تحدي غير متوقع من نقل المواد المشعة في (فوكوشيما)

وقد أدى الانهيار الذي حدث في محطة فوكوشيما دايشي للطاقة النووية إلى نشوء أحد أكثر التحديات تعقيداً في مجال إدارة النفايات المشعة التي واجهتها في أي وقت مضى، حيث أن الكميات الكبيرة من المواد الملوثة تتراوح بين الحطام والماء المعالجة تتطلب نقلاً آمناً ومأموناً عبر المناطق المأهولة بالسكان والمناطق النشطة من الزلازل، ويجب على المهندسين أن يدمجوا التصميم المتطور للاحتواء، والقدرة على التكيف الهيكلي، والتعامل من بعد بصورة مستقلة، والرصد في كل عملية نقل، وكل ذلك تحت رقابة عامة على نظم السلامة الدولية.

The Scale and Diversity of Materials Requiring Transport

إن مجرى النفايات الذي ينتج عن حادث فوكوشيما لم يسبق له مثيل في كل من الحجم والخصائص الخطرة، ويفرض كل نوع قيودا فريدة على التغليف، والدرع، وتصميم المركبات، والطرق، وتشمل الفئات الرئيسية ما يلي:

  • Fuel debris] from the reactor cores: Highly radioactive, irregularly shaped masses of melted fuel and structural materials that present extreme handling and containment difficulties.
  • Contaminated soil and vegetation]: Over 14 million cubic meters of material removed from decontamination zones, currently stored at temporary sites and awaiting transfer to an interim storage facility.
  • Secondary solid waste]: Sludge, used protective clothing, filter media, and other low-level waste generated by water treatment and decommissioning activities.
  • ALPS-treated water]: Large volumes of water processed through the Advanced Liquid Processing System, with most radionuclides removed except tritium, requiring transport for dilution and discharge into the Pacific Ocean.
  • Spent fuel assemblies: Both intact fuel from storage pools and damaged fuel from Units 1 through 4 that must eventually move to dry cask storage or re processing.

وتعبر طرق النقل المناطق الحضرية، والطرق الساحلية، والجسور، والأنفاق، والمناطق السيزمية، مما يضع متطلبات استثنائية على الأفرقة الهندسية المسؤولة عن كفالة أن تظل كل شحنة آمنة في ظل ظروف طبيعية وحوادث.

الحاويات والدرع: التحدي الهندسي الأساسي

وفي قلب كل عملية نقل تكمن في مقصورة الاحتواء، وهي نظام متطور للحواجز الهندسية يجب أن يعزل المواد المشعة من البيئة في ظل جميع الظروف المنظورة، والمواد العالية النشاط مثل حطام الوقود أو النفايات المهذبة تتطلب من النوع باء مواقد تدمج طبقات حماية متعددة، ويشمل تصميم نموذجي عبوة فولاذية غير ملوثة داخلياً تحوز النفايات مباشرة، مطوقة بمستويات حرارة من اليورانيوم المحتوية على الرصاص أو المطلقات.

وتحدد أنظمة الوكالة الدولية للطاقة الذرية المتعلقة بالنقل الآمن للمواد المشعة (SSR-6) معايير الأداء التي يجب أن تستوفيها مقصورات النوع باء، وتشمل البقاء على مسافة 9 أمتار على سطح غير مائل، وهبوط 1 متر على لكمة فولاذية، وحرق 30 دقيقة عند 800 درجة مئوية، والارتطام تحت 15 متراً من الماء، وضمان استمرار التسرب في التوابع.

ويستخدم التدفئة الأمثل رموزاً حاسوبية مثل النفثالينات المتعددة الكلور والهيدرات المتعددة الكلورة لترتيب مواد للحد الأقصى من التكثيف بالحد الأدنى من الوزن، وتحتاج الأنظمة اليابانية إلى معدلات الجرعة دون 2 ملسيفي/ساعة على سطح الكاسك و 0.1 ملسيفي/ساعة على مترين، وتزن بعض أكواخ نقل الحطام الوقود أكثر من 100 طن وتصمم للحفاظ على السلامة حتى لو انخفضت من الطابق الأرضي لمبنى المفاعلات المفاعلات.

