The Boron Thermal Regeneration System (BTRS) is capable of controlling boron concentration in primary coolant and reducing the amount of liquid waste at the end of fuel cycle in a pressurized water reactor, but the system has not been in effective operation yet because of the lack of detailed information regarding the boron adsorption characteristics of the ion exchange resin packed in the demineralizers of BTRS.
In this study, the adsorption characteristics of boric acid on a strong-base anion exchange resin, an Amberlite IRN-78LC resin in $OH^-$ form, were investigated at temperature from 10℃ to 60℃ in the concentrations of boron up to 1500 ppm covering the BTRS operational conditions.
A computer code was developed to calculate the composition of borate ions in solution as a function of boron concentration, temperature and pH. From the calculated composition of borate ions and experimental data of adsorption equilibrium, the model was proposed for the adsorption isotherm of boric acid on the resin. The diffusion coefficient of the boric acid in the resin was calculated by the particle diffusion model and found that the temperature dependency of the coefficient follows an Arrhenius equation.
The results in this study can be applied for the optimum operation of BTRS.
경수로의 붕소열재생계통 (Boron Thermal Regeneration System, BTRS) 은 일차냉각재중의 붕소를 이온교환반응에 의해 흡탈착시키므로서, 노심반응도를 미세하게 제어하는 동시에 핵연료주기말의 액체폐기물량과 이로 인한 붕소회수계통의 부하를 감소시킬 수 있는 기능을 지니고 있으나, BTRS 의 이온교환수지탑에 충전되어 있는 강염기성 음이온교환수지의 붕산흡착 특성에 관한 자료가 많지 않아 효율적으로 운전되지 못하고 있는 실정이다.
그러므로 본 연구에서는 BTRS 의 최적운전에 필요한 공정특성을 도출하기 위하여, BTRS 운전온도 (10$^\circ$C 및 60$^\circ$C)와 일차냉각재중의 붕소농도 변화(0 - 1500ppm)를 고려하여 붕소농도 0 - 1500 ppm 범위 및 온도 10 - 60$^\circ$C 범위에서의 강염기성 음이온 교환수지 (Amberlite IRN-78 LC, $OH^-$ 형) 에 대한 붕산의 흡착특성을 연구하였다.
붕산은 물에 녹아 여러가지 다중붕산이온이 생성되는데 수용액상의 다중붕산이온의 조성을 전산프로그램에 의해 계산한 결과, 온도가 낮을수록 그리고 붕소농도가 높을수록 붕소원자수가 많은 다중붕산이온이 생성됨을 확인하였다. 또 붕소농도 100 ppm 이하에서는 단붕산이온만 존재함을 알 수 있었다.
수용액상 붕소농도, C 에 따른 수지의 붕산흡착량, q는 수지의 총 이온교환능, $q^\infty$ 에 대하여
$q=q^\infty[K_L{C}/(1 + K_L{C}) + K_c{C} + K_o ]$
로 제시되었으며 각 온도에 대한 절대흡착계수 $K_o$ 와 Langmuir 흡착계수 $K_L$ 및 다중붕산화계수 $K_C$ 값을 구하였고, 그 물리적 해석을 하였다. 위 식에 의해 수지의 붕산흡착량은, 온도가 낮을수록 그리고 붕소농도가 높을수록 증가함을 알 수 있었다.
수지의 붕산흡착 속도는 10분 이내에 흡착평형량의 80% 에 도달하였으며 수지내 확산모델에 의해 수지내에서의 붕산의 확산계수를 계산한 결과 $8.25\times10^{-7}/cm^2/\sec$ - $6.64\times10^{-8}cm^2/\sec$ 이었다. 이 수치는 용액상의 확산계수보다 100 - 1000 배 낮은 값을 나타내고 있는 데 수지에서의 확산계수는 용액상의 확산계수보다 훨씬 낮다는 일반적 사실과 잘 일치한다. 온도에 따른 확산계수는 아래의 Arrhenius 식
$D = D_o \exp( -E/RT )$,
과 잘 일치하였으며 확산계수, $D_o$ 와 활성화에너지, E 는 각각 $0.213 cm^2/\sec$, 8.36 Kcal/mole 로 구해졌다.
본 연구를 통해 얻어진 결과는 BTRS 최적운전 조건확립의 기본자료로 잘 활용될 수 있을 것이다.
