التحديات الهندسية في إعادة بناء قوة فوكوشيما

إعادة بناء قوة فوكوشيما ظفرها: الهندسة تحت ظروف قصوى

إن الزلزال وأمواج التسونامي التي ضربت اليابان في 11 آذار/مارس 2011، قد أحدثت كارثة تجاوزت إلى حد بعيد الانهيار المفاعل في محطة فوكوشيما دايشي للطاقة النووية، حيث قامت القوات الطبيعية بتعبئة الهياكل الأساسية الحيوية في منطقة توهوكو، مما أدى إلى تطوّر الملايين دون الكهرباء، والمياه النظيفة، والاتصالات، والخدمات الطبية، وأصبح بناء شبكة الطاقة والنظم الأساسية في المنطقة واحدا من أكثر العمليات الهندسية احتياجا في العصر الحديث.

The Scale of Infrastructure Destruction

وفي الساعة 2:46 من الزمان المحلي، وقع زلزال ميغاثوردي على طوله 9.5 كيلومترا قبالة ساحل المحيط الهادئ، مما أدى إلى تهجير قاع البحر بقوة غير مسبوقة، وفي غضون ساعة، كانت موجات تسونامي تتجاوز 40 مترا في بعض المواقع تصطدم بالساحل، وفقد مصنع فوكوشيما دايشي إمدادات الطاقة الخارجية ومولدات الديزل الاحتياطية، مما أدى إلى انقطاع محطة إذاعية عن الانزلاق المميتري بعد ذلك.

فبعد المصنع نفسه، دمر الزلزال وأمواج التسونامي أو ألحق أضرارا جسيمة بستة آلاف مبنى و 000 2 طريق ومئات من الجسور، ولحقت الشبكة الكهربائية - من خطوط نقل ذات دفعة عالية إلى لوحات التوزيع المحلية - أضرارا كارثية جعلت من المستحيل إعادة الطواقم التقليدية، وتوقفت شبكة توليد الكهرباء في توهوكو، التي تخدم المنطقة، عن العمل في مناطق كبيرة، وشهدت ست مقاطعات انقطاعا في المياه، واسع النطاق الجغرافي، وفقد ما يقرب من ٤,٤ مليون أسرة معيشية الطاقة الكهربائية.

Unique Engineering Challenges in Power Grid Restoration

التحاور الإشعاعي وسلامة العاملين

وقد أدى تشت المواد المشعة إلى تهيئة بيئة عمل دون سابق تاريخية لمهندسي المرافق العامة وأطقم خطوطها، حيث تم إيداعها في نصف عمر لمدة 30 سنة تقريبا على التربة والنباتات وأسطح البنى التحتية في منطقة واسعة، وحتى خارج منطقة الاستبعاد الفوري، كانت البؤر الساخنة بحاجة إلى رسم خرائط باستخدام قياسات الجرعات في الوقت الحقيقي قبل أن يبدأ أي عمل إصلاحي.

وقد شارك العمال في عمليات التطهير على الوجه الكامل، وبذلات غير قابلة للتداول، ومقاييس شخصية، وكان على كل أداة ومركبات ترك الموقع أن تخضع للتفكك، وهي عملية يمكن أن تضيف ساعات إلى كل نوبة، وفرضت قيودا شديدة على فترات التحول ووتيرة العمل المادي، كما تم نشر مواد متخصصة في مجال الحماية - بما في ذلك البطانيات الرئيسية والحواجز التي تملأها المياه - لتقليل معدلات التركيز على العناصر الفرعية المضرورة.

التدمير المادي الشامل للهياكل الأساسية

وقد أفسدت القوة المادية المزروعة للتسونامي معظم الشبكة الكهربائية، وزادت أبراج نقل الكهرباء بفعل الحطام العائم، وغرقت مئات الغواصات بمياه بحرية متآكلة، وتصدعت آلاف أعمدة التوزيع تحت موجة موجة موجة، وفي المناطق الساحلية، أدى الجمع بين تآكل المياه المالحة وتركيب الرواسب إلى نشوء بيئة عدوانية أدت إلى تعجيل التآكل في رذاذفات النحوم ورش المتحولات.