دور علوم المواد في الدرع

وقد أدى وقف التشغيل المستمر إلى الابتكار في المواد الواقية، إذ أن المواد المركبة مثل المصفوفة المحتوية على الألياف المقوى بين مسحوق التنغستن أو البسموث مع مصفوفات الألمنيوم أو البلمر، مما يتيح تخفيف غاما مقارنة بالحد من الوزن بنسبة تصل إلى 30 في المائة، وقد طورت الوكالة اليابانية للطاقة الذرية درعاً حرارياً (أعلى من وزن الجسم) يحسن من مستوياته.

النزاهة الهيكلية والقدرة على التكيف السيزمي في منطقة عالية المخاطر

وتقف اليابان على رصيف النار في المحيط الهادئ، حيث تفرض طلبات زلزالية نادرا ما تصادف في أماكن أخرى، ويجب أن تبقى مجموعات النقل لا على اختبارات الانقطاع التنظيمي فحسب، بل أيضا على الحمولات الدينامية للزلزال أثناء المرور العابر، ويقوم المهندسون بتحليلات ذات عناصر محدودة لحفز سجلات الحركة الأرضية من زلزال توهوكو عام 2011 وغير ذلك من الأحداث الرئيسية، وقد تهدف الهيئة الكاسكية والهدنة ونقاط الرفع وإطار النقل إلى مقاومة آثار التخريبة العالية دون تسرب.

أما فيما وراء الكوابيس نفسها، فإن مركبات النقل هي نظم هندسية متخصصة، وتوزع مقطورات ثقيلة ذات تشكيلات متعددة الأوجه حمولات للوفاء بحدود وزن الطرق مع توفير الاستقرار، ويمكن لنظم الإيقاف النشطة أن تقلل من مركز الجاذبية أثناء الركن، أما بالنسبة للنقل البحري، فإن السفن المبنية الغرض مثل Kai Maru]]، فهي مجهزة بأحوال إشعاعية.

ويؤدي محرقة النقل بين الكاسك والمركبات دورا حاسما في استيعاب الطاقة، ويجب أن تزيل التابوت من الاهتزازات العالية التردد في الطرق مع توفير ضبط صارم أثناء الارتطام، وقد طور المهندسون حفرا مع أجهزة الإيزوال المطاطية المطبقة، وأجهزة الإلتهاب الهيدروليكي التي تُستخدم في كل نوع من أنواع التدفئة، وتختبر هذه الأجهزة على جداول مثبتة.

Environmental Protection through Multi-Barrier Systems

إن منع إطلاق المواد المشعة في البيئة هو الهدف الغالب، بل إن التسربات الطفيفة يمكن أن تلوث التربة والمياه الجوفية والنظم الإيكولوجية البحرية، وبالنسبة للنفايات الصلبة المنقولة في حاويات السوائب الوسيطة المرنة، تستخدم حواجز متعددة، والحاجز الرئيسي هو جهاز متعدد الإيثيلين ذو سعة عالية، مع وجود حد أدنى من سمكه يبلغ 1.5 ميليميتر، مع وضعه في أكياس البوليبرولين التي تُعالج في البحر.

(ج) النقل السائل، بما في ذلك المياه المعالجة بمبيدات الآفات غير المحتوية على عدة طرق، يستخدم صهاريج فولاذية ذات عجلتين ذات مساحة مجهزة بالثغرات، وأي خرق في الجدار الداخلي يثير إنذاراً، ويوجه المركبة إلى خليج الاحتواء.

وتدمج عمليات الرصد البيئي في كل مرحلة، وتحمل سيارات الأسكورت أجهزة قياس لمعدل الجرعات المكتومة، وأجهزة مسح الغبار، ونظم قطع الأشجار ذات الصلة بالنظام العالمي لتحديد المواقع، وتجهز أجهزة قياس غاما خفيفة محددة، وترسم خرائط لحقول الإشعاع، وتكشف بسرعة عن الشذوذات، وفي مرافق التخزين المؤقتة، تقوم أجهزة رصد آلي لفحص البوابات في مواقع المركبات القادمة والمركبات التي تستخدم مستويات عالية من البلاستيك)ج(.

