Radiation induced corrosion of steel  

Department of Chemistry, Nuclear chemistry 

Royal institute of technology 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Author: Oskar Nilsson K‐06 

Supervisor: Mats Jonsson   

  2

Abstract 

The aim of this thesis was to investigate the influence of aqueous radiation induced oxidants on stainless 

steel. This was done by exposing the steel to both radiation and chemically added oxidants under 

ambient conditions, i.e. in and near room temperature. When water is exposed to radiation several 

oxidizing species are formed, including hydrogen peroxide, which have been known to increase the risk 

for corrosion of other materials. Stainless steel is used in many parts in a nuclear power plant, and the 

results from this thesis could be useful when elucidating whether the steel is an appropriate material to 

use for these applications. 

  3

Table of Contents 

 

Radiation induced corrosion of steel ............................................................................................................ 1 Abstract ..................................................................................................................................................... 2 

Introdution ................................................................................................................................................ 4 

The discovery of nuclear fission ............................................................................................................ 4 

Structure and components of nuclear reactors .................................................................................... 4 

Ionizing radiation .................................................................................................................................. 5 

What has been done before ................................................................................................................. 5 

Purpose of this study ............................................................................................................................ 7 

Experimental ............................................................................................................................................. 8 

Chemically added oxidant ..................................................................................................................... 8 

Radiation experiments .......................................................................................................................... 9 

Results ..................................................................................................................................................... 10 

Chemically added oxidant ................................................................................................................... 10 

Radiation induced oxidants................................................................................................................. 12 

Conclusions ............................................................................................................................................. 15 

 

 

 

  4

Introdution 

The discovery of nuclear fission 

In the late 1930:s, scientists discovered that when certain atomic nuclei were bombarded with neutrons 

they split into fragments and at the same time released large amounts of energy. This opened the door 

to several new applications, and one of the more useful ideas hatched from this breakthrough was to 

transform the released energy into electricity. It did not take long before nuclear power plants were 

built to utilize this discovery. 

 

In short, the energy released from nuclear fission is basically used to boil water, the steam generated 

drives a turbine and the rotational energy in the turbine powers a generator that produces electricity. 

Nuclear power stands for roughly 20% of the worlds electricity needs and this number will most 

certainly increase in the future as the demands gets larger and the supply of other energy sources 

decreases1,2. 

 

Structure and components of nuclear reactors 

A nuclear reactor requires a number of components to work. The first and most obvious one is the fuel, 

which usually consists of uranium slightly enriched in uranuim‐235, but reactors that operate on 

plutonium also exist. Because the core generates significant amounts of heat, a cooling system is an 

essential part of a nuclear reactor system. Heat produced from nuclear fission in the core is transferred 

away via the cooling system in order to maintain the right temperature and to avoid unnecessary 

material degradation. The coolant that is most widely used is regular light water but other cooling 

agents such as heavy water and liquid sodium can also be utilized. Another important part is the 

moderator that reduces the velocity and thereby the energy of the neutrons so that they become 

capable of sustaining a nuclear chain reaction. The moderator consists of light components such as 

hydrogen, deuterium or carbon, which leaves the neutrons with the right amount of energy to start the 

fission process. Every reactor also has the need for control rods to manage the power level of the 

reactor. If anything goes wrong, the control rods are used to shut down the reactor..  

   

  5

Control rods contain neutron absorbing materials such as boron or silver that capture the incoming 

neutrons and prevent them from continuing the nuclear reaction. The fifth component is usually 

thought to be the structure itself where the material used to build the reactor must have weak 

absorption of neutrons and having sufficient strength and resistance towards corrosion. Stainless steel 

and zircaloy are often used to build metal tubes where the fuel are held and supported. These metal 

tubes are called the cladding. Some additional hardware is also necessary to keep the fuel assembly 

within the cladding supported, and this material is most commonly constructed out of stainless steel. 

The last component is the shield, which protects materials and workers from radiation. The shield is 

composed of concrete augmented with iron, lead and water to screen all types of radiation3. 

 

Ionizing radiation 

The understanding of the effects that ionizing radiation has on the corrosion of the various parts in a 

nuclear reactor system described above is of key importance to operational and maintenance 

procedures, as well as the strict safety requirements that has to be met today.  

 

When water is exposed to ionizing radiation, it decomposes into several reactive species (water 

radiolysis): •OH, H2O2, O2, H2, •O2–eaq‐, H, which can interact with its surroundings. The steady state 

concentrations of these species have been shown to drive the corrosion behavior of a number of 

materials, including stainless steel. It is generally thought that H2O2 is the oxidant most responsible for 

generating an oxidizing environment that could lead to corrosion of materials in water, when exposed to 

radiation4,5. 

