طرح شماتیک از مقطع فرضی یک رآکتور پلاگ

رآکتورهای پلاگ  گونه‌ای از رآکتورهای پیوسته هستند که در آن‌ها به جای یک مخزن یا تانک، از یک لوله برای انجام واکنش استفاده می‌شود. این نوع رآکتورها نسبت به شکل مخزنی آن، فضای کمتری اشغال می‌کنند. در عین حال به دلیل ساختار لوله‌ای، سطح تماس بیشتری با محیط اطراف داشته و تبادل گرما راحت تر انجام می‌شود جریان پلاگ گونه‌ای از جریان سیال در داخل لوله است که در آن سرعت حرکت سیال در نزدیکی دیواره لوله و در مرکز لوله یکنواخت است. این امر موجب می‌شود مواد واکنش دهنده به طور یکنواخت با یکدیگر تماس یافته و واکنش انجام شود. این نوع از جریان با لوله‌های بلند و باریک ایجاد می‌شود. همچنین مارپیچ کردن لوله نیز می‌تواند به این امر کمک کند. معادله عمومی رآکتورهای پلاگ به صورت زیر تعریف می‌شود:

داخل یک نوع رآکتور سی اس تی آر که در آن همزن و شفت آن به همراه بافل‌ها(پایین تصویر) دیده می‌شوند

رآکتورهای مخزنی با همزن که به اختصار رآکتورهای سی اس تی آر نیز شناخته می‌شوند. این رآکتورها به صورت مخازنی همراه با ورودی‌ها و خروجی‌ها هستند که عمل اختلاط و همزدن مواد توسط شفت و پروانه صورت می‌گیرد. این نوع رآکتورهای پیوسته در مقایسه با رآکتورهای پلاگ حجم بیشتری نیاز دارند اما حجم تولید در آن‌ها بالاتر است. معادله عمومی رآکتور برای این نوع از رآکتور بر حسب غلظت به صورت زیر تعریف می‌شود:

در این معادله، نشان دهنده حجم رآکتور سی اس تی آر است. باید توجه داشت که در این زابطه، سرعت معادله در نقطه پایانی واکنش محاسبه می‌شود.

زمان اقامت در این نوع رآکتور نیز مشابه راکتور پلاگ به صورت زیر قابل تعریف است:

رآکتورهای ثابت بستر و سیال بستر

نوشتار اصلی: رآکتور بستر شناور

گونه دیگری از رآکتورها، رآکتورهای ثابت بستر و سیال بستر هستند. در رآکتورهای ثابت بستر ماده جامد که معمولاً کاتالیست می‌باشد، به طور ثابت داخل رآکتور قرار دارد و مواد واکنش دهنده پس از عبور از روی این مواد، واکنش داده و از رآکتور خارج می‌شوند.رآکتورهای آکنده نمونه‌ای از این نوع رآکتورها هستند. نمونه‌ای از کاربرد این نوع رآکتورها برای تصفیه گازهای خروجی از نیروگاه‌های سوخت فسیلی است. در این نوع نیروگاه‌ها، پس از فرآیند احتراق، گازهای حاوی ترکیبات مضر نیتروژن از داخل رآکتور حاوی کاتالیست عبور می‌کند تا ترکیبات مضر آن به مواد کم خطر تر تبدیل شوند. در رآکتورهای سیال بستر مواد جامد با جریانی از سیال در داخل رآکتور به صورت معلق در می‌آیند. این مواد جامد می‌توانند واکنش دهنده‌ها، کاتالیستها و یا بازدارنده‌ها باشند. این فرآیند موجب افزایش انتقال جرم و حرارت در رآکتور و اختلاط کامل تر اجزا می‌شود. از دیگر مزایای این نوع رآکتور امکان خارج کردن جامد از رآکتور به صورت پیوسته و انتقال به واحد دیگر است. به عنوان نمونه هنگامی که احیا دوباره بازدارنده‌ها و کاتالیست‌ها نیاز باشد، می‌توان آن‌ها را به این ترتیب از رآکتور خارج و به واحد بازیابی منتقل کرد.

