وتمثل أجهزة إعادة تصنيع المياه المضغوطة العمود الفقري لأسطول الطاقة النووية العالمي، وتوفر الكهرباء التي يمكن الاعتماد عليها في أكثر من 270 وحدة تشغيلية في جميع أنحاء العالم، ويُعتبر تصميمها المثبت، الذي يستخدم المياه الخفيفة كمبردة ومديرة، مأمونة على نطاق واسع، ولكن التهديد الذي ما فتئ يتزايد باستمرار للزلازل يتطلب تحسينا مستمرا في القدرة على التكيف الهيكلي والتخفيف من المخاطر.

وتستكشف هذه المادة الابتكارات التي تم استحثاؤها والتي تعيد تشكيل الطريقة التي تحمي بها الصناعة النووية النباتات من الأخطار السيزمية، وندرس الحلول الهيكلية الجديدة التي تعزز قدرة الطاقات واستيعاب الطاقة، ونناقش تقنيات التخفيف الناشئة التي تتجاوز العزلة السلبية، ونستعرض دراسات الحالة في العالم الحقيقي التي تطبق فيها هذه التكنولوجيات، وننظر أيضا في العوامل التنظيمية والاقتصادية التي تؤثر على التبني، فضلا عن التحديات المتبقية التي يجب أن يتغلب عليها الباحثون والمشغلون في مجال الهياكل الأساسية.

فهم المخاطر السيزمية في النباتات

المزلاجات تولد حركة أرضية تتكاثر كموجات ذات تردد متفاوت وكمية، بالنسبة لمصنع PWR، الشواغل الرئيسية هي الضرر الهيكلي لمبنى المفاعل، وسفن الاحتواء، وهضبة توربين، وهياكل مساعدة؛ فقدان الوظيفة في معدات الأمان مثل المضخات، الصمامات، واللوحات الكهربائية؛ وفشل أنظمة الصمامات التي تحمل مبردات مكثفة.

إن محطات الطاقة الحديثة المصممة عادة لتحمل مهبط الأرض الآمن - الحد الأقصى للحركة الأرضية المتوقعة في الموقع مع احتمالية سنوية منخفضة جداً (مثلاً، 10-4 في السنة) وقد تكون للنباتات القديمة، التي تم بناؤها في رموز سابقة، هامشاً أدنى وتتطلب إعادة تقييم للزلزال أو إعادة ضبطه.

وتعاني هذه الأسلحة من أوجه ضعف محددة: فسفن ضغط المفاعل ثقيلة وموجودة في المبنى، ولكن يجب أن تتسامح مع دعمها وأجهزةها في الحركات التفاضلية، إذ أن المولدات الكهربائية، والمضخات الكهربائية، ومضخات التبريد المفاعلات كبيرة، وهي مكونات ثقيلة يمكن أن تفرض قوى غير مباشرة كبيرة أثناء الهزات، وتتناول الخزائن الكهربائية، وثبات البطاريات، وآليات قيادة المركبات المضغوطة المانعة الحساسة بالتسارعة وتحتاج إلى حلول قابلة للتب.

الحلول الهيكلية الابتكارية

نظم العزل المتطورة في القاعدة

والعزلة الأساسية هي أسلوب راسخ يفصل المبنى عن الحركة الأرضية عن طريق وضع علامات مرنة بين المؤسسة والهيكل الخارق، حيث أن المؤثرات التقليدية في المطاط أو ذات المطاط المرتفعة التأقلم قد استخدمت في العديد من الهياكل المدنية وبعض المرافق النووية، ولكن بالنسبة لمصانع PWR، فإن المطالب شديدة: إذ يجب أن تدعم المفاعلات وزناً كبيراً (حيث لا يستوعب 000 100 طن من المفاعلات).

  • Fiber-reinforced elastomeric bearings (FREIs):] These use layers of carbon or glass fiber instead of steel shims, reducing weight and cost while providing similarعاًرأسياً and horizontal flexibility. they can be customized to provide nonlinear damping that is velocity- dependent, enhancing energy disipation near the predictation.
  • Lead-extrusion dampers integrated with bearings:] Combine the functions of isolation and damping into a single unit, using lead cores that undergo plastic deformation to absorb energy.
  • Triple friction pendulum bearings (TFPBs): Use curved sliding surfaces to achieve multiple stages of stiffness and low friction, offering excellent re-centering capacity and displacement capacity. they have been used in some reactor buildings in Japan and are being evaluated for US plants under the [FRCLT:2] Reg Nuclear reactor.

وتصمم هذه النظم باستخدام تحليل غير خطي زمني - تاريخي مع سجلات حركة أرضية محددة في الموقع، بما يكفل أن تقلل تجارب البناء المعزولة عادة إلى 0.2 إلى 0.3 غ، أي أقل بكثير من سرعة أرضية الذروة البالغة 0.5 إلى 1.0 غ أو أكثر في القاعدة.