 

What has been done before 

Several studies have been conducted to try and understand the corrosion of steel under different 

conditions. There have been studies of both chemically added oxidant and oxidants created under 

irradiation. The parameter that has been monitored during nearly all of the experiments is the 

Electrochemical Corrosion Potential, or the ECP as it is commonly called. The aim of these studies has 

been to find a correlation between corrosion of the material and the change in ECP, and thereby gain 

knowledge about the behavior of the material. 

 

  6

When explaining what the ECP is you have to take into account all the relevant reactions near a metal 

surface that are associated with corrosion under the existing circumstances, this is called the corrosion 

reaction system. When hydrogen peroxide is added to pure aerated water the following reactions are 

relevant to be able to define the ECP. At the cathode, hydrogen peroxide and oxygen is reduced to 

water and hydrogen peroxide respectively. At the anode surface, free hydrogen molecules in solution 

are oxidized, discharged and adsorbed on to the metal surface. Another anodic surface reaction that 

takes place are that already discharged and adsorbed hydrogen is oxidized back in to solution. Reactions 

(1)‐(4) show the compiled corrosion reaction system. 

 

O2 + 2H+ + 2e‐ ⇔ H2O2                    (1) 

H2O2 + 2H+ + 2e‐ ⇒ 2H2O                  (2) 

H2 ⇔ H2+(ads) + e‐                    (3) 

H2+(ads) ⇔ 2H+ + e‐                    (4) 

 

The Electrochemical Corrosion Potential is then defined as the potential at which the summation of all 

the current densities of these reactions becomes zero. 

 

Previous studies have shown that the increased oxidizing environment due to the formation of the 

species mentioned formed under irradiation and chemically added hydrogen peroxide does affect the 

ECP to a degree that could lead to corrosion. Parts of this shift in the ECP are reversible when fresh non‐

irradiated solution is added but not all (hysteresis), which seems to result from long term changes in the 

outer oxide layer6,7. 

 

 

  7

Purpose of this study 

The aim of this work is to look at the same problem, but from another angle. The Electrochemical 

Corrosion Potential will not be measured during any of the experiments although the material will both 

be exposed to radiation as well as chemically added hydrogen peroxide. Instead of looking at the ECP, 

the consumption and disappearance of hydrogen peroxide will be measured with a spectrophotometer. 

This information can then be used to calculate rate constants for the consumption. The surface of the 

material will also be investigated with SEM and IR Absorbance Spectrometer (IRAS) to gain information 

of possible changes in the surface structure and composition. 

 

The steel used in this work, both in powder form and in the form of pieces was stainless steel of type 

316‐L where the composition of the different elements is listed below in weight percentage8. 

 

Fe, <0.03% C, 16‐18.5% Cr, 10‐14% Ni, 2‐3% Mo, <2% Mn, <1% Si, <0.045% P, <0.03% S 

 

The goal is to retrieve information, which could be useful to have when stainless steel is considered for 

an application that might expose the material to ionizing radiation. 

 

 

 

 

 

   

 

Experi

Chemic

Various 

peroxide

Merck st

powder 

out in an

through

then add

on the o

350 nm.

perform

respecti

Fig 1. Expe

 

 

imental 

cally added

amounts of 

e on the stee

tandard solu

was then ad

n inert atmo

 a Gamma M

ded to a mix

oxidation of I

. Reaction te

med using sol

vely. Figure 

erimental setup

 oxidant 

316‐L stainle

el surface ov

ution. This w

dded to 50 m

sphere by pu

Medical 0,45 

xture of Hac/

I‐ by hydroge

emperature w

utions of 0,5

1 shows the 

p for the chemi

ess steel pow

ver time. A 0,

as then furth

mL of the hyd

urging with n

μm to 25 mm

/NaAc which 

en peroxide w

was varied b

5 mM of pota

setup for th

ically added exp

wder were us

,1 M hydroge

her diluted to

drogen perox

nitrogen gas

m cellulose a

work as a ca

was measure

etween 25, 4

assium perm

he chemically

periment. 

sed to measu

en peroxide 

o 0,5 mM be

xide solution

.  After extra

acetate syrin

atalyst and K

ed spectroph

40 and 55 °C

manganate an

y added expe

ure the deco

solution was

efore reactio

 and the who

action, the sa

nge filter. The

KI. The absor

hotometrical

C.  Similar exp

nd a 0,1 mM

eriments. 

omposition o

s made from

on took place

ole reaction 

ample was fi

e filtered sam

bance of I3‐ d

lly at a wave

periments w

 irridiumhex

8

of hydrogen 

m a 30% 

e. The 

was carried 

ltered 

mple was 

depending 

length of 

ere 

xachloride, 

8

 