وقبل أن يبدأ الإصلاح، كان على الأطقم أن تزيل الطين والأشجار السقطة وحطام الطرق وطريقها الصحيح، ولم يكن التدمير مقصورا على مقاطعة فوكوشيما؛ وتم تمديد التسونامي من أوموري إلى شيبا، وكان هذا الانتشار الجغرافي يعني أن مواد التصليح، مثل المحولات الاستبدالية وأجهزة قطع الطرق، كان من الممكن أن تُستمد جزئيا من مختلف أنحاء اليابان ومن صناعات دولية ضخمة.

انعدام الاستقرار السيزمي والشواغل الجيوتقنية

وقد أدى الزلزال إلى تغيير المشهد بصورة دائمة، وفي مناطق كثيرة، أدى انخفاض الأراضي إلى حد متر واحد إلى زيادة خطر الفيضانات في إعادة بناء الهياكل الفرعية، حيث تفقد التربة الرملية المشبعة قوتها أثناء الهز - إلى نشوء أسس لنقاشات كابلية تحت الأرض وخاتم في القشرة، واستمرت الأظافر لمدة أشهر، حيث تجاوزت المئات ٥,٠، يهدد كل منها بإجراء عمليات إصلاح غير سليمة ويحتاج إلى تفتيش جديد للمعدات الحديثة.

وقد أجرى مهندسو التكنولوجيا الجيولوجية تقييمات سريعة للاستقرار باستخدام اختبارات اختراق المواسير والرادار المزود بالشبكة الأرضية لتحديد المكان الذي يمكن فيه أن يكون من الآمن إقامة أعمدة جديدة أو إنشاء أغطية للمحولين، وفي بعض المناطق المتضررة من التسككك، كان الحل الوحيد الممكن هو نقل الهياكل الأساسية إلى أرض أعلى وأكثر استقرارا، مما يزيد من تعقيدات إعادة تصميم الشبكة، وقد استخدمت تقنيات الخلط العميق بين التربة والزلزاليات ذات الصلة في تعزيز المواقع التي لم تُتخذ بشأنها تدابير هامة في عام ١٩٩٥.

اختلالات في سلسلة الإمداد والإمدادات

كما أن إعادة الإمداد قد زادت تعقيدا بسبب انهيار شبه كامل للشبكات الإقليمية للوقود والنقل، إذ أن العديد من الطرق غير قابلة للقطع، كما أن نقص الديزل والغازولين يحد بشدة من حركة أطقم الإصلاح والآلات الثقيلة، وقد فتحت قوات الدفاع الذاتي اليابانية طرقا مؤقتة، ولكن الوصول إلى أغلف الأماكن الساحلية كثيرا ما يتطلب مركبات أو طائرات هليكوبتر مجهزة بالوقود في مناطق أخرى، مخزنة في صهاريج مؤقتة.

وقد أدى انقطاع الاتصالات إلى جعل التنسيق بين المرافق العامة، والتنميط، والوكالات الحكومية أمرا بالغ الصعوبة في الساعات ال ٧٢ الأولى، إذ أصبح قطع الغيار الحرجة مثل الشجيرات ذات الارتفاع، وأجهزة الكسر التي تعمل بالغاز SF6، في إمدادات قصيرة على الصعيد العالمي، مما أدى إلى بذل جهد في مجال المشتريات في حالات الطوارئ يشارك فيه المصانع في أوروبا وأمريكا الشمالية، وكان على المهندسين أن يرتبوا أولويات إعادة تعبئة المعدات بطريقة توازن الاحتياجات الطبية والحكومية في ضوء الوقت اللازم لتوفيرها.