Fiber-Reinforced Polymer (FRP) Wraps and Jacketing

فلوحات FRP هي خفيفة الوزن، ومواد مركبة عالية القوة يمكن تطبيقها خارجيا على جدران أو أعمدة أو قذائف احتواء لزيادة قدرة النخاع والقذيفة، وبالنسبة لمصانع PWR، فإن الغلافات ذات الغطاء النباتي ذات فائدة خاصة بالنسبة لما يلي:

  • إعادة تجهيز المباني الحالية للمفاعلات والهياكل الإضافية التي لا تملك القدرة الكافية على استيفاء المعايير الزلزالية المستكملة.
  • تعزيز مرساة خط الاحتواء ومناطق التغلغل حيث تحدث تركيزات الإجهاد.
  • تعزيز أداء جدران مجمعات الوقود المستهلك وهياكل تجهيز المياه المبردة.

(ب) إن تعزيز القدرة على إحداث الاحتراق (CFRP) وهرم النفايات (AFRP) هما أكثر الأنواع شيوعاً، حيث توجد أجهزة مصممة مقاومة للإشعاع ومقاومة للدمار عند استخدام المعاطف الملائمة، وقد أظهرت الدراسات التجريبية أن الأعمدة الخرسانية التي تستخدمها هذه الفئة يمكن أن تحقق زيادة في القدرة العائمة النهائية تتراوح بين 50 و100 في المائة دون تدهور في القوة.

نظم الرصد الهيكلي الذكية

ويسمح أجهزة الاستشعار المزودة بمستحضرات الخرسانة، والصلب الهيكلي، والمعدات الرئيسية بتقييم الأداء السيزمي في الوقت الحقيقي، ويتجاوز الرصد الذكي الحديث تسجيلات التعجيل البسيطة بحيث تشمل ما يلي:

  • الاستشعار البصري المستند إلى الألياف المتينة: ] Fiber Bragg grating (FBG) sensors embedded in the containment wall can measure local strain changes with micron-level resolution, allowing detection of cracking or yielding.
  • Wireless accelerometer networks:] Arrays of MEMS accelerometers placed on floors and equipment provide three-axis data that can be used to computecles and story shears.
  • Digital twins:] Real-time data feeds into a digital model of the plant that updates the structural state and predicts residual capacity after anزل. This can guide post-event inspection priorities and restart decisions.

هذه الأنظمة تم تنفيذها في عدة محطات للمسح الضوئي في اليابان ويجري تجريبها في الولايات المتحدة تحت برنامج استدامة الماء الخفيف التابع لوزارة الطاقة في الولايات المتحدة ويمكن أيضا استخدام البيانات للتحقق من أساليب التصميم السيزمي وتحسينها.

تقنيات التخفيف المبتكرة

نظم التحلل السيزمي المتقدمة للمعدات والرسم

وفي حين أن العزلة الأساسية تحمي المبنى، فإن المعدات الحساسة من حيث السلامة داخله قد تكون معرّضة لتسارعات في الأرض.

  • Seismic isolation of reactor coolant pumps and pressurizers:] Installing springs or elastomeric bearings at the base of these heavy components to reduce transmitted acceleration.
  • Flexible piping connections with metal bellows:] Accommodate differential displacements between isolated and non-isolated structures, preventing nozzle loads that could cause leakage.
  • Seismic snubbers and viscous dampers: Passive devices that allow slow thermal movement but lock up during rapid seismic motion, controlling displacement without overstressing pipe supports.

وكثيرا ما تعاد معالجة هذه التكنولوجيات العزلية على مستوى المعدات أثناء فترات انقطاع الصيانة، وهي تتطلب تحليلا دقيقا للنظام بأكمله لتجنب استحداث أساليب جديدة للفشل، مثل التأثير بين العناصر المتاخمة.

نظم الإنذار المبكر بالاستخبارات الفنية

نظم الإنذار المبكر بالهزات التقليدية تعتمد على كشف الموجات المضغوطة (الموجات الأولية، المضغوطة) لإحداث تحذيرات قبل وصول الموجات المضرة (الموجات الثانوية، الموجات المزروعة)

شبكات الظواهر العصبية التي تم تدريبها على قواعد بيانات كبيرة من الحركة الأرضية المسجلة (مثل شبكات اليابان للشبكة الكترونية وشبكة كيك) يمكن أن تصدر توقعات محتملة لكثافة الهزات الأرضية خلال 1-2 ثانية من اكتشاف الموجات الكهربية، وعندما يتجاوز الركود المتوقع حداً محدداً للنباتات، فإن النظام يبادر تلقائياً برحلة مفاعلات متحكم بها، ويبدأ مولدات الديزل الطارئة، ويُقلل من مخاطرة