الإدارة الحرارية والسلامة الحرجة أثناء المرور العابر

ويتطلب نقل الوقود المستهلك أو الحطام الوقود إدارة دقيقة لحرارة التحلل، فبدون التبريد النشط، تعتمد الكاسكات على تفكك حراري سلبي من خلال السلوك والتكفير الطبيعي، وتتسبب فتيل الألومنيوم الرمادية في ارتفاع سرعة التسخين في المخابيل، وتزيد القنوات الداخلية من التدفق المتزامن لغاز الرش غير المشبع، الذي عادة ما يُظهر أن درجات الحرارة المتوافقة مع الوقود لا تزال أدنى من 400 كيلوغرام في الظروف العادية.

وبالنسبة للمواد الانشطارية، فإن الحفاظ على التبعية غير قابل للتفاوض، وتشمل المواد الداخلية المسروقة لوحات سمية ثابتة من الفولاذ غير القابل للصدأ أو بورال (مركبة من أكسيد الصابون، وتركيب السلة هو ترتيب مثالي للحد من التكاثر النيوتروني في جميع الظروف الموثوقة، بما في ذلك الفيضان مع افتراضات الإثراء بالماء، وهو أكثر السيناريوهات تفاعلاً.

المعالجة عن بعد والروبوتات: التقليل إلى أدنى حد من التعرض البشري

وتقيّد حقول الإشعاع المرتفعة قرب مباني المفاعل بشدة وصول البشر إلى أماكن العمل عن بعد، وتتوقف عمليات النقل في موقع فوكوشيما على الأجهزة الآلية المتقدمة والمركبات الخاضعة للمراقبة عن بعد، وتستخدم استعادة الحطام في الوقود ذراعاً من بُعدياً تستخدم فيه أداة للحواض يتم تسليمها من خلال مقصورة نقل محمية بدرجة كبيرة، وتتم سلسلة كاملة من عمليات التهريب وضبط الحطام والسحب والاختتام من غرفة مراقبة محميلة.

وقد تم تجهيز مركبات النقل نفسها بقدرة على التعاون عن بعد، وعند نقل الأسطح داخل حدود المصنع، يمكن للسائقين الخروج من المركبة وتشغيلها عن طريق مجموعة محمولة من خلال صورة شخصية من كاميرات مجهزة بالسطح، مما يقلل من الجرعة إلى الصفر تقريبا، أما بالنسبة لرحلات الطرق السريعة، فإن مقطورات الجرعات المثبتة باللوحات التي تعمل بالخط الرئيسي، وتليف الجهاز التنفسي العالي.

وقد أدى التعاون بين شركة الطاقة الكهربائية التابعة لـ Tokyo (TEPCO) ومصنعي الروبوتات إلى ابتكارات تستخدم الآن في صناعات أخرى، ومن الأمثلة البارزة على ذلك جهاز نقل مسطح يعمل عن بعد باستخدام رادار الموجات المليمترية ورادار LIDAR للبحرية على طول طرق الكشف المحددة مسبقا على بعد كيلومترين/ساعة.

العوامل الإنسانية والسلامة التشغيلية

وفي حين أن التشغيل الآلي يقلل من التعرض المباشر، فإن العاملين في مجال العمل الإنساني لا يزالون أساسياً للإشراف واتخاذ القرارات، إذ أن برامج التدريب تستخدم محاكاة كاملة تستنسخ مناولة التابوت، ومراقبة المركبات، والسيناريوهات الطارئة، وتخضع الخرافات لعمليات تدريب منتظمة في مجال رصد الإشعاع، وبروتوكولات الاتصال، والاستجابة للحوادث، وتؤكد ثقافة الرابطة على ضرورة تبرير كل عملية، وتحقيق الحد الأمثل لها، مع مواصلة تحسينها بواسطة التغذية العكسية التشغيلية.

