Table of Contents

مقدمة: مكنة فوكوشيما للمواد المتقدمة

وقد كشفت الأحداث المأساوية التي وقعت في محطة فوكوشيما دايشي للطاقة النووية في آذار/مارس 2011 عن مواطن الضعف الأساسية في استراتيجيات احتواء المفاعلات التقليدية وإصلاحها، كما أن الزلزال وأمواج التسونامي قد أحدثت انكماشات أساسية، وتفجيرات هيدروجينية واسعة الانتشار، وخلق بيئة متسارعة للتصليح، وتركت فيها طرق التثبيت المفصلية للفولاذ، أو وصلات المكية.

الكارثة والطلب على حلول إصلاحية مبتكرة

وقد تسبب زلزال ١١ آذار/مارس في أضرار هيكلية مباشرة لمباني المفاعلات، ولكن التسونامي الذي تلاه كان أكثر تدميرا، إذ أن المولدات الكهربائية الطارئة التي تغرق مياه البحر، مما تسبب في انقطاع محطات التحلل، وفقدان التبريد، وأن الوقود في الوحدات ١ و ٢ و ٣ مواقع مجهزة بموجات زائدة، مما أدى إلى انهيار طابق خامي للوقود.

الأنواع الأساسية للمواد المركبة المتقدمة للتطبيقات النووية

وتستند المركبات المتقدمة من أجل الإصلاح النووي إلى نفس المبادئ المستخدمة في قطاعات الفضاء الجوي أو السيارات: الألياف ذات الأداء العالي المدمجة في مصفوفة بوليمر تنقل حمولات وتحمي الألياف من الهجوم البيئي، وما يميز بين الركبتين من الدرجة النووية هو الاختيار الدقيق لنظم الراتنج وأنواع الألياف للتسامح مع الإشعاع، وقلة التفوق، والضغوط التي ثبتت أهميتها بالنسبة للأسر الكيميائية والأليمة.

Carbon Fiber Reinforced Polymers (CFRP)

وتجمع البوليمرات المعززة من الألياف الكربونية العالية السلسلة )من ٧ إلى ١٠ ميكروغرام في مقياس( مع وجود خليط متراكم في العمود الفقري، أو ملوثات مائية ثابتة، أو مثبتة في شكل مجرى مائي مائي متطور، أو مثبتة في شكل خضم مائي يبلغ ٠٠٣ متر مربع، أو في شكل متغيرات في الوزن الكلي )٠٣(

Glass Fiber Reinforced Polymers (GFRP)

ويستخدم الفريق العامل المعني بتفتيش الغازات الخماسية أو الألياف ذات الغطاء النباتي (100-20 ميكروغرام) في مصفوفة متعددة، وهي عادة متعددة البوليستر، أو مثبتة الفينيل، أو أكاذيب متراكمة، بينما تكون مستويات الغاز المكشوف أقل من مستوى المفاعلات الحرارية (نحو 500 1 ميغابايت)، فإن هذه المادة تنطوي على مقاومة ممتازة للأثر، وتدني التكلفة، ومقاومة عالية للعديد من المواد الكيميائية.

Aramid Fiber Composites

كما أن الألياف الرهيبة، مثل كيلور، لها قوة عالية التوتر (نحو 700 2 إم بي أي) وقسوة استثنائية، مما يعني أنها تستوعب كميات كبيرة من الطاقة قبل التمزق، كما أن جسامتها المحددة (1.44) أقل من الزجاج (2.5) والكربون (1.5) ولكنها تحتوي على معامل سلبي للتوسع الحراري، وفي مجال الإصلاح النووي، تستخدم المركبات الهرمية في الحالات التي تكون فيها مقاومة للصدمات أو التمزقات حرجة

النظم المركبة الهجينة

واشتملت استراتيجيات الإصلاح في فوكوشيما على أنواع مختلفة من الألياف في مهبط واحد لتعظيم الأداء، فعلى سبيل المثال، قد يكون للنسيج الهجيني ألياف الكربون موجهة نحو صفر و90 درجة للقوام المحوري والهواء، والزجاج عند درجة 45 درجة لمقاومة الخيوط، وطبقة سطحية من الهرم في حماية التأثيرات، وتسمح هذه الهجينات للمهندسين بتصنيفها تدريجيا.