رآکتورهای آب سنگین و آب سبک

نوشتار اصلی: راکتور آب سبک

راکتورهای آب سبک با آب معمولی (آب سبک) کار می‌کنند هیدورژن آب معمولی از یک پروتون تشکیل شده‌است اما در هیدروژن آب سنگین یک پروتون و یک نوترون وجود دارد برای رآکتورهای آب سبک به اورانیوم غنی‌شده نیاز داریم اما در رآکتور آب‌سنگین از اورانیوم معمولی می‌شود استفاده کرد به این ترتیب در عمل استفاده از رآکتور آب سنگین نتیجه‌ای شبیه به غنی‌سازی اورانیوم خواهد داشت.

معرفی انواع راکتورها و کاربرد آن

رآکتور شیمیایی دستگاهی است که در آن واکنش یا واکنش های شیمیایی نظیر تبدیل، ترکیب یا تجزیه به منظور تولید مواد مورد نظر انجام می شود.طبق قرارداد دستگاهی که در آن واکنش سوختن به منظور تولید انرژی انجام می شود، رآکتور نیست.

در یک واحد صنایع شیمیایی مواد خام ابتدا از یک رشته فرآیندهای تغییر فیزیکی اولیه از قبیل جداسازی، مخلوط کردن و … عبور می کنند تا آماده ورود به مرحله بعدی یعنی تغییرات شیمیایی شوند. در این مرحله به کمک رآکتور یا راکتورهای مناسب واکنش های شیمیایی مورد نظر انجام و محصول تهیه می شود. به دلیل انجام بعضی از واکنش های ناخواسته یا وجود مقداری از مواد خام که در رآکتور فرصت انجام واکنش نداشته و همراه محصول از رآکتور خارج شده اند، این محصول غالبا قابل عرضه به بازار نمی باشد و لازم است عملیات فیزیکی نهایی از قبیل جداسازی، خالص سازی و… بروی آن انجام شود. در صنایع شیمیایی، آن بخش از عملیات شیمیایی که در رآکتورها صورت می گیرد مهمترین و حساس ترین عملیات کارخانه محسوب می گردد.



« تقسیم بندی رآکتورها»

براساس دیدگاه های متفاوت، تقسیم بندی های متنوعی برای رآکتورهای شیمیایی انجام شده است. یکی از مهمترین مشخصه های واکنش های شیمیایی تعداد و نوع فازهایی است که واکنش در آن صورت می گیرد. بر این مبنا می توان رآکتورهای شیمیایی را نیز تقسیم بندی نمود. این تقسیم بندی در زیر آمده است:

۱) رآکتورهای تک فازی:

در این رآکتورها واکنش در فاز گاز یا در فاز مایع انجام می شود

۲) رآکتورهای چند فازی:

در این رآکتورها واکنش میان فازهای گاز و مایع یا میان دو فاز مایع یا میان فازهای سیال و جامد انجام می شود

- تقسیم بندی دیگر رآکتورها براساس نوع عملیات آن ها است. این تقسیم بندی به شکل زیر است:

۱) رآکتورهای ناپیوسته(Batch Reactors):

مثل رآکتور تولید پلی کلرید وینیل(PVC) از طریق پلیمر کردن کلرید وینیل

۲) رآکتورهای پیوسته یا جریان پایدار(Continuous or Steady Flow Reactors):

مثل رآکتور تولید آمونیاک از طریق واکنش میان گازهای هیدروژن و نیتروژن

۳) رآکتورهای نیمه پیوسته(Semi Batch Reactors):

مثل رآکتور هیدروژن دار کردن روغن مایع به منظور اشباع آن و تولید روغن جامد





راکتورهای ناپیوسته :

در این رآکتورها مواد اولیه به مقدار معین وارد رآکتور می شود، در زمان مشخص واکنش انجام می گیرد و سپس محصول از راکتور خارج می شود. بدین ترتیب یک دوره کار که شامل بارگیری، انجام واکنش و تخلیه است پایان می پذیرد و راکتور برای انجام واکنش در دوره بعد پاکسازی و آماده می شود.

