Performance Evaluation of Nuclear Grade Ion Exchange Resins under High-Pressure and Low-Temperature Conditions of i-SMR = i-SMR 고압 저온 조건에서 원자력등급 이온교환수지의 성능 검증

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study evaluated the ion removal performance of five nuclear-grade ion exchange resins to identify those suitable for operation under the high-pressure and low-temperature conditions of the modular purification system (MMPS) in an innovative small modular reactor (i-SMR). In this study, the cation exchange resins investigated were NRW150, NRW160, and NRW160LS, while the anion exchange resins were NRW505 and NRW600. The experiments simulated normal operating conditions (150 bar/50 °C) and extreme conditions (150 bar/70 °C). Adsorption experiments were conducted using a peristaltic pump system (for baseline conditions) and an custom HPLC-based setup (for high-pressure conditions), covering single-ion, multi-ion, mixed bed, and scaled-up multi-/mixed-bed scenarios. The physical and chemical stability, as well as adsorption performance, of each resin was assessed under these conditions.
All resins maintained physical and chemical integrity across the tested conditions. Breakthrough curve analysis revealed that NRW160 (cation exchange resin) and NRW505 (anion exchange resin) exhibited the highest adsorption capacities. In the multi-ion tests, compared to ambient conditions, adsorption capacities increased by up to 1.7 times for cations and 2.6 times for anions at 150 bar/50 °C. When temperature increased from 50 °C to 70 °C, cation resin capacity improved by up to 1.2 times, while anion resin capacity decreased by up to 1.6 times. These results suggest enhanced ion diffusion and deeper penetration into the resin matrix under elevated pressure and temperature, contributing to improved adsorption. However, performance degradation of anion resins at 70 °C was attributed to potential thermal degradation, although performance remained superior to ambient conditions.
In mixed-bed tests under normal conditions, the cation(NRW160) and anion(NRW505) resins showed adsorption capacities of 0.66 mol/L and 1.47 mol/L, respectively, demonstrating similar trends to the multi-ion results. The stable and comprehensive performance across all conditions supports the potential application of mixed-bed systems in real reactor environments.
Scale-up experiments using columns approximately six times larger than those in previous tests confirmed that resin functionality and performance remained within acceptable ranges. Although total adsorption capacity slightly declined with increased column length and volume, this can be addressed through design optimization, particularly by adjusting the column length-to-diameter (L/D) ratio to enhance flow uniformity and resin utilization. Additionally, adjusting the resin mixing ratio (cation:anion = 4:1, 1:1, 1:4) revealed performance differences, indicating design flexibility through mix ratio tuning.
Moreover, the resins retained their adsorption performance for key cations such as Co²⁺ and Ni²⁺, even in K⁺-dominant environments where KOH is used for coolant pH control. Based on the i-SMR’s preliminary design specifications and water chemistry standards, the predicted service life of the anion resin under normal conditions exceeded five years. Radionuclide removal performance, particularly for Co-58, further demonstrated that sufficient operational longevity and high removal efficiency can be achieved.
This study experimentally validates the applicability of nuclear-grade ion exchange resins in the high-pressure, low-temperature conditions of the i-SMR MMPS. It offers practical data for establishing water purification system design and operational strategies, and serves as a foundational resource for long-term operation of modular purification systems.

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 혁신형소형모듈원자로(i-SMR)의 모듈형 정화계통(MMPS)의 운전 조건인 고압·저온 운전 조건에 운용하기에 적합한 이온교환수지를 선별하기 위해 5 종의 원자력등급의 이온교환수지를 대상으로 제거 대상 이온에 대한 흡착 성능 검증을 수행했다. 특히, 압력 및 온도 조건은 정산 운영 조건으로 150 bar/50°C, 사고 및 극한 조건으로 150 bar/70 °C 를 모사하여 수행했다. 실험은 상압·상온 및 고압·저온 조건에서 연동 펌프(기준 실험) 및 HPLC 기반 장치(고압 모사 실험)을 이용하여 단일이온·다중이온·혼합수지 실험과 Scale-up 다중이온·혼합수지 실험을 수행하고, 수지의 물리적·화학적 열화 여부 및 흡착 성능을 평가했다.