إعادة الخدمات الأساسية إلى ما بعد الكهرباء

ولم يكن من الممكن إعادة تشغيل شبكة الكهرباء إلا جزء من أحجية أكبر من الهياكل الأساسية، فبدون كهرباء موثوقة، لم يكن بالإمكان إعادة تشغيل نظم أخرى من خطوط الحياة، مما يعني أن التقدم على الشبكة يجب أن يتزامن مع المياه والاتصالات والخدمات الطبية لتجنب الفشل في التكسير، وكثيرا ما تسير إعادة هذه النظم بالتوازي مع اجتماعات التنسيق الشاملة للقطاعات التي تعقد يوميا لمواءمة الجداول الزمنية وحل النزاعات.

إمدادات المياه ومعالجة المياه المستعملة

وقد أدى الزلزال وأمواج التسونامي إلى تمزق آلاف من أهميات المياه، وانهيار هياكل الاستيعاب في محطات المعالجة، والمستودعات الملوثة بالمياه المالحة والحطام، وفي مدينة فوكوشيما والمناطق المحيطة بها، انخفض ضغط المياه إلى الصفر، وواجه المهندسون مهمة مزدوجة تتمثل في إصلاح شبكة الأنابيب المادية - التي كثيرا ما تكون مدفونة تحت المباني المنهارة - وضمان أن تكون أي مياه مضخة في النظام مأمونة من التلوث الإشعاعي.

ونظراً لأن التركيز التنظيمي الأولي كان على الإطلاقات المنقولة جواً، فقد تعرضت بعض مصادر المياه السطحية لليود-131 والسيزيوم، حيث قام مهندسو مرافق المياه بنشر وحدات متنقلة تعمل بالأشعة العكسية، ومرشحات الكربون المنشطة، وأعمدة الاستيعاب القائمة على الزلويت لمعالجة إمدادات المشتبه بهم، وفي الوقت نفسه، أعطى الكهرباء الأولوية لتوليد الطاقة الكهربائية إلى محطات الضخ بحيث يمكن للمستشفيات وملاجئ الطوارئ تلقي مياه غير صالحة للصرف الصحي.

الاتصالات السلكية واللاسلكية وشبكة الإنترنت

وعندما غطت أمواج التسونامي برج خلايا ومعدات مكتبية مركزية مغمورة، قطعت مجتمعات بأكملها من تنبيهات الطوارئ، كما تم قطع خطوط الإنقاذ الضوئية التي تعمل على الطرق السريعة الساحلية في عشرات الأماكن، وتركّب مهندسو الاتصالات محطات أرضية متنقلة ووصلات للخلف تعمل بالموجات الدقيقة في غضون أيام لاستعادة الصوت الأساسي وخدمات البيانات، وتشغّل هذه النظم المؤقتة على البطاريات والمولدات حتى يمكن إعادة الطاقة الدائمة.

لأنّ البؤر الساخنة للإشعاع كانت دينامية، قامت شركات خلوية بنشر فرق اختبارات للسيارات ذات أجهزة قياس مُستقطعة لرسم خرائط التغطية وخطر التعرض في وقت واحد، وبالنسبة للتغطية الموسعة داخل منطقة الاستبعاد، طور المهندسون وحدات لاسلكية تعمل بالطاقة الشمسية في مساكن مقاومة للإشعاع، مما سمح للآليات ومصفوفات الاستشعار بنقل بيانات الفيديو والقياس إلى نظام رصد الإشعاع المتكامل.

بنية الرعاية الصحية والتصدي لحالات الطوارئ

فقد فوراً مستشفيات منطقة الكوارث الطاقة الكهربائية، وفي بعض الحالات، تم إغراق مولداتها الاحتياطية، وصيانة السلاسل الباردة لللقاحات، وتشغيل معدات دعم الحياة، وتعقيم أدوات الجراحة أصبح مستحيلاً بدون كهرباء، وتعاون المهندسون من قوات الدفاع الذاتي اليابانية وشركات المرافق العامة على عزل مغذيات المستشفيات وإعادة الطاقة كأولوية عليا، وكثيراً ما يديرون كابلات مؤقتة من الأجهزة الفرعية المتنقلة.