این نوع راکتورها نسبتا ساده هستند و احتیاج به وسایل کمکی و سیستم های کنترل کمتری دارند. در صنعت از این نوع راکتورها برای انجام واکنش های کند، که احتیاج به زمان اقامت زیادی دارند، استفاده می شود. مدت اقامت واکنش دهنده ها در داخل راکتور، که طی آن واکنش گرها فرصت انجام واکنش پیدا می کنند، زمان اقامت گویند.



رآکتورهای پیوسته :

در این نوع راکتورها، مواد اولیه به طور دایم وارد راکتور می شود و پس ار انجام واکنش محصول، پیوسته از راکتور خارج می شود. این گونه راکتورها هنگامی در صنعت استفاده می شوند که هدف تولید مقدار زیادی محصول باشد در ضمن راکتورهای پیوسته برای انجام واکنش های سریع مناسب تر می باشند.

این نوع رآکتورها نیاز به سیستم های دقیق و متنوعی دارند. از این راکتورها در بسیاری از صنایع شیمیایی، به خصوص صنایع نفت،گاز و پتروشیمی استفاده می شود.



رآکتورهای نیمه پیوسته :

این نوع راکتورها دارای انواع متنوعی هستند. در نوع متداول آن یکی از مواد اولیه ابتدا در داخل راکتور بارگیری و سپس به تدریج ماده یا مواد اولیه دیگر به آن اضافه می شود. در نوع دیگر مواد اولیه به طور هم زمان وارد راکتور می شود ولی تا پایان واکنش هیچ ماده ای از راکتور خارج نمی شود. نوع دیگری از آن وجود دارد که یکی از مواد اولیه در داخل راکتور بارگیری شده است و ماده دیگر به تدریج به آن اضافه می گردد و همزمان با آن محصول نیز از راکتور خارج می شود.

راکتورهای حرارت بالا(High converter Reactor):

راکتورهای آب سبک و سایر راکتورهای حرارتی عملاً برای تولید انرژی فقط ۲۳۵U را که به مقدار محدود در سوخت هسته ای موجود است، مصرف می کنند و قسمت اعظم سوخت که از ۲۳۸U تشکیل شده در آنها بلا استفاده باقی می ماند. در سیستمی که فقط بر مبنای استفاده از نیروگاه های آب سبک بنا شده در درازمدت کمبودهایی در زمینه ی تأمین سوخت پدید می آید. بنابراین به منظور استفاده ی بهینه از ذخایر اورانیوم، راکتورهای پیشرفته تکامل یافته است.
نمودار زیر میزان مصرف اورانیوم را نسبت به مقدار تبدیل به پلوتونیوم نشان می دهد.
میزان تبدیل اورانیوم به پلوتونیوم در راکتورهای امروزی آب سبک حدود ۶/۰ درصد است که مطابق با مصرف فقط ۱ درصد اورانیوم است. تصویر فوق اهمیت راکتورهای سریع زایا را مشخص کند که مصرف اورانیوم را تا حدود ۶۰ دردص امکان پذیر کنند. ضمناً معلوم می شود که با میزان تبدیل ۹/۰ درصد توسط راکتورهای HCR (مبدل های بالا)، مقدار مصرف اورانیوم در مقایسه با راکتورهای امروزی آب سبک، بسیار بیشتر است. بنابراین بحث مختصری در مورد این گونه راکتورهای پیشرفته خواهیم داشت.