الإطار التنظيمي والرقابة الدولية

وتخضع جميع عمليات النقل من فوكوشيما لنظام تنظيمي متعدد المستويات، وعلى الصعيد الدولي، تعتمد أنظمة اليابان الوطنية إطار الوكالة SSR-6، وتصدر قضايا النقل الوطني الياباني شهادات الدخول، وتنظم عمليات تفتيش الامتثال، وتحتاج الحزم التي تحتوي على أكثر من كميات ألف 2 من النويدات المشعة إلى موافقة السلطة المختصة على تصميمها، بما يشمل إجراء استعراض شامل لتقارير تحليل السلامة التي تغطي مجالات هيكلية، وحرارية، واحتواء، ودرجة حرجة.

اليابان موقعة على الاتفاقية المشتركة بشأن سلامة إدارة الوقود المستهلك وسلامة تصريف النفايات المشعة، التي تتطلب الإبلاغ الدولي عن تدابير السلامة، وتتقاسم الدروس المستفادة من عمليات النقل في فوكوشيما من خلال بعثات استعراض الوكالة واجتماعات الخبراء الدولية، وقد درس استعراض الأقران الدولي الذي تجريه الوكالة الدولية للطاقة الذرية بشأن خريطة الطريق اليابانية التي توقفت عن العمل تحديات النقل وقدم توصيات في الممارسات الهندسية.

النقل البحري يتبع مدونة المنظمة البحرية الدولية، التي تتطلب إجراءات محددة لمكافحة الحرائق والتبريد وتأمينها، وتراقب سلطات الميناء هذه السفن، وتقوم السلطات اليابانية بحفر حفر تحفيز الاصطدام أو النار في البحر، وتؤمن الشبكة التنظيمية الشاملة إمكانية تعقب كل من التابوتات والمركبات والطرق ومؤهلات الطاقم.

الخبرة التنفيذية والحملات الجارية

وقد تم تنفيذ عمليات نقل هامة بنجاح، حيث انتقلت كميات كبيرة من التربة من إزالة التلوث من مواقع مؤقتة إلى مرفق التخزين المؤقت في أوكوما ومدينة فوتابا، وتتلقى القوة الدولية، التي صممت لحمل ما يصل إلى 22 مليون متر مكعب، قوافل من شاحنات الإغراق المشمولة التي تعمل على الطرق المكرّسة ذات الدخول العام المحدود، وتمر كل شاحنة عبر مراقب للبوابات الإشعاعية، وتظهر الحمولات بأجهزة التتبع الكيكرونيات.

ويتطلب تصريف المياه المعالجة بجهاز البوليسترين وجود بنية أساسية جديدة تماما للنقل والتحلل، وتُنقل المياه المعالجة المخزنة في صهاريج ضخمة في الموقع عبر خط أنابيب يناهز كيلومتر واحد مع أكاسيد مزدوجة للاحتواء وكشف التسرب، وتعبر جدار النبات المصنوع من خلال مخزن معزول منعزل زلزالي، وقبل التحلل والتصريف، يتم مسح المياه وتحللها من أجل 64 مهبطاًاًاً من الإشعاعات دون الحدود التنظيمية.

أما أكثر العمليات التي تتطلبها التقني فهي عمليات إزالة حطام الوقود، ففي عام 2023، نجحت عملية استرجاع تجريبية من الوحدة 2 في استعادة بضعة غرامات من الحطام باستخدام أداة مصممة خصيصا للمسح، وقد تم إغلاق هذه المواد في عبوة نقل تحت جو النيتروجين ونقلت في مخزن كبير إلى مرفق للفحص، وقد استغرقت هذه العملية أسابيع، وحظيت بدعم من خبراء دوليين، وكشفت كل خطوة عن تحديات غير متوقعة مثل توليد الغبار وغرامة.

وتُحدَّث المعلومات المتعلقة بهذه العمليات بصورة دورية بواسطة وزارة الاقتصاد والتجارة والصناعة ] التي تنشر تقارير الحالة والوثائق التقنية التي تعمل كمورد رئيسي للدوائر الهندسية في جميع أنحاء العالم.

