استخدام الطائرات العمودية لتفتيش ورصد مواقع الحوادث النووية

وقد أظهرت الحوادث المأساوية التي وقعت في تشيرنوبيل في عام 1986 وفي عام 2011 في فوكوشيما دايتشي صعوبة هائلة في تفتيش ورصد مواقع الحوادث النووية، وهذه البيئات تجمع بين المناطق الشديدة الإشعاع، والانهيار الهيكلي، والغبار، والحطام، والحاجة المطلقة إلى التقليل إلى أدنى حد من تعرض الإنسان، وقد اعتمدت أفرقة الاستجابة على عقود على مركبات أرضية محمية بشدة، وعلى دخول محدودة المدة، وعلى دراسات جوية بدائية عن طائرات الهليكوبتر التي بلغت حدها مؤخراً.

تطور تقييم الموقع النووي بعد وقوع الكارثة

حدود الأساليب التقليدية البرية

وقبل أن تصبح الطائرات المسيرة صالحة، كانت الأدوات الرئيسية لتفتيش مرفق نووي متضررة مركبات أرضية مزودة بالزوارق )مجهزة في بعض الأحيان بدرع الرصاص( ودراسات استقصائية محدودة يدوية من جانب العمال الذين يرتدون معدات وأجهزة استنشاق كاملة للحماية، وكانت هذه الأساليب قد تعرضت لدرجات حرجة من الطرازات، ولم يكن بإمكان المركبات الأرضية أن تخترق مناطق الحطام، أو تتسلق السلالم المرتفعة، أو تفتش الأنابيب والسفن.

The Emergence of Unmanned Aerial Systems

وقد ظهرت طائرات بدون طيار صغيرة وصغيرة في الاستجابة للكوارث للاستطلاع العام، ولكن تم الاعتراف بسرعة بإمكاناتها في التطبيقات النووية، وبحلول منتصف عام 2010، بدأ الباحثون ووكالات الاستجابة تجريب مركبات غير مجهزة بأجهزة استشعار الإشعاع، والكاميرات الحرارية، والصور ذات القدرة العالية على الاستبانة، وكان الانجاز الرئيسي هو القدرة على نقل هذه المركبات مباشرة إلى مناطق عالية الإشعاع كانت في السابق غير محدودة التكلفة.

أهميات التفتيشات ذات القاعدة العقيمة

تعزيز السلامة والحد من الجرعات

وتتمثل أهم فوائد التفتيش القائم على الطائرات بدون طيار في الحد من التعرض للإشعاع البشري، ويمكن للطائرات العمودية أن تعمل في مناطق تتجاوز فيها معدلات الجرعات عدة سباعات في الساعة فتاكة على البشر دون أي خطر على الموظفين، مما يتيح للمستجيبين الحصول على بيانات أساسية من أشد المناطق خطورة، مثل مباني احتواء المفاعلات، أو مجمعات الوقود المستهلك، أو المناطق التي توزع فيها جسيمات ساخنة.

بيانات الزمن الحقيقي لاتخاذ قرار سريع

وتقوم الطائرات الآلية الحديثة بنقل بث فيديو مباشر وقراءات استشعار وبيانات قياسية جغرافية مكانية مباشرة إلى مركز قيادة، وتدعم هذه القدرة دورات " تقييمية وفعلية " تقل ساعاتها عن النهج التقليدية، مثلا، يمكن للسلطات، خلال حادث إشعاعي، أن تستخدم خرائط الإيزودوزي المبثوثة بالطائرات بدون طيار لتحديد مكان نشر الروبوتات الأرضية، حيث يمكن أن تخلق حواجز في الوقت المناسب، وتخفض إلى حد كبير من المناطق التي يمكن أن تُخليصها.

التكلفة والكفاءة في استخدام الموارد

وبالمقارنة مع نشر أسطول من الطائرات المأهولة أو استئجار مركبات أرضية آلية متخصصة، فإن الطائرات الآلية توفر جزءا من التكلفة، كما يمكن اقتناء مروحية تجارية واحدة تحمل حمولة إشعاعية لعشرات الآلاف من الدولارات، في حين أن المسح المأجور يكلف عدة آلاف من الدولارات في الساعة ويتطلب طيارين وقودا ودعما لوجستيا.