모든 조건에서 이온교환수지의 물리적 구조적 안정성과 화학적 안정성을 유지했다. 흡착 성능은 Breakthrough curve 분석을 통해 수지별 흡착량을 분석했으며, 단일 및 다중 이온 실험결과 NRW160(양이온수지)과 NRW505(음이온수지)가 각 조건에서 최대 성능을 보이는 최적의 수지로 평가되었다. 다중 이온 실험에서 상압·상온 대비 150 bar/50 °C 조건에서 양이온수지는 최대 1.7 배, 음이온수지는 최대 2.6 배의 흡착 성능 향상을 보였으며, 50 °C 에서 70 °C 로 온도 상승 시 양이온수지는 최대 1.2 배 증가, 음이온수지는 최대 1.6 배 감소했다. 압력과 온도의 증가에 따라 이온의 확산 속도 및 수지 내부로의 침투 능력 향상으로 인해 수지의 흡착 용량 증가(성능 향상) 현상을 발견했으며, 상대적으로 고온(70°C)에서 음이온교환수지의 열화에 의한 성능 저하의 가능성을 도출했다. 그럼에도 불구하고 상압·상온 조건보다 150 bar/70 °C 조건에서 향상된 성능을 보였다. 고압 운영 조건에서 대부분 수지가 향상된 성능을 나타낸 결과는 정화 효율과 수지 교체 주기 측면에서 긍정적이다.
혼합수지 실험에서 정상 조건 기준 양이온수지는 0.66 mol/L, 음이온수지는 1.47 mol/L 의 흡착 성능을 보였으며, 조건에 따라 다중이온 실험과 유사한 흡착 경향을 보였다. 이는 각 조건에서 개별 수지 대비 안정적인 종합 성능을 유지하며, 실제 운전 환경에서의 높은 적용가능성을 시사한다.
Scale-up 다중이온·혼합수지 실험에서는 기존 단일이온·다중이온·혼합수지 실험보다 약 6 배 확대한 칼럼을 적용하여 보다 실제 환경을 모사하여 흡착 성능 유지 여부를 확인했다. Scale-up 조건에서도 수지 작동 특성을 유지하며 수용 가능한 범위의 흡착 성능을 나타냈다. 동일 수지 조성에서 칼럼 길이 및 부피 증가에 따라 총 흡착량이 다소 감소하는 경향이 있으나, 이는 직경 대비 길이비 (L/D ratio) 최적화, 즉 설계 최적화를 통해 수지내 유동 균일성을 확보하여 흡착 성능 최대화에 기여할 수 있을 것이다. 또한, 수지 혼합비 (양이온수지 : 음이온수지 = 4 : 1, 1 : 1, 1 : 4)에 따라 흡착 성능이 차등적으로 나타났으며, 운전 조건에서 혼합비 조정을 통해 설계 유연성을 확보할 수 있음을 시사한다.
뿐만 아니라 KOH 가 냉각수 pH 조절제로 적용되는 K+ 지배적인 환경에서도 Co2+, Ni2+ 등 주요 양이온에 대한 흡착 성능이 유지됨을 확인했다. 한편, i-SMR 예비 설계기준 및 수화학 기준을 기반으로 수지 수명을 예측한 결과, 정상 범위의 수화학 기준으로 최소 5 년의 수명을 가졌다. 또한, 방사성 핵종들에 대한 제거 성능을 평가하여 충분한 제거 기간을 확보함을 입증했다. 이로써, 고압·저온 운전 환경에서 이온교환수지의 수명을 예측하고 이를 바탕으로 수지 교체 주기의 기준을 제시함과 동시에 방사성 핵종들에 대한 제거 효율과 장기 운전 안정성을 검증했다.