تطبيقات محددة للمجمعات في إصلاح مفاعل فوكوشيما

وقد تطور استخدام المواد المركبة في فوكوشيما من التصحيح الطارئ إلى التحسينات الهيكلية المخطط لها، ويتطلب كل طلب هندسة دقيقة لتسديد الإشعاع، ودرجة الحرارة، والرطوبة، وقيود الوصول.

تعزيز حفظ السفن

وبعد انفجارات الهيدروجين، ظلت سفن الاحتواء الأولي للوحدات من ١ إلى ٣ سليمة ولكنها تعرضت للضرر الهيكلي، وقد أضعفت قذائف الصلب من جراء الحرائق والدورات الحرارية المحيطة بها، وألحقت أضرارا بالتفجيرات، وبغية استعادة سلامة العزل، طبق العمال طبقات متعددة من التصنيفات ذات الصلة بالضغط على سطح الماء في المناطق التي يمكن الوصول إليها عن طريق الأنقاض)٢(.

رشاشات الوقود العنيفة

ولم تكن مجموعة الوقود المستهلك في الوحدات من 1 إلى 4 بحاجة إلى التعزيز الهيكلي وإلى حمايتها من أجل الحفاظ على درجة حرجة فرعية أثناء حملات إزالة الوقود، وكانت أجهزة الصلب التقليدية تتآكل في بيئة المياه المجهزة، وستتطلب الصبغ داخل المناطق ذات الإشعاع العالي، وبدلا من ذلك، قام المهندسون بتركيب ألواح مركبة مصنوعة من GFRP مثبتة بمركبات مثبتة بمقياس للجرعات مثبتة (B4C) بنسبة 5 إلى 10 في المائة.

نظم الدعم الهيكلي والهيكل

وكانت شبكة واسعة من مياه التبريد والتهوية وغليانات الصرف في فوكوشيما قد عانت من التشقق الناجم عن الزلازل، والتآكل من المياه البحرية والبخار، والاختلاط من الإشعاع المكشوف، وكان استبدال الأنابيب بالكامل أمرا مستحيلا في كثير من الحالات بسبب القيود المفروضة على الدخول ومعدلات الصبغة، وقد أصبحت الغواصات المركبة هي الطريقة الرئيسية للتصليح.

تقنيات الإنشاء عن بعد مع النظم الآلية

وقد أرغمت مناطق الإشعاع العالية مهندسين على تطوير نظم آلية للتطبيقات المركبة، وأبرزها المتلاعب الذي يُبنى خصيصاً " الشعار " المستخدم في الوحدة 2، وكان هذا الجهاز الآلي الذي يُستخدم في إطار نظام التصليح المُعد بـ6 عجلات، وكان من بين هذه النظم المُنفذة في المستقبل، وهو ما يُستخدم في عمليات إصلاح مركب مُعدّة للأجهزة التفترسب.

بحار الرفوف والاختراقات

وقد ساهم تسرب كميات كبيرة من المياه الملوثة في فوكوشيما (التي تزيد حاليا على مليون متر مكعب) وكان حرق هذه التسربات أولوية لمنع المزيد من تلوث المياه الجوفية، وقد فشلت الأنابيب المشوهة التقليدية بسبب ارتفاع محتوى النسيج والهجوم الكيميائي من المياه.

أهم مزايا المركب المتقدم في البيئات النووية

وقد أدى اعتماد المركبين في فوكوشيما إلى مزايا قابلة للقياس على المواد التقليدية، مثبتة من خلال اختبار المختبرات والخبرة الميدانية، وتمتد هذه الفوائد عبر تكاليف اللوجستيات والسلامة ودورة الحياة.

ارتفاع القوة إلى الوزن والنزاهة الهيكلية

ويمكن أن يتجاوز القوام المحدد لجماعة البلدان الأفريقية الناطقة بالبرتغالية 500 1 كيلو غرام/كغم، مقارنة بسلوك الفولاذ البالغ 200-300 كيلونيغرام/كغم، وهذا يعني أن وجود حرارة سميكة من طراز CFRP يمكن أن يحل محل لوح من الصلب يبلغ 6 ملم بالنسبة لبعض حالات الحمل، وفي فوكوشيما، كان الحد من الوزن المادي حاسما للنقل اليدوي من خلال الأنقاض، والحد من الحمولات الدينامية على الهياكل التي تضررت بالفعل.