الوصول غير المطابق في الهياكل المعقدة

وكثيرا ما تحتوي مواقع الحوادث النووية على سقف منهار وممرات ضيقة وفتحات عمودية لا يمكن الوصول إليها بواسطة روبوتات متحركة ويمكن للطائرات أن تطير عبر فتحات صغيرة، وخمور داخل المباني التي تضررت جزئيا، وتفتيش أسطحها، وثكنات التخزين، ونظم التهوية، وتصمم بعض النماذج بقفص حماية أو مروجين مختلطين يسمح لهم بالارتطام بالعقبات دون تحطم.

التكرار والدقة

ويمكن برمجة عمليات التفتيش التي تتم على أساس الطائرتين بحيث تتبع مسار الرحلة نفسه مراراً، مما يتيح إجراء مقارنات دقيقة للمراحل الزمنية، وهذا أمر حاسم لرصد التردي البطيء للهياكل، أو هجرة التلوث، أو فعالية عمليات التنظيف، ويكفل الاستقلال الذاتي القائم على النظام العالمي لتحديد المواقع أن تغطي كل دراسة استقصائية نفس النقاط، مما يجعل من التغييرات الفرعية واضحة في البيانات.

حمولات أجهزة الاستشعار والتوثيق

نظم كشف الإشعاع

حمولة الاستشعار هي قلب أي طائرة بدون طيار للتفتيش النووي اليوم، مجموعة متنوعة من أجهزة الكشف عن الإشعاعات مقلّدة بما يكفي لتلائم المركبات الجوية فوق البنفسجية الصغيرة:

• Gamma Spectrometers:] These devices identify specific radioisotopes (e.g., ^]137Cs, ⁶⁰Co) by their energy signatures.
• Neutron Detectors:] At nuclear sites, neutrons indicate the presence ofانشطاري (e.g., ^]235U or ^]]239Pu).
• Dose‐Rate Meters (GeigerMüller tubes and Ion Chambers):] For mapping the general radiation field, low —cost GM tubes and ion chambers give real —time dose-rate readouts, they are often deployed in arrays for wide —area surveys.
• Compton Cameras and Coded — Aperture Imagers:] Advanced payloads can produce gamma- - - a “radiation picture” that overlays hot spots onto the visual image. This technology, still maturing for drone use, allows operators tolinepoint the exact location of a leak or a piece of debris.

ويجب أن تكون جميع أجهزة الكشف عن الإشعاع معايرة للظروف المحددة لموقع الحادث )الدرجة الزمنية، الرطوبة، الارتفاع( وكثيرا ما يلزم حمايتها لمنع الإلكترونيات الخاصة بالطائرة بدون طيار من التدخل في القياسات ذات العدة المنخفضة.

التصوير الضوئي والحراري

وتوفر كاميرات مرئية عالية الاستبانة )حتى ٤ كيلو مترات أو أكثر( تقييمات مرئية مفصلة لصدمات الأضرار الهيكلية، وتشتت الخرسانة، والتآكل، وتوزيع الحطام، وعندما تقترن هذه الكاميرات بالجمجمق المستقر، يمكن أن تلتقط صورا حادة حتى في الهواء الدوار، وتكشف كاميرات المراقبة الحرارية )مثلا، ٦٤٠ ×٤٨٠ ميكروبولوم غير ملوث( عن التلوترات حرارية.

أجهزة الاستشعار في الغلاف الجوي والبيئة

وفيما وراء الإشعاع، يمكن للطائرات بدون طيار أن تحمل أجهزة استشعار من أجل:

• ] Particulate and Aerosol Samplers:] To collect airborne radioactive particles for later laboratory analysis.
• Gas Detectors:] For hydrogen, carbon monoxide, or volatile organic compounds that may pose explosion or toxicity hazards.
• Wind Speed and Direction:] Essential for predicting the dispersion of radioactive falles.
• 3D LIDAR:] For creating high —resolution digital elevation models of the site, useful for volume calculations (e.g., of rubble) and structural monitoring.

الاعتبارات التشغيلية والتحديات التقنية

تقلص الإشعاع في الإلكترونيات السائلة

ومن أكبر العقبات التي تعترض هذا المجال أثر الإشعاع المؤين على الطيور التي تحملها الطائرة بدون طيار، ومراقبي الرحلات، والكاميرات، ووصلات الاتصالات، حيث يمكن أن تؤدي الجرعة المؤينة الإجمالية، والآثار الوحيدة التي تحدثها الوكالة إلى إحداث ضوضاء استشعارية، أو تخلف أجهزة التحكم في الميكروبات، أو فقدان السيطرة الكاملة.