راکتورهای حرارت بالا، منبع انرژی قابل استفاده همه کاره برای تولید برق و گرما هستند در حال حاضر HTR بیشتر در جهت تولید برق به کار می رود. ولی این یک هدف درازمدت است که از حرارت ایجاد شده، که در این نوع راکتور تا ۹۵۰ درجه سانتیگراد هم می رسد، بتوانند در تکنولوژی تولید منابع ثانویه انرژی، که قابل ذخیره و حمل است، استفاده کنند؛ برای مثال با استفاده از ذغال سنگ، گاز مصنوعی، گاز طبیعی و هیدروژن تهیه کنند.
راکتور حرارت بالا رآکتور حرارتی است. این راکتور با گرافیت کند و با هلیوم خنک می شود. در این نوع راکتور گرمای زیاد، گاز خنک کننده تولید می کنند. و نتیجه راندمان حرارتی ۴۰ درصد امکان پذیر می شود.
راکتورهای آب تحت فشار با ضریب تبدیل بالا:

ضمن استفاده از تکنولوژی پیشرفته راکتورهای آب سبک تحت فشار، فقط با تعویض قلب راکتور به راکتورهای پیشرفته آب سبک تحت فشار (APWR) می توانیم به بالا بردن درصد تبدیل ۹/۰ دست یابیم. یک چنین راکتوری می تواند تا تکامل راکتورهای سریع زایا و ساخت آنها به صورت سری، پلوتونیوم تولید شده را مورد استفاده قرار دهد، بدون اینکه مقدار بسیار زیاد آن را اصراف کند، ترکیبی از راکتورهای آب سبک، راکتورهای با ضریب تبدیل بالا و رآکتورهایی سریع زایا بهترین وضعیت بهینه برای چرخه ی سوخت u/pu (اورانیوم – پلوتونیوم) است و در آینده تأثیر مهمی در استفاده از انرژی خواهد داشت.
راکتورهای سریع زایا (FBR) (راکتورهای زاینده):

راکتورهای سریع زایا برخلاف راکتورهای حرارتی، کند کننده ندارند؛ زیرا آنها نوترون ها نیازی به کند شدن ندارند و عمل شکافت در طیف وسیع نوترون انجام می پذیرد.
به علت سطح مقطع مؤثر شکافت نسبتاً کم در طیف نوترونی سریع، راکتورهای سریع زایا به غلظت نسبتاً بالای پلوتونیوم ۲۳۹ احتیاج دارند. در این راکتورها از یک ماده با خاصیت خوب تبادل حرارتی و خاصیت جذب نوترون به عنوان خنک کننده استفاده می شود که در این رابطه سدیم مایع (Na) بسیار مناسب است. فلز سدیم دارای نقطه ذوبی حدود ۱۰۰ درجه ی سانتیگراد و نقطه جوشی معادل ۹۰۰ درجه ی سانتیگراد است. بنابراین می توان به وسیله ی حرارت آن را در فشارهای پایین مبادله کرد. یکی از خاصیت هایی که این فلز داراست، میل ترکیبی شدید با آب است. به همین دلیل در این راکتورها از سه سیکل برای خنک کردن استفاده می کنند. در سیکل اول برای جلوگیری از واکنش با بخار آب در هوا، سطوح آزاد سدیم را همواره تحت پوشش گاز ازت یا آرگون قرار می دهند. این عمل در طی سه چرخه انجام می گیرد.