وفي جامعة فوكوشيما الطبية وغيرها من المرافق الرئيسية، تم ربط مجموعات المولدات المتنقلة في غضون ساعات، ولكن التحدي المتمثل في تأمين إمدادات ثابتة من الوقود استمر لأسابيع، وأضافت مخاوف الإشعاع طبقة أخرى: فقد تعين على المستشفيات إنشاء مناطق لفحص التلوث منفصلة عن إدارات الطوارئ الأخرى، وساعد المهندسون على تصميم نظم للمناولة الجوية مع تليف من وكالة حماية البيئة البحرية يمكن أن تكون مستمدة من مصادر مؤقتة، كما أن هذه الكارثة قد أدت إلى إنشاء [FLukT:

شبكات النقل والطرق

وكان إصلاح النقل أساسيا في إيصال المعدات والأفراد، حيث عانى طريق توهوكو السريع وغيره من الشرايين الرئيسية من انهيار الجسور، وفشل الضواحي، وقطع الحطام، واستخدم المهندسون المدنيون تقنيات البناء المعجلة - بما في ذلك عناصر الجسر الجاهزة والخرسانة السريعة الصنع - لإعادة فتح الطرق الاستراتيجية، حيث تم إصلاح ما يزيد على ٠٠٠ ٢ فرع من أقسام الطرق في غضون الأشهر الستة الأولى، حيث كان كثيرون منهم في ظروف الطقس السيئة.

وكان من أبرز قصص النجاح إعادة صعود طوهوكو شينكانسن، حيث قام مهندسو السكك الحديدية بإصلاح 200 1 موقع متضرر على طول خط السكك الحديدية المرتفع السرعة واستؤنفت الخدمة الكاملة في غضون 49 يوما فقط، وبالنسبة للطرق داخل منطقة فوكوشيما الاستبعادية، وضع مهندسون ممرات نظيفة ، تم التخلص من المنظومات المتحركة ذات الصبغة.

Innovative Engineering Solutions Deployed

نظم التحكم عن بعد والروبوت

وقد أدت المفاعلات العالية الإشعاع داخل مباني المفاعل وحولها إلى تدخل بشري خطير للغاية، حيث قامت الشركات اليابانية والشركاء الدوليون باستحداث أسطول من الروبوتات مصمم خصيصا لاسترداد الكوارث، وفيما يتعلق بإعادة تشغيل الشبكة، قامت المفترسات وناقلات الزحف بتنظيف الحطام من مواقع تحت الأرض دون تعريض مشغلي الجرعات الضارة، وقامت طائرات مجهزة بمطياف غاما، وقامت كاميرات حرارية بإجراء دراسات جوية عن ممرات نقل، مما أدى إلى تدمير المفاعلات.

"تفتّش "الرقائق تحت الماء الفيضانية و الأنفاق الكابلية، مما قلل الحاجة إلى دخول الفضاء المحصور في البيئات الملوثة، هذه النظم الآلية لم تكن مجرد مظاهرات غير مُتّبعة بل تطورت إلى مجموعات أدوات دائمة تُبقيها "تي بي سي" و" "مرافق أخرى" على استعداد للحوادث المستقبلية، وتجربة "فوكوشيما" حفّت صناعة كاملة في الهندسة الآلية المُتّة،

الحلول المتنقلة والوحدوية للطاقة

ونظرا لأن العديد من هذه المراكز الفرعية تتجاوز الإصلاح الفوري، تحولت المرافق إلى حلول مؤقتة متنقلة لإعادة تنشيط الأحمال الحرجة، حيث تم شحن وحدات فرعية محمولة - كاملة مع المحولات والمتحولين والمتحولين ونقل الحماية - من المصنعين في أوروبا، وتم ربطها عبر كابلات ذات حركة عالية مرنة، ويمكن نقل هذه الوحدات إلى مرحلة الاستعادة، بحيث يتم نشرها كحجارة تدريجية نحو بلوغ ذروة شبكة فرعية دائمة في وقت واحد.

