"الهندسة خلف هيكل احتواء "فوكوشيما و فعاليتهم

"الهندسة خلف هيكل احتواء "فوكوشيما و فعاليتهم

وفي 11 آذار/مارس 2011، أصابت محطة الطاقة النووية في اليابان، التي تولدت عنها موجة من الهزات التي بلغت مساحتها 9 ملايين وكارثة، مما أدى إلى حدوث انكماشات أساسية في ثلاثة مفاعلات، وأهم عملية إطلاق للمواد المشعة منذ تشيرنوبيل، وفشلت نظم التبريد في حالات الطوارئ ولحقت أضرارا جسيمة بالوقود، ومع ذلك، فإن هياكل الاحتواء المحيطة بكل وحدة كانت الحاجز المصمم في نهاية المطاف ضد التشتت في منتجات الإنشطة.

دور الاحتواء في مفاعلات المياه النقية

ويعتمد كل مفاعل نووي تجاري على مستويات متعددة من الدفاع لحماية الجمهور والبيئة من الإطلاق الإشعاعي، وفي غسيل مفاعلات المياه (BWRs) مثل تلك الموجودة في وحدات فوكوشيما دايتشي 1-4، توجد ثلاث حواجز أساسية: تصفيق الوقود، وسفن الضغط على المفاعل، والاحتواء الأولي، وهو الحاجز الذي يُصمم في معظمه لتحمل حمولات خارجية من الزلازل.

وقد كان احتواء " جي مارك إي " ، الذي تم نشره في فوكوشيما، أحد أوائل تصميمات الاحتواء الموحدة بالنسبة للمركبات العضوية الثابتة، التي استخدمت لأول مرة في الستينات، واستخدمت مفهوماً لقمع الضغط: فالبخار الذي تم إطلاقه من سفينة المفاعل يتجه إلى مجمع للقمع يملأه الماء، حيث يتجمع ويقلل الضغط، وكان هذا التصميم متماسكاً وفعالاً من حيث التكلفة، مما أتاح لبصمة بناء أصغر مقارنة بالضبة كبيرة من حيث الطبقة المائية المستخدمة في المدمجة.

مبادئ الفلسفة والهيكل الأساسي

وقد تم تصميم احتواء العلامة الأولى حول ثلاثة أهداف أساسية: احتواء المواد المشعة خلال أي حادث من حوادث التصميم، مع تحمل الضغط الداخلي ودرجات الحرارة دون تمزق، والحماية من المخاطر الخارجية، ودمج المهندسين عناصر صلبة من الصلب الخرساني والكربوني جرى ترتيبها في قذائف محروقة لتحقيق هذه الأهداف.

مقاومة القوة والسوق

وخرفة الاحتواء هي وعاء ضغط فولاذي يتكون من مصباح خفيف - وعاء جاف مسيل للسيارات مجهز برأس نصفي متصل بغطاء متحرك - وهى تستخدم في تركيبة مطاطية مثبتة على شكل صمامات ممزقة، وتراوحت سميك الجدار الجاف بين 25 و30 ميلا من الفولاذ الكربوني العالي الارت، مصممة لمواجهة ضغط داخلي يتراوح بين 4.0 و175 درجة مئوية.

وكانت المقاومة السيزمية جزءا لا يتجزأ من البداية، وتستند الاحتواء كله إلى قاعدة صلبة ضخمة مثبتة على أساس حجر الأساس، وقد أدى التحليل الديناميكي إلى نماذج للحركات الأرضية من الزلازل التاريخية، ولكن زلزال توهوكو لعام 2011 أدى إلى ارتفاع مستويات التسارع في حدود الأساس الأصلي للتصميم في بعض الوحدات - مما يدل على أن المعايير الزلزالية القديمة غير كافية للأحداث البالغة النادرة والتي يمكن التنبؤ بها.

قمع الضغط وطول الضوضاء

ويتحقق اختراق الشحن الجوي من خلال انخفاض لوحات الصلب المبللة، والاختراقات التي تُستخدم في ختم ميكانيكي مزدوج، وأبواب مقفلة مصممة خصيصا، كما أن أكثر من ٢٠٠ عملية تغلغل - في السقوط، والكابلات الكهربائية، والآلات - يجب أن تُغلق وتختبر بصورة فردية، وترصد الاحتواء باستمرار عند التسرب أثناء التشغيل؛ وتُحدد التسربات في أقل من 0.5 في المائة من الضغط الذي يحتوي عليه في اليوم.