التصويب والرد الكيميائي

وتحتاج مصفوفة البوليمر من المركبين إلى حاجز لا يمكن قياسه في المياه والأكسجين والأنواع الأيونية التي تسبب التآكل في المعادن، وفي حالة ارتفاع درجة الحرارة، فإن ظروف حمض الماء الملوث في فوكوشيما (الدرجة الثالثة والخامسة في بعض المناطق) ستتآكل الصلب بمعدلات تتجاوز 1 ملم/سنة دون حماية، ولا تظهر المكونات المركبة الإشعاعية أي تداعيات قابلة للقياس بعد 10 سنوات من الانترام.

المرونة والتقوية المصممة

كما يمكن قطع الأفران المركبة في الموقع وتوجهها نحو تطابق الهندسة المعقدة وميادين الإجهاد، وفي فوكوشيما، استخدم المهندسون مسحاً لازرياً ثلاثياً لخلق نماذج سطحية للمناطق المتضررة، ثم تُبرمج آلات قطع آلية لإنتاج أشكال نسيجية تناسبية على وجه التحديد، وقد اختيرت التوجهات البيرية على أساس اتجاهات الإجهاد الرئيسية: بالنسبة لمنطقة مهيمن عليها قذيفة، استخدمت في تركيبة عالية الحرارة(90).

سهولة معالجة وخفض التعرض للعاملين

وكل جانب من جوانب الإصلاح المركبة - من النقل إلى الجرعة الإشعاعية العاملة - يمكن أن يحل محل النسيج المركب (30 كغم) الذي يبلغ 500 كغم من الصلب، ويحمل العاملون رواسب في الحقائب الخلفية، ويقللون مخاطر المناولة اليدوية، وتُجمع نظم الصنع في شكل قنابل مزدوجة تختلط من خلال زهرة ثابتة، وتزيل الحاجة إلى معدات خلط مركبة.

التحديات في استخدام المركبين من أجل الإصلاح النووي

وعلى الرغم من هذه المزايا، فإن المركبين ليس حلا عالميا، وقد أبرزت تجربة فوكوشيما عدة تحديات تقنية وتنظيمية يجب التصدي لها من أجل نشر نووي أوسع نطاقا.

التحلل الإشعاعي

وتتسبب الأشعة المتزامنة والنيوترونات في تداخل وسلسلة مقص في مصفوفة البوليمر، مما يؤدي إلى قذف، وفقدان قوة الأشعة بين المناطق، والتعقب المتناهي الصغري، ويمكن أن تفقد الجرعات التي تتجاوز 10 ميغاهيرتز، وتركيب المصانع الافتراضية 30 إلى 50 في المائة من ألياف الكربون نفسها مقاومة للغاية (منها 100 ميغاغي).

طول المدة والشيخوخة

أما فيما يتعلق بالأشعة، فإن المركبين يواجهان الإجهاد البيئي: إذ أن استيعاب الرطوبة (حتى 2 في المائة من الوزن في الأكسدة)، والثبات الحراري (من 10 درجات مئوية إلى 60 درجة مئوية في المناخ الياباني)، والزحف تحت الحمولة المستمرة، وتحتاج الحياة الوظيفية التي تبلغ 30 سنة إلى تصميم دقيق، وفي فوكوشيما، يشمل الرصد تركيبات الألياف البلاستيكية المزروعة (الوزن الخفي) التي تقيس.

الأداء العالي

وقد تتجاوز درجات الحرارة 150 درجة مئوية من مركبات الضغط المفاعلية أو منافذ البخار، وترتفع درجة الحرارة في الراتنجات التقليدية عند درجة الحرارة المحيطة بالزجاج (الثانية) التي تبلغ 80 درجة مئوية؛ ويفوق مستوى الترميز، ويفقد القدرة على نقل الحمولة، وفي فوكوشيما، تحدد الخرائط الحرارية باستخدام أجهزة التصوير الميكانيكية ذات الأشعة الحمراء بؤر عالية حيث يمكن تجاوز المقياس المكوني البالغ 200 درجة مئوية.