پس از سیکل دوباره به سیکل دیگری از سدیم وصل خواهد شد و در نهایت در سیکل سوم (آب – بخار) وصل خواهد شد.
سه سیکل، مدار اولیه، مدار ثانویه و سیکل آب – بخار از قسمت های مجزا تشکیل شده اند و به طور سری به یکدیگر وصل می شوند. برای جلوگیری از نشست مواد رادیواکتیو از سیکل اول به سیکل دوم، سیکل ثانوی فشار بالاتری نسبت سیکل اولی دارد. قلب این رآکتورها از میله های سوختی که ترکیبی از اورانیوم، پلوتونیوم و پوششی زاینده از اورانیوم طبیعی یا اورانیوم ناشی از راکتورهای آب سبک احاطه شده است (اورانیوم رقیق شده) و ماده زاینده به صورت قرص هایی در غلاف های فولادی قرار دارد که در وضعیت تنگاتنگ شش ضلعی به صورت مجتمع های سوخت درآمده است.
یکی از مزایای این نوع راکتور نسبت به راکتروهای دیگر این است که در راکتورهای آب سبک از اورانیوم ۲۳۵ به عنوان سوخت استفاده می شود که همان طور که قبلاً گفته شده این نوع اورانیوم به میزان ۷/۰ درصد در طبیعت وجود دارد و با توجه به کمبود آن در طبیعت این نوع سوخت فقط تا چند قرن کفایت خواهد کرد. در صورتی که در راکتورهای سریع زایا اورانیوم ۲۳۸ طبیعی و غیرشکافت به پلوتونیوم تبدیل می شود که می تواند انرژی هسته ای را برای هزاران سال تهیه کند.
راکتور خنک شونده گازی:

راکتورهای خنک شونده گازی در کشورهای انگلیس، فرانسه و آمریکا مورد استقبال بیشتری قرار گرفته اند. در این نوع راکتور اصولاً از اورانیوم غنی شده به عنوان سوخت و از گاز Co2 به عنوان خنک کننده استفاده می شود. در آمریکا برای خنک کردن این نوع راکتور از هلیوم و در فرانسه و انگلستان از گرافیت استفاده می شود. سیال گازی در این راکتورها، پس از عبور از قلب راکتور براساس قوانین ترمودینامیکی تبادل گرمایی صورت می دهد و گرم می شود و حرات منتقل می کند. سپس بخارهای تولید شده برای تولید برق به توربین ها هدایت می شود. این نوع راکتورها همانند راکتورهای قبلی هم دارای مزایایی است و هم دارای معایبی. از جمله مزایای آن می توان سهولت کار و ایمنی سطح مقطع مؤثر ماکروسکوپی پایین برای نوترون، ارزانی و فراوانی (بجز هلیوم) و قابلیت کار کردن در حرارت های بالا نام برد. از معایب آن نیز می توان به انتقال حرارت پایین و مسأله ی خواص انتقال حرارتی گازها، که مستلزم سطوح زیاد تماس و جریان عبور بالا در راکتور و مبدل های حرارتی است و همچنین نیاز به پمپاژ بالا که بین ۸ تا ۱۰ درصد ظرفیت نیروگاه را بالغ می شود، اشاره کرد.

راکتورهای تحقیقاتی هسته ای

رایج ترین نوع راکتور

در سوخت این راکتور ها از اورانیم غنی شده استفاده می شود که این سوخت در بین صفحات فلزی قرار گرفته و با آب خنک می شود؛راکتورها با این مشخصات،بر مبنای دامنه وسیعی از توان گرمایی،از چند کیلو وات تا صدها مگا وات،میتوانند کار کنند. این نوع راکتورها از راکتور های قدرت و یا آن دسته که در کشتی ها بکار می روند بسیار کوچکتر هستند و بسیاری از آنها در دانشکده ها فعال هستند.

هدف ابتدایی اولیه راکتور های تحقیقاتی تهیه چشمه نوترون برای تحقیق و دیگر مقاصد است.بالا ترین قدرت برای یک راکتور تحقیقاتی معمولاً تا MV100 است.این دسته از راکتورها در دماهای پایین تری کار میکنند،به سوخت کمتری نیاز دارند و متعاقباً با این مصرف سوخت پایین،محصولات شکافت کمتری نیز به وجود می آورند.از طرف دیگر سوخت آنها میزان غنای بالا تری را می طلبد که معمولاً (اورانیم-235) با درجه غنای 20% است.

در این گونه راکتورها،مثل راکتور قدرت،قلب راکتور نیاز به خنک کننده دارد ومعمولاً باید از یک کند کننده برای کاهش سرعت نوترون ها  و نیز افزایش واکنش های شکافت استفاده شود.