Battery Life and Power Management

ومعظم الطائرات الصغيرة بلا طيار لا تتجاوز فترات طيرانها ٢٠-٤٠ دقيقة تحت حمولات متوسطة، وفي موقع كبير من مواقع الحوادث، يتطلب ذلك طلعات جوية كثيرة لتغطية المنطقة، ويمكن أن تؤدي الطقس الباردة وميادين الإشعاع العالية إلى زيادة تدهور أداء البطاريات.

• خلايا وقود الهيدروجين بكثافة الطاقة من مرتين إلى ثلاث مرات بطاريات الليثيوم - البوليمر.
• طائرات بدون طيار مهجورة تسحب الطاقة من كابل، مما يتيح الطيران لأجل غير مسمى فوق منطقة ثابتة.
• أنظمة البطارية الساخنة التي تسمح بالتحول السريع

الملاحة وعلم النفس في البيئات المتدنية

وكثيرا ما تكون إشارات النظام العالمي لتحديد المواقع ضعيفة أو مغلقة تماما، ويجب أن تعتمد الطائرات العمودية على المقاييس البصرية والليزر المتزامنة في المواقع ورسم الخرائط (SLAM) في الملاحية، وتستخدم هذه النظم كاميرات منخفضة الصنع، ومجسات فوق الصوت، وأجهزة الاستشعار الضوئية، وأجهزة الليدرات الاصطناعية، لتتابع مواقعها فيما يتعلق بالحوائط والأرض.

الامتثال في مجال التنظيم والسلامة

وكثيراً ما يتطلب الطيران بالطائرات بدون طيار في بيئة ما بعد الكوارث إعفاءات خاصة من سلطات الطيران المدني، لأن المجال الجوي قد يكون مقيداً (مثل المطارات القريبة من مناطق مأهولة بالسكان، أو داخل مناطق خالية من المركبات حول المواقع الصناعية) كما يجب على المشغلين أن ينسقوا مع وكالات الاستجابة لحالات الطوارئ. وبالإضافة إلى ذلك، يجب أن تكفل الرحلات الجوية بدون طيار بالقرب من المرافق النووية عدم تسبب الطائرة الآلية مخاطر جديدة مثل التحطم في هيكل ضعيف أو في عمليات نقل الأسلحة النووية]

تدريب المشغلين وتفسير البيانات

وتتطلب العمليات الفعالة للطائرات بدون طيار في البيئات النووية مزيجا فريدا من المهارات: الطيار فوق البنفسج، والسلامة الإشعاعية، والمعايرة الحسية، وتحليل البيانات، وتشمل أفرقة عديدة الآن " مسحا إشعاعيا " يفسّر بيانات القياس الحي بينما يطير الطيار، وحجم البيانات المولدة - المارة يوميا من الصور والألواح الطيفية - أدوات التجهيز الآلية، وأجهزة التصوير البصري.

دراسات الحالات: دروس من الحوادث النووية الرئيسية

تشيرنوبيل - بعثة " تشيرنوبيل درون " )٢٠١٩-٢٠٢٠٢٠(

وقد ظلت منطقة تشرنوبيل المحصلة، بعد مرور أكثر من ثلاثة عقود على وقوع الكارثة التي وقعت في عام 1986، تحتفظ بمناطق ذات مستويات عالية من الإشعاع، ولا سيما داخل هيكل الاتحاد الآمن الجديد، حيث كشفت مجموعة من الباحثين الأوكرانيين، بالتعاون مع وكالة الفضاء الأوروبية وجامعة بريستول، عن وجود " مفاعل ثابت مبني خصيصا اسمه " () يحمل خريطة ملوثة بالأشعة دون الحمراء([1]).