مخاطر الحريق والثقل

ويمكن للمركبات المتعددة أن تدعم الاحتراق، وفي مصنع نووي يمكن أن تتراكم فيه الهيدروجين، فإن هذا خطر كبير، إذ أن جميع التصليحات المركبة في فوكوشيما كانت مطلوبة لتلبية المعيار الصناعي الياباني لانتشار اللهب (الكلاب ألف-2 أو أكثر).

الهيكل التنظيمي والتأهيل

وفي اليابان، لم يكن بوسع هيئة التنظيم النووي أن تُحدّد أداءً واضحاً على مدى الحياة التصميمية، مدعوماً بمدونات ومعايير، وفي اليابان، عملت هيئة التنظيم النووي مع معهد اليابان للسلامة النووية على وضع مبادئ توجيهية بشأن التثبيت المركب، نشرت في عام 2016، وتقتضي هذه المبادئ التوجيهية ما يلي: (1) التأهيل المسبق للنظام المركب للبيئة المحددة (مثلاً، الإشعاع، ودرجة الحرارة، والكيميائية) (2) إجراء تنسيق شامل للزلاً (3)

التوجيهات المستقبلية والبحوث الجارية

وتعجل دروس فوكوشيما في بحوث المواد المركبة في جميع أنحاء العالم، ويجري العمل على اتباع عدة اتجاهات واعدة في مختبرات الحكومة والجامعات.

مركبي الصحة الذاتية

ويمكن أن تُنشر على مر الزمن آثار دقيقة من الإشعاع أو التحميل الميكانيكي، مما يُعرض للخطر السلامة المركبة، وتُدرج في مجموعات التلقيح الذاتي كميات صغيرة من الباحثين المزودين بمقياس للجراثيم (50-200 ميكروم) الذين يُستخدمون في معالجة المواد الكيميائية، ويُمكن أن يُقللوا من هذه المواد من مصفوفة مركبة من المواد الكيميائية، حيث إن هذه المكوّدة من المواد الكيميائية المُعدّدة.

المواد المحسنة

وقد يؤدي إضافة نانووبات الكربون، أو محركات النانوبليتات، أو صليبات الطاقة ذات الحجم النانو إلى تحسين مقاومة الإشعاع، والسلوك الحراري، والقوة، مثلا، 1 في المائة من النيتروز، من خلال الوزن في زيادة قوة النسيج بين المبيدات بنسبة 30 في المائة، والحد من الاختراق الناجم عن الإشعاع بنسبة 40 في المائة.

التصميمات المركبة المُلهمة بيولوجياً

:: توفر الطبيعة نماذج للمواد الصلبة والمتسامحة؛ وتتحقق النكرة (أم اللؤلؤ) من قوة عالية وقسوة من خلال تركيبة من الطوب والهجوم على أقراص الارتطام التي تربطها بجهاز للدجاج الحيوي، بينما يُظهر الباحثون في جامعة كيوتو وجود تصاميم مركبة ناكرة تستخدم فيها أجهزة ميكروبات للألم والارتطام.

التوائم الرقمية ورصد الحالة

ولإدارة عمليات الإصلاح المركبة على مدى عقود، يجري تطوير التوأم الرقمي الذي يدمج بيانات الاستشعار مع محاكاة قائمة على الفيزياء، وفي فوكوشيما، توجد أجهزة الاستشعار التي تستخدم في تركيب أجهزة الاستصلاح في مواقع مركبتين، حيث تقاس هذه الحساسيات درجة الحرارة، والإجهاد، والرطوبة النسبية، وتنتقل البيانات دون تغيير إلى قاعدة بيانات مركزية محدثة من نوع " إكس " .

المراجع الخارجية والقراءة الإضافية

The Lasting Impact of Composites on Nuclear Decommissioning

وقد أدى حادث فوكوشيما إلى تحفيز تحول في مواد الإصلاح النووي، حيث أصبحت المكونات المتقدمة التي تعتبر في البداية مناسبة مؤقتة جزءاً دائماً من مجموعة الأدوات التي تلغي التشغيل، وقد أدى نجاحها إلى إجراء بحوث جديدة، ووضع مدونات جديدة، وقدرات جديدة يجري تطبيقها بالفعل في مواقع نووية أخرى، من فيرمونت يانكي إلى مصنع إعادة المعالجة في سيلافيلد.