آرایش به کار رغته در طراحی راکتورهای تحقیقاتی بسیار وسیع تر و متنوع تر از راکتورهای قدرت است و حالات کارکرد و بهره برداری متفاوتی دارند به عنوان مثال به صورت مداوم یا پالسی.

موارد استفاده راکتور های تحقیقاتی:

1تحقیقات و آموزش

2آزمایش مواد با کاربردهای ویژه

3تولید رادیو ایزوتوپ برای کاربرد های مختلف در پزشکی،صنعت و کشاورزی

4اهداف نظامی

5 استفاده های چند منظوره

انواع راکتور های تحقیقاتی:

1راکتورهای استخری

2 راکتورهای  تانکی

3راکتور تریگا

4راکتور آب سنگین

5 راکتورهای تحقیقاتی ((زاینده سریع))

راکتورهای استخری:

یکی از مرسوم ترین راکتور ها، راکتور نوع استخری است که قلب آن را دسته ای از عناصر سوختی تشکیل می دهند و در زیر استخر بزرگی از آب قرار دارد. در میان عناصر سوختی میله های کنترل قرار دارد و همچنین کانال هایی خالی برای مواد آزمایشی تعبیه شده است. هر عنصر سوخت دارای تعداد زیادی صفحات سوخت با غلاف آلومینیومی است که در جعبه ای عمودی قرار دارد.آب وظیفه خنک کنندگی و نیز کند کنندگی را در راکتور به عهده دارد و از گرافیت و برلیم به عنوان باز تابنده استفاده می شود. برای دستیابی به پرتوهای نوترون منفذ هایی در دیواره استخر تعبیه شده است.

راکتورهای تحقیقاتی تانکی:

استفاده از این نوع راکتورآسان تر است، زیرا کنترل عبور آب پمپاژ شده در این سیستم آسان تر است،البته در راکتور های با توان پایین که مخصوص آموزش هستند نیز ممکن است تانکی باشند. طرز قرار گرفتن قلب و باز تابنده راکتور در نوع تانکی با سوخت ورقه ای، همانند سیستم های نوع استخری است و متغیر های یکسانی نیز دارند با این تفاوت که در آن به جای محافظ آب از بتن جامد بدور قسمتهایی از آن بهره گرفته می شود.

راکتور تحقیقاتی تریگا:

راکتور تریگا نوع دیگری است که تا کنون 40واحد از آن در نقاط مختلف جهان مورد استفاده قرار گرفته است. قلب آن شامل 60 الی 100 عنصر سوختی استوانه ای با قطرmm36  و غلاف آلومینیمی و حاوی ترکیبی از سوخت اورانیم و هیدرید زیر کونیم (به عنوان کند کننده) می باشد.

قلب این راکتور در استخر آب قرار دارد و معمولاً از گرافیت و برلیم  به عنوان باز تابنده استفاده می کنند.این نوع راکتور در ایمنی کامل و در کسر کوچکی از ثانیه میتواند به درجات بالای قدرت برسد.سوخت راکتور تریگا به آن، ضریب حرارتی منفی بالایی عرضه می دارد و افزایش سریع قدرت آن هم به وسیله اثر فعالیت منفی ناشی از هیدرید کند کننده به سرعت متوقف می شود.

راکتور تحقیقاتی  آب سنگین :

نوع دیگری از راکتور تحقیقاتی است که نوترون ها به وسیله آب سنگین یا گرافیت، کند می شوند.

 راکتور تحقیقاتی  همگن:

این نوع راکتور ها دارای قلبی شامل نمک های حل شده اورانیم به صورت مایع درون تانکری با قطر mm 300، هستند.طرح های اولیه پایلوت استفاده از آنها را رایج ساخت و لیکن امروزه 5 واحد از این راکتور ها در حال کارند

راکتور تحقیقاتی ((زاینده سریع)):

راکتور زاینده سریع BFS،دارای دها هزار دیسک یا صفحه سوختی شامل پلوتونیم و اورانیم بسیار غنی شده، با کاربرد های نظامی می باشد