Reundancy Layers

وفيما عدا احتواء الفولاذ الأولي، شمل تصميم فوكوشيما احتواء ثانوي: بناء المفاعل نفسه، وهو هيكل معزز ومزود بالتهوية والاختلاس المراقبين، وفي حين أنه لم يكن مصمما كحد أقصى للضغط، فإنه يوفر حاجزا إضافيا ضد تشتتت أي تسرب، وهذا المفهوم المتعدد الطوابق - وهو تصفيق الوقود، وسفن المفاعلات، والاحتواء الأولي، والمبنى الثانوي - مما يشكل عائقا أمام درجة دفاعية، حتى لو كان يتوقع أن يُطلق من المفاعلين.

المكونات الهيكلية لبضائع الفوكوشيما

ويتألف الترتيب المادي لاحتواء فوكوشيما من عدة عناصر مترابطة، كل منها له وظيفة محددة:

• Drywell: A pear-shaped steel pressure vessel that houses the reactor pressure vessel. It captures any steam or radioactive material escaping from the reactor coolant system and channels it to the suppression pool. At Fukushima, the drywell diameter was approximately 18 meters, with a total altitude of around 30 meters.
• Suppression Chamber (Torus)]: A doughnut-shaped steel tank partially filled with water, located at the base of the drywell. Vent pipes connect the upper drywell to the suppression pool. During a loss-of-coolant accident, steam is forced through these pipes and condensed in the poolpass; The to suppress structural integrity there canpass.
• Vent Lines and Safety Relief Valves : لدى سفينة المفاعل صمامات للإغاثة في مجال السلامة تفرغ البخار في الجفاف أو مباشرة في مجمع القمع، وتوفر هذه الحماية المفرطة لسفينة المفاعل، وهي أول طريق للدخول إلى الاحتواء، وخلال الحادث، تسارعت وتيرة هذه الصمامات إلى زيادة الضغط.
• Containment Spray and Coling Systems : Spray headers in the drywell dome can distribute water to reduce temperature and pressure after an accident. This system depends on electrical power or alternative water injection sources. Its inoperability due to station blackout was a critical failure mode at Fukushima.
• Personnel and Equipment Airlocks : Heavy steel doors with inflatable seals allow access during maintenance. During an accident, these seals must remain intact; degradation at high temperatures contributed to leakage paths.
• Containment Isolves]: All piping penetrating containment is fitted with isolation valves that close automatically on high radiation or pressure signals. Some of these valves at Fukushima functioned as designed, but the lack of power and instrumentation prevented full verification of their status.

ما حدث خلال حادثة فوكوشيما: تحدي احتواء خطوة خطوة خطوة خطوة إلى الأمام

وقد أدى الزلزال إلى إغلاق المفاعل التلقائي في الوحدات 1 و 2 و 3 (كان الموقع 4 في مرحلة من مراحل الوقود) وفقد الطاقة في الموقع، وبدأت مولدات الديزل في حالات الطوارئ، ولكن موجات التسونامي غمرت مباني المولدات الكهربائية وتحولها إلى متغير، مما تسبب في انقطاع محطة الكهرباء لمدة طويلة، وبدون التبريد النشط، أدت حرارة التحلل في نوبات المفاعل إلى ارتفاع حرارة في الوقود، مما أدى في نهاية المطاف إلى تداعم مشتعلة، وتوليد الهيدروجين، ومراحل.