ومن الأمثلة على ذلك نظام " النزعة الزمائية " الذي وضعته المؤسسة الأوروبية للطاقة الذرية وعدة مرافق شريكة ]، الذي تم اختباره في محطة تشغيلية للزراعة العضوية في شرق الولايات المتحدة، وتشمل التحديات ضمان سلامة النظام (أي عدم حدوث أي حركات غير متعمدة في الأحداث شبه الحصيفة) وقد يؤدي إلى حدوث أحداث سيزمية متعددة في آن واحد.

إدارة القروض الديناميكية مع أجهزة التضليل

ويمكن لأجهزة الاستغناء عن أجهزة الاستيعاب أو شبه النشطة أن تعدل قوة الخفض في الوقت الحقيقي استنادا إلى الاستجابة الهيكلية، وتشمل الأمثلة ما يلي:

  • Magneto-rheological (MR) dampers:] These contain a liquid that changes viscosity in the presence of a magnetic field. By varying the current to an electromagnet, the damping coefficient can be modulated in milliseconds. MR dampers have been installed in a few bridge and building nuclear project and are being tested
  • Electrorheological (ER) dampers:] Similar to MR but using an electric field, although they require higher voltage and are less robust.
  • Tuned liquid column dampers (TLCDs): ] A U-shaped container of water with an orifice; the water sloshes at a tuned frequency to dissipate vibrational energy. When combined with a changing orifice controlled by a micro-controller, the tool can adapt to different excitation frequencies.

ويمكن إدماج هذه النظم التكييفية في الإطار الثانوي للفولاذ في مبنى المفاعل أو وضعها بالقرب من المعدات الحساسة، وتتمثل مصلحتها في الرواسب السلبية في أنها يمكن أن تستجيب للخصائص المحددة للزلزال في ظل ظهوره، وأن تحقق أداء أفضل على مجموعة من الاقتراحات الأرضية، غير أنها تتطلب إمدادات موثوقة من الطاقة ومراقبتها، وهي خوارزميات تم اختبارها بدقة ضد حركة التخلف والطول.

دراسات حالات إفرادية وتطبيقات الحلول الابتكارية

إعادة استخدام محطة كراس النووية للطاقة، فرنسا

وقد شهد مصنع كراس للزراعة والزراعات (أربع وحدات) حجماً 5.4 زلزال في عام 1993، وهو ما شعر به بقوة في الموقع، رغم أنه لم يتجاوز أساس التصميم، وفي أعقاب ذلك، بدأت المؤسسة الأوروبية للطاقة الذرية برنامجاً لتعزيز القدرة على مواجهة الزلازل، بما في ذلك تركيب أجهزة الإيزوليس في إطار مبان المفاعلات التابعة للوحدتين 2 و3، كانت مفاعلات العزل من نوع HDRB ذات عنصر أساسي رئيسي رئيسي مصمم للحد من انتقال النفايات.

رصد الزلازل المتقدم في محطة الطاقة النووية في شيمان، اليابان

وقد وضع مصنع شيمان (BWR) ولكن ذي صلة بالرصد) مجموعة واسعة من التسارعات وقياسات الإجهاد في مباني مفاعله، إلى جانب نظام إنذار مبكر يستخدمه المعهد للتنبؤ بكثافة الحركة الأرضية، وقد بدأ تشغيل النظام منذ عام 2019، ونجح في إجراء اختبار خلال زلزال يبلغ حجمه 6.1 في عام 2021، مما يوفر إنذاراً قبل بلوغ ذروته، وتستخدم البيانات التي تم جمعها لتنقية الظواهر المتخلفة.

استخدام نظام تبادل المعلومات المتعلقة بتعبئة الوقود المستهلك لتعزيز

بعد حادثة (فوكوشيما) العديد من النباتات في العالم قد قيمت القدرة السيزمية لمجموعات الوقود المستهلك في مصنع (كالاواي) للوقود في الولايات المتحدة

الاعتبارات التنظيمية والاقتصادية

يتطلب اعتماد حلول سيزمية مبتكرة في الصناعة النووية تهدئة مشهد تنظيمي معقد في الولايات المتحدة، يتطلب نظام (NRC) 10 CFR 50.55a) و (تذييل S) تصميم هياكل ونظم ومكونات متصلة بالسلامة على أساس نظام SSE.

