دور الطائرات بدون حدود في فوكوشيما دايتشي

وعندما ضربت محطة فوكوشيما دايتشي للطاقة النووية شرقاً عظيماً في 11 آذار/مارس 2011، دخلت مرحلة كارثية من شأنها إعادة تعريف السلامة النووية ووقف التشغيل، وبعد مرور أكثر من عقد، واصلت شركة طوكيو للطاقة الكهربائية وشركاؤها الدوليون إدارة جهود تنظيفية غير مسبوقة، وكانت هناك اختناقات مستمرة تتمثل في ضرورة تفتيش ورصد المناطق المشعة بحيث يتعذر دخولها البشري إلى حيز الوجود.

فالبيئة داخل مباني المفاعلات المضرورة هي من بين أكثرها عدائية على الأرض، إذ يمكن أن تتجاوز معدلات الجرعة الإشعاعية بالقرب من النواة مئات اللصوص في كل ساعة، مما يؤدي إلى عدم قدرة شخص على العودة في ثوان، حيث أن الهياكل نفسها غير مستقرة، حيث تنهار الأرض، وتدفئة الحطام، وممرات ضيقة ومظلمة، بينما تكون هناك عوامل مفيدة في مقاومة السلالم، والخلاص، والعقبات الضيقة.

التحديات التشغيلية الوحيدة في موقع الكوارث النووية

إن شحن طائرة بدون طيار في فوكوشيما قد أزيل بعيدا عن التصوير الجوي التجاري، ومباني المفاعل هي بيئات مُنكرة للنظام العالمي لتحديد المواقع؛ ولا يمكن للإشارات الساتلية أن تخترق الجدران الصلبة، ولا بد أن تعتمد الطائرات العمودية على أجهزة الاستشعار الضوئية أو السائلة أو أجهزة الاستشعار فوق الصوتية للاستقرار، ويمكن أن يؤدي التدخل المغناطيسي من الهياكل الفلزية الكبيرة إلى تعطيل الحواسب، مما يجعل المشغلين الموثقين تستخدمين.

ويمثل الاتصال عقبة خطيرة أخرى، إذ أن حشرات الخرسانة والحمى المعدنية تخفف من إشارات المراقبة اللاسلكية، وكثيرا ما تقطع عن بعد بعد تحركات الطائرات بدون طيار تتجاوز خطا مباشرا من الأنظار، وقد تغلب المهندسون على ذلك بنشر محطات نقل متعددة تستخدم نظما للضغط توفر الطاقة والبيانات عن طريق الكابل، أو تنفيذ شبكات متطورة من الميكروبات تسمح للتحكم في المنتجات التي فقدت من عام 2015 إلى حلقة الاتصال الأولى.

ويتزايد احتمال تعرض المصابين بالصدمات، فالنباتات المتناثرة والكابلات المتناثرة، وتخلق معدات متناثرة مظروف طيران مكتظة، ويجب أن تتضمن الطائرات العمودية نظماً للتجنُّب من العقبات تعمل في ضوء منخفض ذات قدرة حاسبية محدودة، وقد طورت وحدة الاختبار التقني وشركاؤها في البحث أقفاصاً للحماية من الطوابق حول الأطقم الجوية، مما يتيح للطائرات العقيمة على السطح دون تحطم.

أنواع منابر الطائرات العمودية المنتشرة

Quadcopters with High-Resolution Visual Cameras

وكانت أجهزة التموين الكهربائي الصغيرة، التي يستمد الكثير منها من من منابر التفتيش الصناعي، من بين أولى النظم التي دخلت مباني المفاعلات، وهي تحمل أجهزة مثبتة من طراز 4K أو 8K، تحتوي على صفائف من الإضاءة ذات قوة من الأجهزة المتفجرة المرتجلة لإبراز المناطق الداخلية المظلمة، وتلتقط هذه الطائرات صورة مفصلة عن الطوابق الخرسانية، وتكشف عن الرواسب، وحالة المعدات الحساسة مثل نماذج السحب ذات الدوارة المرئية.