1. Initial steam release into the drywell]: As core water level dropped, safety relief valves lifted repeatedly, discharging steam and hydrogen into the drywell. Pressure rose steadily. At Unit 1, drywell pressure reached nearly 0.7 MPa (about 100 psi) within hours, far above the design pressure of 0.4 MPa.
2. Pressure suppress operation]: Steam condensed in the torus initially, but without cooling water circulation, the suppression pool temperature increased. At Unit 1, the pool reached boiling within hours. Once the pool boiled, its ability to condense steam diminished, and containment pressure rose more rapidly.
3. Containment overpressurization: بحلول صباح 12 آذار/مارس في الوحدة 1، تجاوزت ضغوط الجاذبية حدود التصميم، حيث بلغت تقريبا ضعف الضغط الأقصى المسموح به، وبدأت قذيفة الصلب تزيين الختم المشتعل حول التسرب، كما أن ضغط الاحتواء في الوحدتين 2 و3 تجاوز التصميم بحلول 14-15 آذار/مارس.
4. Intentional venting attempts]: pirators tried to vent the containment to the atmosphere through hardened vent lines to reduce pressure and prevent catastrophic rupture. However, vent valves required manual operation and reliable power; at Unit 1, the vent was not successfully opened until after pressure had already damageds.
5. Hydrogen explosions]: Hydrogen, generated from zirconium-steam reactions, accumulated in the upper parts of the reactor buildings (secondary containment). At Units 1, 3, and 4, this hydrogen ignited, causing massive explosions that destroyed the reactor building superstructures. These explosions did not directly rupture the disabled primary equipment
6. Containment leakage and breach]: في الوحدة 2، يحتمل أن تكون غرفة القمع قد عانت من فشل هيكلي أثناء حدث ضغطي مفرط في 15 آذار/مارس، مما أدى إلى إطلاق كبير مباشر للمواد المشعة، وفي الوحدتين 1 و3، ظلت وحدة الاحتواء الرئيسية معرضة للخطر بسبب تسريب الأختام واحتمال حدوث اختراقات في أرضية الجاف كما تفاعلت الخرسانة مع الخرسانة.

فعالية احتواء العلامة الأولى في ظروف آمنة

ولم تؤد احتواءات فوكوشيما أداء مثاليا، ولكنها أظهرت قدرة كبيرة على التكيف، ورغم الضغوط الهائلة، ودرجات الحرارة فوق 300 درجة مئوية في بعض النقاط، والتحديات المتعددة، فإن الاحتواءات الأولية في الوحدات 1 و 2 و 3 حال دون إطلاق فوري كارثي من نوع ما كان يمكن أن يتسبب فيه فشل سفينة الضغط المفاعلية وحدها، وظلت قذائف الصلب سليمة إلى حد كبير، مما أدى إلى إلحاق معظم منتجات الضغط التي تُحتفظ بها بعد الصدع والإصابة بأضرار.

غير أن عوامل لم يكن التصميم يتوقع تماما أن تؤدي وظيفة الاحتواء إلى تقويضها:

• Station blackout]: جميع نظم إزالة الحرارة الفعلية الاحتواء تعتمد على الطاقة الكهربائية، وعندما تستنفد البطاريات، لا توجد وسيلة لتبريد مجمع القمع أو رش الجفاف، وهذا الفشل الوحيد الذي يتراكم في الإكتواء.
• ]Underestimated hydrogen risk]: معدل توليد الهيدروجين من أكسيد الزركونيوم السريع تجاوز التوقعات، وتشير حسابات ما بعد الحوادث إلى أن أكثر من ٠٠٠ ١ كيلوغرام من الهيدروجين قد تم إنتاجه في كل وحدة - وهو أكثر بكثير من المبلغ الصغير الذي تم حسابه في تحليلات لفرضيات التصميم.
• Late venting failures]: The hardened vent system, intended as the ultimate pressure relief, proved unreliable under severe accident conditions.Operators were unable to open valves promptly because of high radiation, lack of power, and instrumentation issues. Pressure rose to dangerous levels. Even when venting succeeded, it discharged unfiltered radioactive gases.
• Seal degradation]: ارتفاع درجات الحرارة (أكثر من 200 درجة مئوية في الجفاف) وتغيرات الضغط تسببت في تدهور الفقمات والغازات في الخناق، وقد أدت هذه إلى حدوث مسارات تسرب مباشرة من الجفاف إلى مبنى المفاعلات، وتجاوزت مجمع القمع، وفي الوحدة 1، قدرت معدلات التسرب من خلال الفقمات بنسبة عدة في المائة من حجم الاحتواء.