وتتفاوت تكلفة تنفيذ التخفيف من الزلازل المتطورة تفاوتا كبيرا، ويمكن أن تتجاوز العزلة الأساسية لمبنى واحد للمفاعلات 50 مليون دولار للتصميم والمواد والتركيب، بالإضافة إلى الخسائر المتصلة بالخروج، ومع ذلك فإن تكلفة فقدان الطاقة والإنتاج إذا ما أريد للمصنع أن يعاني من توقف طويل بعد وقوع زلزال كبير قد تكون أعلى بكثير من ذلك، ويمكن أن تساعد التحليلات التناسبية للتكاليف (استخدام أدوات مثل تقييم الهامش السيزمي أو عمليات صنع القرار على أساس المخاطر).

وعلى الصعيد الدولي، توفر الوكالة الدولية للطاقة الذرية إطارا لتقييم السلامة السيزمية، بما في ذلك استخدام الأساليب المحددة والتنبؤية، وقد أدرجت بلدان كثيرة في مدوناتها الوطنية أحكاما للتصميم تستند إلى الأداء، مما يمكن أن ييسر اعتماد حلول مبتكرة، ولا يزال التحدي الرئيسي يتمثل في بناء الثقة في الأداء الطويل الأجل للمواد والنظم الجديدة في ظل الظروف القصوى لبيئة محطات الطاقة النووية - درجة الحرارة العالية، والإشعاع، والتعرض الكيميائي المحتمل على مدى 60 عاما أو أكثر من النباتات.

الاتجاهات والتحديات المستقبلية

ومن المرجح أن يركز التطور المستمر في التخفيف من حدة الاهتزاز بالنسبة لمصانع PWR على إدماج طبقات متعددة من الحماية، مثلا، أن الجمع بين العزلة الأساسية وبين التكتل التكييفي والإنذار المبكر في الوقت الحقيقي يمكن أن ينشئ نظاما لا يقلل من الطلب السيزمي فحسب، بل يدار أيضا بفعالية استجابة المصنع، بل إن الاستخبارات الفنية والتعلم الآلاتي يؤدي دورا متزايدا، ليس فقط في الإنذار المبكر، بل أيضا في تقييم الأضرار اللاحقة للآلاف.

وثمة مجال واعد آخر هو تطوير مواد للتطعيم الذاتي، مثل الخرسانة البكتيريا التي يمكن أن تغلق الشقق تلقائيا، ويمكن استخدامها في هياكل الاحتواء للحفاظ على التسرب بعد وقوع حدث زلزالي، غير أن هذه المواد لا تزال في مرحلة المختبر ويجب إثبات أنها تعمل تحت حمولات حرارية من الإشعاعات الدورية.

ولا تزال هناك تحديات قائمة، إذ أن الديناميات غير الخطية للهياكل المعزولة في ظل الزلازل القريبة من الفشل التي تصيبها نبضات تشرد كبيرة لا تُفهم تماما بالنسبة للمباني النووية الثقيلة، كما أن إمكانيات التفاعل بين هياكل التربة لجعل العزلة أقل فعالية في التربة الشائكة تحتاج إلى مزيد من الدراسة، ولا تزال التكلفة حاجزا، لا سيما بالنسبة للمصانع القديمة التي لها حياة تشغيلية محدودة، ويمكن أن تؤدي إلى تأخير الموافقة على أساليب جديدة، حتى عندما توفر فوائد أمنية واضحة.

إن برامج البحث التعاونية، مثل شبكة الهندسة السيزمية الدولية للتركات النووية ومشاريع البحوث المنسقة التابعة للوكالة الدولية للطاقة الذرية، هي برامج أساسية لتبادل البيانات، وطرائق النماذج المرجعية، ووضع نهج موحدة، ومن خلال البناء على النجاحات التي حققها المعتمدون المبكرون، وإظهار موثوقية طويلة الأجل، يمكن للصناعة النووية أن تجعل محطات PWR أكثر قدرة على التكيف مع الحركة الأرضية الحتمية التي ستتم في مناطق نشطة ذات قدرة على الحفاظ على الثقة.

خاتمة

ويجب أن تتطور محطات إعادة التأهيل والاستخراج المستمر لكي تكون في متناول الخطر السيزمي، فالحلول المبتكرة التي يرد وصفها في هذه المادة، والعزلة الأساسية المدعمة بالمقال، والغطاءات التي تُستخدم في رصد الذكاء، والهبوط التكييفي، والإنذار المبكر الذي تحركه الوكالة الدولية للطاقة الذرية، هي مجموعة أدوات قوية لتعزيز القدرة على التكيف الهيكلي والحد من المخاطر، وفي حين أن التحديات التي تواجه التكلفة، والتنظيم، والتثبت التقني، لا تزال، فإن الفوائد من حيث السلامة، والاعتماد، هي عوامل أساسية، هي، هي، هي، هي، هي، هي، التي يجب أن تُتَجَعَل،