التصوير الحراري للطيور الواقية من الأشعة

وقد تؤدي الكاميرات الحرارية العاملة في إطار الموجات الطويلة من الطيف المغطى بالأشعة تحت الحمراء إلى حدوث تشوهات في درجة الحرارة، مما يؤدي إلى تسرب نظام التبريد، أو تصريف البخار، أو مصادر حرارة غير متوقعة، كما أن الحفاظ على استقرار التبريد من حطام الوقود المذوب، هو أولوية مستمرة في فوكوشيما، كما أن الطائرات الآلية التي تفحص بسرعة أحواض الأنابيب ونقاط التي تخترقها سفن الاحتواء للتحقق من أن الماء المبرد يتدفق كما هو مقص.

رسم خرائط الإشعاع مع المبيدات الحشرية

وتُستخدم الآن أجهزة فحص متطورة ذات طابع مكثف، غير مجهزة بمطياف للأشعة المقطعية، أو مضاهاة للأشعة المكشوفة، أو أجهزة التفتيش التي تستخدم في التكوينات ذات التكوينات الحرارية، أو التي تُستخدم عادة في تحديد مواقع أجهزة التكوين ذات الترددات العالية، أو في شكل أجهزة قياسية غير متجانسة، أو في شكل أشعة مائلة، أو في شكلها.

طائرات بدون طيار تحت الماء والطائرات الأمفية للمناطق المفلورة

وفي قاعات بناء التربين والمناطق المغرقة، تؤدي المركبات التي تعمل عن بعد والمركبات الصغيرة ذات المياه الجوفية ذات الاستقلال الذاتي أدوارا مماثلة، وإن لم تكن جوية، فإنها تتقاسم نفس الفلسفة التشغيلية وأطر تكامل البيانات، وتشمل التطورات الأخيرة نظماً مهجورة قادرة على التجويف في الهواء، ثم الانتقال إلى دولة مغرقة لتفتيش مجمعات الوقود المستهلك أو الأجزاء المغمورة من البروتوك.

أجهزة دروب ثابتة الجناحين لإجراء دراسات بيئية واسعة النطاق

وفيما وراء مباني المفاعل، فإن الطائرات الثابتة الأجنحة - ذات الطرازات المزودة بالبطارية والخلية المائية - تغطى مناطق كبيرة للرصد البيئي، وتبث عمليات نقل آلي على منطقة الاستبعاد، وتحمل كاميرات متعددة الأطياف لتقييم صحة النباتات والتلوث بالتربة، ويمكن لهذه المنصات أن تبقى بعيدة لعدة ساعات، تغطي عشرات الكيلومترات المربعة لكل بعثة.

تكامل البيانات والتحليلات المتعلقة بالطرق البرية

ولا تصبح بيانات الاستشعار عن طريق الموجات المتحركة من الرحلات الجوية بدون طيار قيمة إلا عندما تُجمع إلى معلومات قابلة للتنفيذ، وفي فوكوشيما، تستخدم الأفرقة برامجيات نموذجية للمعلومات المتعلقة ببناء المباني ونظم المعلومات الجغرافية لإنشاء توأم رقمي لمرافق المفاعل، وكل رحلة تفتيش تضيف خريطة جديدة للكشف عن مخاطر المواد المشعة، أو أحدث مسح للتشويهات، أو إجراء مسح حراري.

وتطبق أجهزة الاستعلامات الفنية والتعلم الآلي بصورة متزايدة على تحليل السيارات، ويمكن تدريب الشبكات العصبية الملتوية على تحديد عيوب محددة مثل التآكل تحت العزل أو التقلب السطحي على الهياكل الفلزية، مما يقلل من عبء الاستعراض اليدوي ويوحد تقييم الحالة عبر مختلف الأفرقة، وقد طلعت هذه الشبكة على أن الكشف الآلي عن التغيرات قد أبلغها بالفعل عن تحولات غير متوقعة في الوحدات الهيكلية، مما يؤدي إلى تغيير في تشكيلات آلية.