وقد وفر المولدات الكهربائية للديزل المتوسطة الحجم على الشاحنات ميكريدات مجهرية للمستشفيات ومصانع معالجة المياه، وفي القرى غير المأهولة، نشر المهندسون نظما هجينة ذات صبغة فولطية ضوئية، مما أدى إلى إزالة الحاجة إلى إمدادات الوقود، وقد أثبتت هذه النظم النموذجية فعاليتها بحيث أصبحت منذ ذلك الحين عناصر موحدة لخطط اليابان للتأهب للكوارث، وهي مثبتة مسبقا في مواقع استراتيجية، كما أنها تجري اختبارا منتظما في مجال تنسيق القيمة.

الشحنات المتطورة لرصد الإشعاع

وتتطلب مراقبة التعرض للإشعاع الخارجي أثناء أعمال الإصلاح مجموعة من الابتكارات الدرعية، حيث قام العمال بتركيب جدران مؤقتة مصنوعة من الفولاذ وألواح الرصاص حول المحولات المضرورة لإنشاء مناطق آمنة محلية، وفي المناطق المرتفعة الجرعات، توفر الحاويات البلاستيكية المزودة بالمياه - المعروفة بأسوار المياه - درعا اقتصاديا وفعالا يمكن أن يُستنزف ويُنقل ويُعاد استخدامه، ويمكن أن تقلل هذه الجدران المائية معدلات الجرعات بما يزيد على 90 في بعض الفترات.

وفي الوقت نفسه، تم تعزيز شبكة رصد شاملة تستخدم System for Prediction of Environmental Emergency Dose Information (SPEEDI) مع آلاف من أجهزة الرصد الثابتة والكشف عن المركبات، وقد أدمجت هذه البيانات في نظام معلومات جغرافية مركزي يسمح للمشرفين الميدانيين بتتبع التعرض التراكمي لكل فرد من أفراد الطاقم في الوقت القريب من الأرض، بما يكفل الامتثال

إعادة تصميم الهياكل الأساسية المؤقتة وال الدائمة

وبدلا من مجرد استبدال الأصول المضرورة في نفس المواقع الضعيفة، أدت الكارثة إلى إعادة التفكير في تصميم الهياكل الأساسية بصورة أساسية، وأعيد توجيه خطوط النقل الجديدة إلى الداخل، بعيدا عن منطقة التسونامي، ومصممة بمعايير أعلى للتحميل بالرياح والزلازل، وتم رفع البارايات على منابر معززة، وتم إغلاق مباني المراقبة على المياه في مسارات، ونقل ما يزيد على 200 كيلومتر من خطوط النقل إلى أرض أعلى.

كما استحدث المهندسون تكنولوجيات جديدة للشبكات، بما في ذلك أجهزة الكشف الآلي عن الأخطاء، ومفاتيح التحويل عن بعد، وذلك من أجل إتاحة سرعة التلقيم الذاتي للشبكة بعد الاضطرابات المقبلة.

دراسة حالة: إعادة تشكيل جماعة توهوكو شينكانسن والقري الإقليمي

وربما كان أكثر رمز للانتعاش السريع وضوحا هو استعادة خط السكك الحديدية المرتفع السرعة الذي يربط طوكيو بشمال هونشو، حيث حطم الزلزال أسلاك مائية مقطوعة، وشقق قنابل محددة، وتحولت المسارات، وحشدت شركة الخطوط الجوية اليابانية الشرقية أكثر من 500 8 مهندس وعمال، ونشرت استراتيجية متكاملة لتصليح الصواريخ في الوقت الحقيقي باستخدام بيانات متناسقة.

