核级离子交换树脂在i-SMR高压条件下的性能评估

《Separation and Purification Technology》：Performance evaluation of nuclear-grade ion exchange resins under high-pressure conditions of i-SMR

韩国创新小型模块化反应堆（i-SMR）的辅助系统需高度紧凑化，研究通过测试五种核级离子交换树脂（IX）在150 bar/50-70°C条件下的吸附性能与稳定性，确认Cation-B和Anion-A为最优选择，验证了高压高温环境下连续净化可行性。

　　在当前的核能技术发展中，小型模块化反应堆（Small Modular Reactors, SMRs）作为一种新型的核能系统，正逐渐成为推动能源结构转型的重要力量。韩国的创新小型模块化反应堆（i-SMR）设计尤为突出，其核心理念是通过紧凑化和模块化的方式，显著降低辅助系统的占地面积，从而提高整体系统的经济性和部署灵活性。然而，这一设计理念也带来了新的技术挑战，尤其是在反应堆冷却剂化学控制方面。传统的冷却剂净化系统通常需要较大的设备空间，这与i-SMR的紧凑布局要求相冲突。因此，研究适用于高压力和高温环境的离子交换（Ion Exchange, IX）树脂，成为实现i-SMR高效运行的关键。

i-SMR的设计目标之一是实现冷却剂的持续净化，这要求冷却剂在不经过减压或过度冷却的情况下直接进行处理。这一过程对离子交换树脂提出了更高的要求，特别是在耐压性和耐温性方面。为了筛选出适合i-SMR冷却剂净化系统的树脂，研究人员对五种核级IX树脂进行了评估，重点考察其在不同条件下的吸附性能和物理化学稳定性。这些树脂在常温常压（1 bar，室温）和高压力高温（150 bar/50°C、150 bar/70°C）条件下分别进行了单离子和多离子吸附实验。实验结果显示，所有树脂在测试条件下均未发生明显的物理损伤或化学降解，表明它们具备良好的耐压和耐高温性能。

在吸附性能方面，研究发现，与常温常压条件相比，高压力和中等温度（150 bar/50°C）条件下，阳离子树脂和阴离子树脂的吸附能力分别提高了2.4倍和2.6倍。这一显著提升意味着在高压力环境下，IX树脂能够更有效地去除冷却剂中的杂质，从而提高冷却剂的化学稳定性。然而，当温度进一步升高至70°C时，阳离子树脂的吸附能力有所增强，达到150 bar/50°C条件下的1.2倍，而阴离子树脂的吸附能力则下降了1.6倍。这一变化表明，温度对不同类型的IX树脂吸附性能的影响存在差异，阳离子树脂在高温下表现出更强的吸附能力，而阴离子树脂则在高温条件下性能下降。

研究还指出，阳离子树脂Cation-B和阴离子树脂Anion-A在高压力和高温条件下表现出最佳的吸附性能，成为i-SMR冷却剂净化系统的理想候选材料。Cation-B在150 bar/50°C条件下对Ni2?的吸附能力达到104.31 mg/g，对Cr3?的吸附能力为63.26 mg/g；而Anion-A在150 bar/50°C条件下对F?的吸附能力为73.4 mg/g，对SO?2?的吸附能力为105.1 mg/g。这些数据表明，Cation-B和Anion-A在高压力和中等温度条件下能够高效地去除冷却剂中的关键离子，从而确保反应堆运行的安全性和可靠性。