الحد من التعرض للأشعة لدى العمال

وإدارة الجرعة العاملة هي مصدر قلق رئيسي في مجال السلامة في أي موقع نووي، ولا يختلف تنظيف فوكوشيما، وقبل أن تصبح عمليات التفتيش التي تتم بدون طيار روتينية، فإن الطريقة الوحيدة للتحقق من الظروف داخل منطقة عالية الجرعة هي إرسال إنسان ذي مقاس مسح محمول، والآن يمكن للطائرة بدون طيار أن تقوم باستطلاع كامل في دقائق، ورسم خرائط لمجال الجرعة بحيث يمكن للعامل أن يدخل في وقت لاحق، أن يُحدّد الطريق إلى أدنى حد.

وبالإضافة إلى تجنب الجرعة، فإن الطائرات بدون طيار تخفض أيضا المخاطر غير الإشعاعية من العمل في الطول أو في الأماكن المحصورة أو في حطام غير مستقر، وقد يكون الوصول التقليدي للحبل أو تركيبه خطرا ويستغرق وقتا طويلا، كما أن الطائرات العمودية تزيل العديد من الخطوات التحضيرية، مما يتيح لفريق صغير رصد مناطق واسعة النطاق ذات عدد أقل بكثير من ساعات العمل في الساعة الثامنة، وفي حالة واحدة موثقة، أدى فحص الطائرة بدون طيار لسطح المفاعل إلى إزالة عدد ساعات العمل.

نظم الملاحة المتقدمة

أما الحدود التالية فهي ذات استقلال ذاتي كامل، إذ يقوم شركاء البحث التابعون للمنظمة، بما في ذلك الوكالة اليابانية للطاقة الذرية ومختلف المختبرات الجامعية، بتطوير طائرات بدون طيار تبث داخل مبان مفاعلات مظلمة مُنعَة من مصادر القدرة على إحداث الاحتراق دون رقابة بشرية في الوقت الحقيقي، وباستعمال أجهزة مسح مجهزة على متنها في مواقع غير متحركة، حتى في مواقع التخطيط غير المتحركة، وهي محطة معروفة

كما يجري اختبار عمليات الأسلحة الخفيفة، ويمكن للطائرات الصغيرة المتعددة أن تتعاون لتغطية منطقة كبيرة أسرع، أو تخصص في مختلف المهام - أي مسح واحد، وفحص بصري آخر، وثالث يعمل كنقل للاتصالات، ومرونة السلاح، إذا فشلت وحدة واحدة، فإن الأخرى لا تزال مفقودة تماماً إذا ما تم تقاسمها في الوقت الحقيقي.

ولدعم الاستقلال الذاتي، وضعت المنظمة نظماً داخلية لتحديد المواقع في الداخل ومواقع لبلوتون للطاقة المنخفضة في بعض المناطق، وهي توفر إطاراً مرجعياً خارجياً، مما يقلل من الانجراف المتأصل في نظم أو قياس الشوذ البحتة غير الشرعية أو البصرية، وسيتيح الجمع بين عملية تحديد المواقع والتخطيط للبعثات التي يقودها المعهد إجراء عمليات التفتيش بين عشية وضحاها، مع وجود عدد أقل من الأفراد في الموقع، مما يزيد من سرعة تنفيذ الجدول الزمني لعملية إعادة التشغيل(26).

دراسة حالة: الوحدة 1

وفي أوائل عام 2023، استخدمت بعثة ملحوظة طائرة بدون طيار مجهزة خصيصاً لتفتيش المنطقة الواقعة مباشرة تحت سفينة الضغط التابعة للوحدة 1، حيث يُعتقد أن الوقود المُستنَف قد سقط، وكانت الطائرة الآلية التي صُممت بواسطة جهاز التصاميم الآلي ((FLT:0)) والتي تُظهر بنجاح وجودها في مجال تصميم المواد المشعة.

الاعتبارات التنظيمية والمتعلقة بالتصديق

وينظم الطيران بالطائرات بدون طيار في موقع نووي تنظيما صارما، وفي اليابان، ينظم قانون الملاحة الجوية المدنية وقانون الإذاعة عمليات منظمة الدول الأمريكية، في حين تفرض هيئة التنظيم النووي متطلبات إضافية تتعلق بالسلامة والأمن، ويجب أن يخضع كل نظام من الطائرات بدون طيار لفحص دقيق لإثبات أنه لن يصبح خطرا على الحطام المادي الأجنبي أو يسبب شرارة في أجواء يمكن أن تكون قابلة للاشتعال، كما أن اختبار التوافق الإشعاعي المغناطيسي يكفل عدم التدخل في نظم الاتصالات الطارئة.