فوكوشيما دايتشي - تفتيش الطائرة TEPCO

ومنذ آذار/مارس 2011، تستخدم شركة طوكيو للطاقة الكهربائية طائرات بدون طيار لإجراء عمليات تفتيش منتظمة للمفاعلات الثلاثة المتضررة في محطة فوكوشيما دايتشي للطاقة النووية، وفي عام 2013، كانت هناك طائرة هليكوبتر صغيرة من طراز UAV تحلق فوق الوحدة 1 لتصوير السطح والجزء العلوي من مبنى المفاعل، مما وفر أول صور واضحة منذ انفجار الهيدروجين، ثم داخل مركب الاحتواء الرئيسي للوحدة 2، وهي جهاز تصوير مصغر

أماكن الانقطاع عن الخدمة - سيلافيلد وهانفورد

وتُستخدم الطائرات بدون طيار خارج الحوادث الحادة أيضاً في الرصد الروتيني في مواقع التخلي عن الأسلحة النووية وتخزين النفايات، وفي Sellafield ، وفي محطة إعادة المعالجة في المملكة المتحدة، تُبث الطائرات بدون طيار المجهزة بصور غاما فوق حرير النفايات القديمة التي تحتوي على مواد غير معروفة.

الاتجاهات المستقبلية والتكنولوجيات الناشئة

Swarm Intelligence for Large —Area Surveys

ولا يمكن للطائرة بدون طيار أن ترسم سوى مساحة محدودة لكل رحلة، حيث تقوم الطائرات الآلية المتعددة بتنسيق عمليات التشغيل الذاتية لتغطية مواقع بأكملها بالتوازي، وقد أثبت الباحثون وجود حزام صغير يحافظ على الفصل ويتجنبون الاصطدام ويقسمون منطقة المسح إلى شبكات، ومن خلال تبادل البيانات عن طريق الربط الشبكي بين الميوشات، يمكن أن ينتج النجم خريطة إشعاعية شاملة أسرع بكثير من أي مركبة.

AI —Powered Autonomous Anomaly Detection

ويمكن للمخابرات الصناعية على متن الطائرة أن تحلل بيانات أجهزة الاستشعار في الوقت الحقيقي لتحديد الزيادات المفاجئة في معدل العد، والأنماط الحرارية غير العادية، أو التغيرات الهيكلية، وتفضي إلى إعادة تخطيط مسار الرحلة مباشرة من أجل النظرة الأوثق، مما يحوّل الطائرة الآلية من جهاز تسجيل سلبي إلى ملتمس نشط، وعلى سبيل المثال، يمكن للطائرة بدون طيار أن تكتشف موقعاً ساخناً وتهبط تلقائياً إلى نماذج أقل درجة لجمع مقياس أكثر تفصيلاً.

نظم الدفع المتطورة

وللتغلب على الحد الزمني للرحلات الجوية، يقوم الباحثون باستكشاف خلايا الوقود (لا سيما الهيدروجين المزود بالطاقة الكهربائية) والتصميمات الهجينية الشمسية - الكهربائية لإجراء دراسات استقصائية طويلة المدى، ويمكن للطائرات المسيرة التي تتلقى الطاقة والبيانات من خلال كابل رقيق أن تبقى في مسافات مسدودة لساعات، ومثالية للرصد المستمر لمجموعات من فتحات التهوية أو مبنى للمفاعلات، وفي الوقت نفسه، تجمع بين تصميمات الثابتة والمحركات السريعة.

التكامل مع الأجهزة الأرضية والمنابر عن بُعد

ومستقبل الاستجابة للحوادث النووية متعدد الجوانب: فالطائرات المسيرة والطائرات الأرضية ستعمل في إطار متضافر، ويمكن للطائرات المسيرة أن تطير إلى الأمام لمسح مبنى، ثم توجه روبوتا أرضيا إلى موقع محدد لجمع العينات أو إصلاحها، وتقوم بعض أفرقة البحث بوضع نظم هجينة يمكن فيها للطائرات الآلية أن تهبط على ذراع آلي وتعمل كـ " عين متحركة " لمهمة التلاعب.

خاتمة - نحو ضمانة القدرة النووية

وقد تحولت الطائرات بدون طيار من الأدوات التجريبية إلى الأصول التشغيلية في إدارة مواقع الحوادث النووية، وقد أثبتت قيمتها في أشد الظروف فقرا - داخل السفن الممزقة لتشيرنوبيل وفي المناطق الداخلية المظلمة المبللة من مبان احتواء فوكوشيما، حيث أن استمرار تحسين الأجهزة الإلكترونية المحتوية على الإشعاع، والتقليل من الحس، والملاحة المستقلة، وتنسيق الحرق، يعد بأكبر قدر من القدرات.

For further reading, consult the IAEA guidelines on UAVs in nuclear emergencies], the ]University of Bristol’s Chernobyl drone project paper, and the TEPCO drone inspection reports.