본 연구는 i-SMR MMPS 의 고압·저온 조건에서 원자력등급 이온교환수지의 주요 제거 대상 이온들에 대한 제거 성능을 분석함으로써 적용 가능성에 대한 실험적 근거와 수화학 정화계통 설계 및 운전 전략 수립을 위한 실질적인 데이터를 제공한다. 이는 i-SMR 모듈형 정화계통의 장기 운전을 위한 설계의 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• List of Tables v
• List of Figures viii
• Chapter 1. Introduction １
• 1.1. Background and Motivation １
• 1.1.1. i-SMR(Innovative Small Modular Reactor ) １
• 1.1.2. MMPS system and high pressure design １
• 1.2 Objective of Research ３
• Chapter 2. Literature Review ４
• Chapter 3. Experimental ６
• 3.1. Materials ６
• 3.2. Target Ions ７
• 3.2.1. Generation of radionuclide in primary coolant system ７
• 3.2.2. Anion water chemistry management standards and impacts ９
• 3.2.3. Target ion selection and solution preparation １０
• 3.3. System design and Setup １１
• 3.3.1. Atmospheric Pressure Test Setup １１
• 3.3.2. High Pressure Test Setup １３
• 3.4. Analysis １６
• 3.4.1. Physical Analysis １６
• 3.4.2. Chemical Analysis １６
• 3.4.3. Resin Performance Analysis１９
• 3.4.3.1. Thomas Model １９
• 3.4.3.2. Yoon-Nelson Model ２０
• 3.4.3.3. Modified Dose Response Model ２０
• 3.4.3.4. Adams-Bohart Model ２１
• 3.4.3.5. Model Optimization ２２
• Chapter 4. Matrix and Method ２３
• 4.1. Physical and Chemical Degradation Evaluation of Resins ２３
• 4.2. Single Ion Adsorption Test ２４
• 4.3. Multi Ion Adsorption Test ２４
• 4.4. Mixed Bed Adsorption Test ２５
• 4.5. Multi Ion Scale-up Adsorption Test ２５
• 4.6. K+ 100% Loading Adsorption Test ２５
• 4.7. Mixed Bed Scale-up Adsorption Test ２６
• Chapter 5. Result and Discussion ２７
• 5.1. Physical and Chemical Degradation Evaluation of Resins ２７
• 5.2. Single Ion Adsorption Test ３４
• 5.2.1. Cationic Resins ３９
• 5.2.2. Anionic Resins ４４
• 5.3. Multi Ion Adsorption Test ４８
• 5.3.1. Cationic Resins ５３
• 5.3.2. Anionic Resins ５６
• 5.4. Mixed Bed Adsorption Test ６３
• 5.5. Multi Ion Scale-up Adsorption Test ６８
• 5.5.1. Cationic Resins ７１
• 5.5.2. Anionic Resins ７４
• 5.6. K+ 100% Loading Adsorption Test ７７
• 5.7. Mixed Bed Scale-up Adsorption Test ７９
• 5.7.1. 4:1 scale-up mixed bed ８４
• 5.7.2. 1:1 scale-up mixed bed ８５
• 5.7.3. 1:4 scale-up mixed bed ８７
• 5.8. Resin’s Span Life and Replacement cycle ９０
• 5.8.1. MMPS expected design specifications ９０
• 5.8.2. Expected Resin Span Life ９０
• 5.9. Reduction of Radioactiviy in the Coolant ９４
• 5.9.1. Radionuclide Generation and Impact ９４
• 5.9.2. Removal of Radionuclide in the Coolant ９５
• Chapter 6. Conclusion ９８
• Appendix I. SEM-EDS Line Scan１００
• Appendix II. FT-IR Results １０８
• Appendix III. Adsorption Capacity １１８
• Appendix IV. Experimental Uncertainty １２６
• Appendix V. Pressure Monitering of HPLC １３４
• Bibliography １４０
• Acknowledgements (감사의 글) １４８