 

Radiati

Six ident

using 3 μ

these pi

radiatio

polishing

tempere

being ex

with ICP

peroxide

the radia

 

Fig 2. Expe

 

 

 

ion experim

tical pieces o

μm, 1 μm an

eces were th

n during this

g. They were

ed Millipore 

xposed to rad

P to quantify 

e and measu

ation induce

erimental setup

ments 

of stainless st

nd 0,25 μm d

hen exposed

s time. The p

e then put in

water before

diation and w

the amount

ured for its co

ed corrosion 

p for the radiat

teel 316‐L w

diamondpast

 to Millipore

pieces were r

n small bottle

e irradiation

was used as 

 of dissolved

onsumption 

experiments

ion experiment

were polished

e respective

e water for 9

rinsed and cl

es that fit in t

. The other t

reference. T

d metal ions.

exactly like t

s. 

ts. 

d, first with 1

ly to get the

4,5 h, three 

eaned with e

the gamma s

two samples

The water an

 The sixth pi

the powder 

1200 μm carb

 surface grad

of which we

ethanol duri

source toget

s were left in

d steel samp

ece was exp

was. Figure 2

bonpaper an

dually smoot

ere also expo

ng and after

ther with 10 

 the water w

ples were the

osed to hydr

2 shows the 

9

nd then 

ther. Five of 

osed to 

r the 

ml room 

without 

en analyzed 

rogen 

setup for 

9

 

Result

Chemic

Two sets

powder 

1,0 g in 4

shows, t

expecte

Fig 3. Hyd

When p

consum

Fig 4. Hyd

0

0

0

0

0

0

conc. (mM)

0000000

conc. (mM)

ts 

cally added

s of experim

(100 mesh) 

40 mL with b

the speed of 

d. 

rogen peroxide

erforming th

ption of the 

rogen peroxide

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0

00,10,20,30,40,50,60,7

0

 oxidant 

ents were d

in aqueous e

both contain

f hydrogen pe

e consumption 

he same set o

peroxide. Th

e consumption 

2000

1000 20

one in 25°C 

environment

ing an initial

eroxide cons

over time (s), c

of experimen

his is displaye

over time (s), c

4000

tid (s

000 300

tid (

measuring t

t, one with 1

l hydrogen p

sumption inc

containing 1,0 a

nts on 316‐L

ed in figure 4

containing 1,5 a

0 60

)

00 4000

 (s)

he consump

1,5 g of Fe in 

peroxide conc

creases when

and 1,5 g of Fe p

L stainless ste

4.  

and 3,0 g of 316

000

5000

tion of hydro

40 mL Millip

centration o

n more powd

powder.  

eel powder t

6‐L stainless ste

8000

6000

ogen peroxid

pore water a

f 0,5 mM.  A

der is added

 

there is no de

 

eel powder.  

1,0 g

1,5 g

1,5 g

3 g

de over Fe 

nd one with 

As figure 3 

, which is 

etectable 

 

When th

permang

with pur

Fig 5. Pota

Fig 6. Iridi

 

All the s

can mea

samples

(Fe, Ni a

0

0

0

0

0

0

conc. (mM)

0

0

0

0

0

conc. (mM)

he powder w

ganate and i

re iron. This 

asium permang

um hexachlorid

ample soluti

asure concen

s examined w

and Cr) had b

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0 2

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0

was exposed 

ridium hexa

is displayed 

ganate consump

deconsumption

ions were an

ntrations dow

with ICP show

been dissolve

2000 4000

2000 40

to a stronge

chloride the

in figure 5 a

ption over time

n over time (s), 

nalyzed with

wn to nano s

wed any sign

ed. 

0 6000

tid (s)

00 6000

tid (s)

r oxidant tha

re was consu

nd 6. 

e (s), containing

containing 3,0 

an Inductive

scale (10e‐9)

n that none o

8000 10

8000

an hydrogen

umption of t

g 3,0 and 6,0 g o

and 6,0 g of 31

ely Coupled P

 of a wide ra

of the three m

0000 1200

10000 120

n peroxide, li

the oxidants 

of 316‐L stainle

16‐L stainless st

Plasma (ICP)

ange of elem

most commo

0

3 g

6 g

000

3

6

ke potassium

just like the 

   

ess steel powde

 

teel powder.  