ويتعاون المكتب تعاونا وثيقا مع الجهات المصنعة ومؤسسات البحوث للحفاظ على حالة أمان رسمية لكل نوع من أنواع الطائرات بدون طيار، ويشمل ذلك تحليل نمط الفشل، وإجراء موثق لتطهير التلوث، ومسار محدد للتخلص من النفايات المشعة في نهاية العمر، وهو ما يتيح للمشغلين وضع حد زمني معتمد على أساس تجريبي.

التعاون الدولي وتبادل المعارف

ويستفيد برنامج " فوكوشيما " من التعاون العالمي، إذ توفر هيئات دولية مثل الرابطة العالمية للطاقة النووية، ووكالة الطاقة النووية التابعة لمنظمة التعاون والتنمية في الميدان الاقتصادي، و التابعة للوكالة الدولية للطاقة الذرية تبادل المعارف، فعلى سبيل المثال، أتاحت الطائرات الآلية المستخدمة في موقع تشيرنوبيل المتضرر دروسا في الرصد الهيكلي الطويل الأجل، بينما يتقاسم مشروع " Sellafield decommissioning " في المملكة المتحدة التطورات في اتفاقات " .

ويعجل هذا النهج التعاوني بالتطور، وعندما يطور مختبر وطني تابع للولايات المتحدة كاميرا جديدة مصحوبة بالإشعاع، يمكن اختباره في مركز ناراها، ويتلقى تعليقات من مشغلي شركة TEPCO، ويُدمج في بعثة بدون طيار في غضون أشهر، كما أن الدروس المستفادة من شركة فوكوشيما تُبلغ أيضا بتصميم محطات نووية في المستقبل، حيث تعتبر الآن محاجر التفتيش التي يمكن الوصول إليها بواسطة الطائرات بدون طيار سمة مدمجة لدعم الصيانة المستمرة.

الرصد البيئي فيما بعد مباني المفاعل

كما أن الطائرات العمودية تؤدي دورا حيويا خارج هياكل الاحتواء الرئيسية، إذ أن إجراء دراسات جوية منتظمة على موقع فوكوشيما الأوسع، وتتبع منطقة الاستبعاد المحيطة به، خفض مستويات الإشعاع المحيط، مع إحراز تقدم في جهود إزالة التلوث، كما أن الكاميرات المتعددة الأطقم التي تقوم بنشرها على طائرات ثابتة الأجنحة، يمكن أن ترصد صحة النباتات، ورطبة التربة، وفعالية تدابير مكافحة التحات التي تحول دون وصول الرواسب الملوثة إلى المحيط.

The Road Ahead: AI-Powered Predictive Monitoring

ومن شأن إدماج نماذج التعلم الآلي المزودة بالمعلومات الفيزيائية مع تدفق البيانات المستمر بالطائرات بدون طيار أن يتيح الرصد التنبؤي، وبدلا من الاستجابة إلى حالة شاذة بعد حدوثه، يمكن للنظام أن يتوقّع تطوير قضايا مثل خفض تدفق التبريد أو التحلل الهيكلي قبل أن يصبحوا حرجا، ومن ثم يتم إرسال أجهزة التنقيب تلقائيا للتحقيق في البرمجيات التي تعمل كنظام تشخيصي ذاتي.

ومن الوسائل الواعدة الأخرى استخدام خلايا وقود الهيدروجين لتوسيع نطاق الرحلات الجوية، إذ أن عمليات التفتيش الحالية التي تستخدمها الطائرات بدون طيار تستغرق فترات طيران نموذجية تتراوح بين 20 و30 دقيقة، مما يحد من المنطقة التي يمكن أن تغطيها، كما أن خلايا الوقود الهيدروجينية التي سبق أن اختبرتها شركة TEPCO على منابر ثابتة، يمكن أن تدوم ثلاث مرات مع الحد من مخاطر التلوث لأن العادم الوحيد هو مقياس لإزالة الوقود في الأجل الطويل.