ورغم هذه النقائص، فإن احتواء العلامة الأولى يحصر حوالي 99.9 في المائة من المخزون الأساسي من النويدات المشعة الأقل تقلبا مثل السيزيوم والسترونتيوم داخل قاعات بناء المفاعلات، وفقا للتحليلات التي أجريت بعد وقوع الحوادث، وقدر أن الإطلاق غير الموقعي للسيزيوم-137 كان يناهز 10 في المائة من المخزون الأساسي - وهو مبلغ كبير ولكنه أقل بكثير من الإطلاق من تشيرنوبيل، الذي لم يكن له احتواء قوي.

الدروس المستفادة وما بعد فوكوشيما

وفي أعقاب ذلك، أجرت الصناعة النووية عمليات تقييم هندسية شاملة، ونفذت الحكومات والمشغلون تحسينات شاملة في قوة نظام الاحتواء، مع التركيز على الأحداث التي تتجاوز مرحلة التصميم، ويمكن تجميع الدروس في عدة مجالات رئيسية:

الحماية الموثوقة من الضغط

وقد أبرزت صعوبة التهوية الحاجة إلى فتحات تهوية سلبية أو سهلة التشغيل تعمل حتى أثناء فقدان كامل للطاقة، كما أن المتطلبات الجديدة التي صدر بها تكليف بتركيب نظم تهوية ممزقة في العديد من محطات إعادة تصنيع الأسلحة البيولوجية في جميع أنحاء العالم، والتي تتضمن أجهزة تكييف ذات قدرة عالية - تستخدم أجهزة التنظيف المبللة، إلى جانب أجهزة فصلية مصففة تعمل باللوحات - لإزالة الجسيمات المشعة وتصريف باليود قبل عام 2020.

Hydrogen Management

وقد أدت الانفجارات إلى حفز العمل المكثف على مراقبة الغازات القابلة للاختراق، كما أن أجهزة إعادة الإمداد بالبطاقات الآلية أصبحت الآن واسعة النطاق داخل الاحتواء وفي مباني المفاعلات لتحويل الهيدروجين إلى بخار مائي دون حاجة إلى كهرباء، وتستخدم هذه الأجهزة حافزا - وهو عادة بالفلاديوم أو البلاتينيوم - لبدء عمليات إعادة التكدس في ظروف مميتة.

الترفية والفيضانات

وقد أدت إعادة تقييم مخاطر الزلازل وأمواج التسونامي إلى تعزيزات هيكلية كبيرة، وأضافت العديد من النباتات مؤخرات ملموسة لتعزيز قواعد الاحتواء، والمعدات المرسوسة بشكل أكثر أمنا، وركّبت حواجز فيضانات مثل جدران البحر التي تتجاوز تقديرات ارتفاع أمواج أمواج أمواج أمواج أمواج أمواج أمواج أمواج أمواج أمواج أمواج أمواج أمواج أمواج أمواج أمواج أمواج أمواج أمواج أمواج أمواج أمواج أمواج أمواج أمواج أمواج أمواج أمواج أمواج أمواج أمواج أمواج أمواج أمواج أمواج أمواج أمواج أمواج أمواج أمواج أمواج أمواج أمواج أمواج أمواج أمواج أمواج أمواج أمواج أمواج أمواج أمواج أمواج أمواج أمواج أمواج أمواج أمواج أمواج أمواج أمواج أمواج أمواج أمواج أموا

المبادئ التوجيهية لإدارة الحوادث ومعداتها

وقد وضع المشغلون استراتيجيات تفصيلية للحفاظ على سلامة الاحتواء أثناء انقطاع محطات محطات متنقلة ممتدة، ويشمل ذلك المضخات المحمولة التي كانت تُدار قبل ذلك، والمولدات الكهربائية، والخراطيم التي تُنقل مباشرة إلى داخل الجفاف والجزر، وقد تم تعزيز وصلات رذاذ العجلات التي يمكن أن تغذيها شاحنات إطفاء، وتم تحسين مؤشرات غرف التحكم في درجة حرارة الاحتواء، والضغط، ومستوى المياه، وذلك باستخدام أجهزة الاستشعار اللاسلكية التي لا تحمل على أساسها الحوادث.

