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.