johtuen korkeasta pH:sta ja kalsiumkarbonaatti-pitoisuudesta. Matala- ja keskiaktiivisen jätteen loppusijoitusolosuhteissa käytetään betonirakenteita, jotka näiden tulosten pohjalta voivat hidastaa korroosiota ainakin loppusijoituksen alkuvaiheessa.
URI: URN:ISBN:978-951-38-8544-1
http://hdl.handle.net/10138/186253
Date: 2017-07-05
Subject:
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
microbia.pdf 6.863Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record