此外，研究还探讨了IX树脂在高温条件下的物理和化学稳定性。通过光学显微镜和扫描电子显微镜（SEM-EDS）对树脂在不同条件下的形态变化进行了分析，结果表明，在高压力和高温环境下，树脂的结构没有发生明显的破坏或变形。这表明，所选树脂在极端条件下仍能保持其物理完整性，为i-SMR冷却剂净化系统的长期运行提供了保障。同时，树脂的化学稳定性也得到了验证，其在高压力和高温条件下的吸附性能未出现显著下降，进一步证明了其适用于i-SMR环境的潜力。

i-SMR的冷却剂净化系统不仅需要高效的吸附能力，还必须具备良好的操作稳定性。实验结果表明，所选树脂在高压力和高温条件下均表现出优异的性能，能够满足i-SMR对冷却剂化学控制的严格要求。这一发现为i-SMR的冷却剂净化系统设计提供了重要的数据支持，同时也为未来在类似高温高压环境下的离子交换技术应用奠定了基础。

在核能领域，冷却剂的化学控制对于反应堆的安全运行至关重要。冷却剂中的杂质，如腐蚀产物和裂变产物，不仅会影响反应堆的热工性能，还可能对一回路系统的材料造成腐蚀，进而影响反应堆的寿命和安全性。因此，开发适用于高压力和高温条件的高效冷却剂净化系统，是实现i-SMR商业化和大规模部署的关键环节。通过本次研究，研究人员不仅验证了IX树脂在这些极端条件下的可行性，还为未来相关技术的优化和改进提供了方向。

值得注意的是，尽管IX树脂在高压力和高温条件下表现出良好的性能，但其在不同离子吸附中的表现仍存在差异。例如，阳离子树脂在高温下的吸附能力提升，而阴离子树脂则有所下降。这种差异可能与树脂的化学结构、功能基团的类型以及冷却剂的组成有关。因此，在实际应用中，需要根据冷却剂的具体成分和运行条件，选择最合适的树脂类型。此外，实验中所使用的树脂均经过严格的筛选，以确保其在核级环境下的安全性和可靠性。这种筛选过程不仅考虑了树脂的吸附能力，还评估了其在长期运行中的耐久性。

研究还指出，IX树脂的耐温性与其聚合物基质、功能基团的类型以及接触介质的性质密切相关。例如，强碱性阴离子交换树脂在OH?形式下通常推荐的操作温度不超过40–60°C，因为OH?离子可能会催化脱氨基反应，从而影响树脂的稳定性。然而，在本次实验中，阴离子树脂Anion-A在150 bar/70°C条件下仍能保持较高的吸附能力，这表明其在高温条件下的性能可能优于传统阴离子树脂。这一发现为未来开发适用于更高温度的阴离子交换树脂提供了新的思路。

从技术角度来看，i-SMR的冷却剂净化系统需要在高压力和高温条件下实现高效、稳定的运行。传统的冷却剂净化系统通常需要较大的设备空间，这在i-SMR的紧凑设计中是不可行的。因此，研究团队提出了一种新型的模块化冷却剂净化系统（Modular Makeup Purification System, MMPS），该系统通过去除传统的压力释放阀等大型部件，实现了冷却剂净化过程的简化和紧凑化。这种设计不仅减少了系统的体积，还提高了其运行效率，为i-SMR的广泛应用提供了技术支持。

在实际应用中，冷却剂净化系统的性能直接影响反应堆的安全性和经济性。因此，选择合适的IX树脂对于实现冷却剂的高效净化至关重要。本次研究通过实验验证了Cation-B和Anion-A在高压力和高温条件下的优异性能，为i-SMR的冷却剂净化系统设计提供了重要的数据支持。此外，研究还表明，IX树脂在高压力条件下的吸附能力显著提升，这为未来在类似高压力环境下的离子交换技术应用提供了参考。

总体而言，本研究为i-SMR冷却剂净化系统的设计和优化提供了重要的科学依据。通过实验验证，研究人员确认了IX树脂在高压力和高温条件下的可行性，同时筛选出了性能最佳的树脂类型。这些结果不仅有助于提高i-SMR的运行效率和安全性，还为未来在高温高压环境下离子交换技术的应用奠定了基础。随着核能技术的不断发展，类似的研究将为实现更高效、更安全的核能系统提供持续的技术支持。