, which is a d

ents. None o

on elements 

g

g

3 g

6 g

11

m 

experiment 

er.  

device that 

of the 

of the alloy 

1

 

RadiatiThe first

The solu

using IC

The stai

before e

the stee

with fig 

surface 

there we

also exa

Fig 7. SEM

ion inducedt experiment

ution was pla

P. The ICP an

nless steel p

exposure to r

el surface bef

8, which is t

structure. Th

ere no clear 

mined with 

M surface pictur

d oxidationt that expose

aced in the g

nalysis did no

ieces that w

radiation, fig

fore and afte

he correspon

hree pieces w

and visible s

ICP, which a

re of 316‐L piec

 

ed the mater

amma sourc

ot show any 

ere exposed

g 5 and 6 bel

er exposure (

nding image 

were expose

surface differ

s before did 

ce with 1000 in 

rial to radiati

ce and expos

Cr, Ni or Fe 

d to radiation

ow shows a 

(94,5 h) with

after irradia

d to radiatio

rences betw

not show an

magnification b

ion had 10 g

sed to radiati

in detectable

n was first m

scanning ele

h a magnifica

ation, there i

on and two w

een the piec

ny signs of di

before radiatio

 of 316‐L in 1

ion for 64,5 

e concentrat

echanically p

ectron micro

ation of 1000

s little or no 

were exposed

ces. The irrra

issolution. 

n exposure. 

10 mL Millipo

h and then e

tions in the s

polished and

scope (SEM)

0. When com

difference i

d only to wat

adiated solut

 

12

ore water. 

examined 

solution. 

d examined 

) picture of 

mparing fig 7

n the 

ter and 

ions were 

2

 

Fig 8. SEM

 

M surface picturre of 316‐L piecce with 1000 in magnification aafter 94,5 h raddiation exposur

 

e. 

133

  14

When looking at the first experiments that were done with the stainless steel powder, it is obvious that 

the material does not react with the weakest of the three oxidants, hydrogen peroxide under the 

present conditions. The hydrogen peroxide was not consumed catalytically on the steel surface or by 

oxidization of the material. Previous studies have indicated that steel surfaces could be sensitive to 

hydrogen peroxide under certain conditions that might increase the risk for corrosion. However, this 

behaviour could not be verified with ICP or by monitoring the reaction using a spectrometer under the 

current reaction conditions. The experiment where the steel was exposed to radiation, causing the 

water to undergo water radiolysis, showed no different result and further strengthens the claim that it is 

a resistant and sturdy material under the conditions used in this work.  

When performing the same experiments as the ones with hydrogen peroxide there is a clear 

consumption of the oxidant observed. The species causing these results were potassium permanganate 

and iridium hexachloride and they are both stronger oxidants then hydrogen peroxide, but the ICP 

measurements showed no sign of dissolution. The experiments show that hydrogen peroxide is not a 

strong enough oxidant to react with the stainless steel in powder form. 

The material in the form of pieces behaved in exactly the same way as the powder. The ICP 

measurement gave the same results and the SEM images did not show that anything had happened on 

the surface upon irradiation. 

   

  15

Conclusions The obvious conclusion to be drawn from this thesis is that stainless steel is inert and very resistant to 

hydrogen peroxide and ionizing radiation in and near room temperature. This indicates that the steel is a 

very good material to use in radioactive environments at room temperatures.

  16

References 

 

                                                            1 http://www.world‐nuclear.org/info/inf16.html, World Nuclear Association, 2010‐09‐01 2 K.J Green, D. Gulatti, J.C. Steele, Nuclear Power Station Design, Wiley Encyclopedia of Electrical and Electronical Engeneering, publ. online 2009, p.660 3 Wiley, John & Sons, Inc, Nuclear Reactors, Kirk‐Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, p.7‐8 4 D. Fu, X. Zhang, P.G. Keech, D.W. Shoesmith, J.C Wren, Electrochimica Acta 55 (2010) 3787‐3796 5 G. Choppin, J.O. Liljenzin, J. Rydberg, Radiochemistry and Nuclear Chemistry 2nd Edition (1995) p.175 6 R.S. Glass, G.E. Overturf, R.A. van Konynenburg and R.D. McCright, Gamma radiation effects on corrosion‐I. Electrochemical mechanisms for the aqueous corrosion processes of austenitic stainless steel relevant to nuclear waste disposal in tuff, Corrosion Science, vol 26, No 8, p 577‐590, 1986 7 Shunsuke UCHIDA, Naoto SHIGENAKA, Masahiko TACHIBANA, Yoichi WADA,  Masanori SAKAI, Kazuhiko AKAMINE and Katsumi OHSUMI, Effects of Hydrogen Peroxide on Intergranular Stress  Corrosion Cracking of Stainless Steel in High Temperature Water, (I), Journal of NUCLEAR SCIENCE and TECHNOLOGY, Vol. 35, No. 4, p. 301‐308 (April 1998) 8 http://www.azom.com/Details.asp?ArticleID=2382, Azom Materials, 2011‐01‐25