في غضون 48 ساعة الأولى، قام مهندسو السكك الحديدية بتقييم 200 1 نقطة ضرر وأعطىوا الأولوية لـ 80 عملية إصلاح هيكلية رئيسية، واستخدموا تعزيزات فولاذية جاهزة لطوابق المفرقعات المتصدعة، ومصنعات سريعة لإصلاح الرصيف، مما مكّن من إعادة فتح الخط لخدمة محدودة في غضون أسبوع واحد فقط، وخدمة كاملة في غضون سبعة أسابيع، وقد ارتبط هذا الجهد ارتباطا مباشرا بإعادة تشغيل شبكة الكهرباء لأن عمليات شينكانسن تتطلب كهرباءاً

الدروس المستفادة والتأهب في المستقبل

وقد أعادت كارثة فوكوشيما كتابة القواعد المتعلقة بمرونة الهياكل الأساسية، ومن النتائج المباشرة تعديل قانون الأعمال المتعلقة بالكهرباء اليابانية بحيث يكلف بإجراء تقييمات أكثر صرامة للمخاطر المتعلقة بالهزات وأمواج التسونامي لجميع المرافق، وقد وسعت الجهات التنظيمية النووية في جميع أنحاء العالم لتشديد معايير السلامة، ولكن الأثر الأوسع نطاقا كان على الممارسة العامة للهندسة المدنية، ووسع مفهوم [رموز التقلبات العالية] ليشمل التأثيرات المركبة،

وهذا يعني بالنسبة لشبكة الطاقة، أن الرفع من مستوى التكتل تحت الأرض فوق الحد الأقصى المتوقع للصدمات التسونامية، وتعزيز هياكل النقل ضد الريح المتزامنة وحملات الزلازل، وتركيب موارد جيلية أكثر توزيعا مثل الميكروبات الدقيقة الغازية الطبيعية ونظم تخزين الطاقة الشمسية التي يمكن أن تعمل في شكل جزي، وتحفز عمليات الطوارئ الآن على إحداث إخفاقات كهربائية ومائية ووصلية، مما يجعل من المرافق تمارس التنسيق بين مختلف القطاعات.

وأنشأت الحكومة اليابانية أيضا مجلس إدارة الكوارث والهيكل الأساسي لمواجهة الكوارث، الذي يمول البحوث في نظم الإنذار المبكر، ومواد التعافي الذاتي، والآليات اللازمة للإصلاح. كما أن الخبرة الفنية في مجال تطوير القدرة على مواجهة الكوارث في مكتب الأمم المتحدة المعني بالحد من الكوارث قد تجاوزت معايير التصميم الدولي للقوى العاملة في مجال الحد من مخاطر الكوارث.

خاتمة

وما زال إصلاح شبكة الطاقة والخدمات الأساسية لمنطقة فوكوشيما يمثل مهمة هندسية ضخمة تتطلب ابتكارا مستمرا في ظل بعض الظروف الأكثر خطورة التي يمكن تصورها، ولم تكن التحديات تقنية فحسب - تتناول الإشعاع والدمار وعدم الاستقرار السيزمي - بل أيضا لوجستية، وتتطلب تنسيقا غير مسبوق للموارد البشرية والمادية، ومن الخراب، ظهرت جيل جديد من الهياكل الأساسية المستقرة، مبني على تطبيق متطور للآليين.

إن العمل لم يكتمل بعد، وإلغاء تشغيل المصنع وإعادة تنشيط المجتمعات الملوثة بالكامل سيستمر منذ عقود، غير أن الاستجابات الهندسية التي أنشئت في أعقاب 11 آذار/مارس 2011، أعادت بالفعل تشكيل المعايير العالمية للتأهب للكوارث، وقدمت مخططا عمليا لإعادة البناء عندما تتجمع الطبيعة والتكنولوجيا، وتظهر القدرة على التكيف التي تم تصميمها في شبكة وشبكات الخدمات الجديدة في فوكوشيما أن ما يُستفاد منه حتى في مواجهة الكوارث، هو التخطيط الدقيق، والخطورة.