تحسين الاختراق والأداء الطبيعي

وقد أدت بحوث المواد إلى اعتماد ختم معدني ذي درجة عالية من الحرارة وإلى تحسين مركبات الفلزات التي يمكن أن تحافظ على السلامة عند درجات الحرارة فوق 250 درجة مئوية. كما تم استعراض مفاهيم السائل قبل الكسر، كما تم التقليل إلى أدنى حد من عدد الخناق في تصميمات جديدة، حيث تم نقل التسرب الضيق إلى مناطق أقل تعرضاً للخطر.

Global Shifts in Containment Design Philosophy

وقد عجل حادث فوكوشيما بالتحول نحو السلامة السلبية في تصميمات المفاعلات الجديدة، واحتواءات الجيل الجديد، مثل تلك الموجودة في الـ 510، والـ BWR المبسطة اقتصاديا، و VVER-1200، بالاعتماد على عمليات جرد كبيرة للمياه داخل الاحتواء، والتبريد بواسطة الجاذبية، والتداول الطبيعي لإزالة حرارة الديق لمدة 72 ساعة على الأقل دون عمل مشغّل أو قوة AC.

على سبيل المثال، يحتوي احتواء الإي بي آر على نظام تبريد الاحتواء السلبي الذي يستخدم مجمعاً خارجياً يقع فوق مبنى الاحتواء، يحتوي البخار داخل خط الاحتواء على القبة، ويحتوي على سطح داخلي من سفينة احتواء الفولاذ، وينقل الحرارة إلى المجمع، الذي يتفاخر بدرجة كبيرة في الغلاف الجوي المُصَمَّد.

وفي المصانع القائمة، تجري الآن اختبارات شاملة لنزاهة الاحتواء في إطار سيناريوهات أوسع نطاقاً للحوادث، وقد تم تنقيح تقييمات المخاطر المحتملة لتبيان الأحداث التي تشكل تحدياً في الاحتواء بطرق لم ينظر فيها من قبل، بما في ذلك انقطاع المحطات، والحوادث المتعددة الوحدات، والفيضانات الناجمة عن الزلازل لمعدات الأمان، ونشرت وكالة الطاقة النووية التابعة لمنظمة التعاون والتنمية في الميدان الاقتصادي تقارير واسعة عن أداء الاحتواء في ظروف الحوادث الخطيرة، التي تستخدم كمرجع إلى تحديث الأنظمة الوطنية.

النظر إلى الرأس: مستقبل نظم الاحتواء النووي

ولم يثر فوكوشيما مفهوم الاحتواء؛ فقد أظهر ضرورة ذلك وكشف الثغرات في افتراضات التصميم بعد أن تعتبر شديدة، ويدرك المجتمع الهندسي الآن أن الاحتواء يجب ألا يصمد فقط في حمولات التصميم، بل أن يحتفظ أيضا بالفعالية الوظيفية خلال الأحداث التي تتجاوز تلك الحمولة بحافة كبيرة، ويستمر البحث في الاحتواء فوق الصمامات للمفاعلات المتقدمة، بما في ذلك المفاعلات ذات الإجهاد العالي التمر.

وقد اعتمدت الهيئات التنظيمية في جميع أنحاء العالم مبدأ " القضاء عمليا " على الاحتواء باعتباره وسيلة لإطلاق مبكر كبير، وتحتاج سياسة جمهورية كوريا الشعبية الديمقراطية المستكملة الآن إلى مرخّصين لإثبات أنه حتى أثناء حادث خطير، لن يؤدي فشل الاحتواء إلى إطلاق غير متكرر واسع النطاق، مما أدى إلى حدوث تغيرات في مواقع الاختراع والتصميم عبر الأسطول، وعلى سبيل المثال، فإن العديد من محطات BWR التي تستوفي قواعدها في الولايات المتحدة قد رفعت مستوى نظمها الجديدة)٢(.

إن تركة فوكوشيما هي نهج أكثر شمولاً في تصميم نظام الاحتواء والتحقق منه والتأهب لحالات الطوارئ، إذ أن [Fukushima Daiichi Accident report لا تزال تشكل مرجعاً تقنياً رئيسياً، كما أن ]NRC backgrounder يوثق التغييرات التنظيمية التي تليها.