تقييم المخاطر وضمان السلامة العامة

ويجري تقييم المخاطر التساهلية في حملات النقل الرئيسية، مما يُظهر تواتر الحوادث المحتملة وعواقبها، بما في ذلك اصطدام المركبات، والنار، وفشل ختم الكاسك، وبالنسبة للنقل الصلب للنفايات، يقدر خطر الإخلال بالاحتواء بأقل من 10 إلى 7 لكل كيلومتر، بل ويقل عن ذلك بالنسبة لأحواض الوقود من النوع باء، وتشكل النتائج الإشعاعية المحسوبة على أكثر الأفراد تعرضاً في موقع الحادث جزءاً من الجرعات الأساسية الطبيعية السنوية، التي تؤكد.

ويعد الاتصال العام جزءا لا يتجزأ من العملية الهندسية، حيث تعقد المنظمة والحكومة جلسات إحاطة مجتمعية لتبادل أشرطة الفيديو التجريبية وخرائط الطريق وبيانات الإشعاع في الوقت الحقيقي، وتوفر مراكز الرصد المستقلة على طول طرق النقل قراءات غاما مفتوحة على الإنترنت لتعزيز الثقة العامة، وفي مبادرة واضحة للشفافية، أجريت اختبارات الخفض الكامل لسلسلة نموذجية على الملأة وعلى الهواء مباشرة، مع قيام مهندسين بتفسير سمات التصميم في الوقت الحقيقي.

التكنولوجيات المستقبلية وخرصلة الطريق التي تُلغى

وسيتطلب خارطة الطريق لإكمال وقف التشغيل بحلول عام 2051 مواصلة جهود النقل، وتعود التكنولوجيات الناشئة بإعادة تشكيل العمليات، ويمكن لمركبات النقل الثقيلة المستقلة ذاتيا التي تسترشد بنظام مراقبة المواقع الجغرافية المجهز بشبكة الاتصالات السلكية واللاسلكية، ورسم الخرائط في نفس الوقت، أن تعمل على ممرات مخصصة، مما يقلل من الوجود البشري، كما أن إدماج 5 شبكات خاصة في فوكوشيما يتيح التحكم عن بعد في مركبات متعددة ذات حجم منخفض من نظام مركزي لإدارة الأسطول.

وتشمل المواد الجديدة قيد التطوير معدات للتدفئة الذاتي لخزنات التخزين المؤقتة وختمات الطفاف المتحركة التي تشدد استجابة للحرارة، وسيتيح المناولة باستخدام الأسلحة الخفيفة ومغيرو الأدوات النموذجية وسيلة واحدة لاسترجاع الحطام، والتلاعب بالمنازل، والمسح الملوث دون وجود مشغل بالقرب من المنطقة الساخنة، والتعاون الدولي من خلال اتفاقات [FLuk:0] بشأن الطاقة النووية في كل مكان.

دروس هندسية للصناعة النووية

وتدل الجهود الهندسية المحيطة بنقل المواد المشعة في فوكوشيما على أن التحليل الدقيق للأمان، والابتكار المادي، والتعلم التشغيلي يمكن أن يخلق نظما تحمي الناس والبيئة على حد سواء، ويواصل العمل الجاري إنتاج المعرفة التي ستؤثر على إدارة النفايات النووية لعقود، ويضع تكامل الاحتواء القوي، والقدرة على مواجهة الزلازل، والتعامل عن بعد، والرصد في الوقت الحقيقي نموذجا لمشاريع الإنهاء الواسعة النطاق في العالم.

إن كل شحنة من فوكوشيما تمثل ذروة عقود من هندسة الأمان النووي التي تكيفت مع ظروف لم يسبق لها مثيل، وأن النهج المتعدد الحواجز، وملامح السلامة السلبية، ومستويات التكرار، تكفل أن الاحتواء لا يزال سليما حتى في ظل السيناريوهات الأكثر تضررا، وهذا الالتزام الهندسي الذي لا يكلل بالتحديات اللوجستية الهائلة إلى عملية آمنة يمكن إدارتها تحمي المجتمعات والنظم الإيكولوجية، مع تمكين العملية الطويلة لإعادة البيئة من الاستمرار.