Table of Contents
The Genesis of the Fukushima Water Crisis
عندما ضرب زلزال توهوكو وسونامي في آذار/مارس 2011، فقد محطة فوكوشيما دايشي النووية للطاقة كل الطاقة والتبريد الاحتياطي، وعانى ثلاثة من نواة المفاعلات من الانهيار الجزئي، حيث أطاحت جدران البحر المتناهيج للتسونامي ومولدات الطيف المفيضان، وبغية تثبيت المفاعلات المتضررة ومجمعات الوقود المستهلك، قام المشغلون بحرق كميات كبيرة من مياه البحر الأولى، ثم المياه العذبة.
ومقارنة الأزمة، تتدفق المياه الجوفية من الجبال المجاورة يوميا إلى قاعات المفاعلات، مختلطة بالمبردات الملوثة بالفعل، كما أن مياه الأمطار قد زادت إلى الأحجام، وفي ذروة ذلك، تولد يوميا نحو 400 متر مكعب من المياه الملوثة الجديدة، واليوم، من خلال تدابير واسعة النطاق لمراقبة المياه الجوفية، انخفض هذا التدفق إلى حوالي 100 متر مكعب يوميا، ولكن التراكم المخلف لا يزال واسع النطاق في مواقع التخزين المسطحة.
وتشمل ملامح التلوث السيزيوم - 137، والسينسو - 134، والسترونتيوم - 90، والتريتيوم، واليود - 129, والكوبالت - 60، والروتينيوم - 106، وعشرات النويدات المشعة الأخرى، والكثير منها لديه نصف عمر وحيد، وقد تفكك في مستويات لا تذكر، غير أن التريتيوم مرتبط كيميائياً بالهيدروجين في الخلية الصناعية نفسها، مما يجعله متفاوتات الصناعية ذات تنوعاً.
التحديات الهندسية الرئيسية في إدارة المياه الملوثة
ويشتمل تناول قائمة جرد المياه في فوكوشيما على أكثر بكثير من مجرد صهاريج تخزين المباني، ويواجه المهندسون تحديات مترابطة في مجال مراقبة الحجم، والتنوع الملوث، والحد من الهياكل الأساسية، والصعوبة الفريدة التي تواجه تريتيوم، وقد طالب كل منهم بإيجاد حلول جديدة في ظل ضغط زمني متطرف وفحص عام، وقد تطور الجهد الهندسي من الاستجابة لحالات الطوارئ إلى برنامج علاجي طويل الأجل يخضع للرقابة ويرسي سوابق للصناعة النووية العالمية.
استمرار تدفق المياه وإدارة الحجم
ويحتوي تدفق المياه الجوفية الذي لا يطاق في البداية على ميزان المياه، ويحتوي المهندسون على نظام من الدراجات الفرعية، وآبار الاستخلاص، وجدار متجمد للتربة يعيد توجيه المياه الجوفية النظيفة بصورة جماعية بعيدا عن مباني المفاعلات، ويقلل هذا التدفق بنسبة 75 في المائة تقريبا، ولكن الحجم المتبقي من المياه يخزن بالفعل ما يزيد على 1.3 مليون متر مكعب من المياه المتجمدة.
تعقيدات الترددات المشعة
ولا يمكن لأي عملية معالجة واحدة أن تزيل جميع النويدات المشعة الموجودة في مياه فوكوشيما، فالجهود المبكرة التي تركز على السيزيوم بسبب ارتفاعه وانبعاثاته من غاما، ولكن التسلسل العمري للكوبالت والروبيان والنظائر الأخرى يتطلب مراحل منفصلة من الإزالة، وقد تطور الحل الهندسي إلى قطار معالجة متعاقب بعناية، حيث تستهدف كل مرحلة أنواعاً كيميائية محددة تستخدم فيها وسائل التركز.
حدود البنية التحتية للخزن
تُقيّدُ الأرض الجبليةُ المُتَحدّدةُ المكانَ، الدباباتَ يَجِبُ أَنْ تُبنى على الأرضِ المُستَعادَةِ و الأرضِ المُنَحَةِ، تَتطلّبُ تدابيرَ جيوّةَ لمنع التَوطّنِ و ضمان استقرارِ الصهاريجِ الكبيرةِ
سلسلة من ألعاب تكنولوجيا الفصل بين الأطراف
ولا يمكن أن يُستحلى التريتيوم من الهيدروجين العادي، وبالتالي فإنه يمر عبر نظم معالجة المياه التقليدية، ولكن الطرق التي يمكن أن تفصله مثل تفكك المياه، أو التحلل الكهربائي، أو حفز التبادلات على إحداث تضخم هائل في الطاقة، ولم يتم أبداً توسيع نطاقه إلى نقطة التخلّص الدقيقة اللازمة في فوكوشيما، ونتيجة لذلك، فإن جميع المنتجات التي تعالجها أكثر النظم تقدماً لا تزال تحتوي على ثلاث سنوات.
حلول التخزين المتقدمة: نظم الاحتواء الهندسية
ولإقامة الحجم المتزايد للمياه الملوثة بأمان، نشر المهندسون بنية أساسية للتخزين مصممة للدوافع والكشف عن التسرب والقابلية للتصعيد، ويجمع هذا النهج بين إدارة المياه على نطاق الموقع وبين آلاف الصهاريج التي تم ترتيبها في كتل مصممة بعناية، وقد اختير كل عنصر من عناصر نظام التخزين - من أسبائك الصلب المستخدمة في بناء الصهاريج - إلى أجهزة الاستشعار التي ترصد التسرب - الحاويات، وذلك لزيادة الموثوقية على مدى الحياة التشغيلية الموسعة.
تصميمات الدبابات ورصد النزاهة
وتتكون سفن التخزين الرئيسية من دبابات فولاذية كبيرة ومسطحة ومثقلة بأجهزة حرارة حرجة، ويضم العديد منها حواجز ذات جدران مزدوجة أو تشكيلات مزدوجة من أجل توفير الاحتواء الثانوي، وتكشف أجهزة التخزين ذات المستوى العالي من التآكل والتردد عن السائل عن السطح الداخلي من الكيمياء المائية العنيفة، وتوضع كل خزانة بمستشعرات وأجهزة إنذار بصرية مصممة على الفور.
التنسيب الاستراتيجي والتكرار
وتنظم الدبابات في " أغطية " على أسرة مقبرة مفصَّلة بالكشف عن التسرب المتكامل، ويجلس كل فريق على أساس مصمم لمواجهة الزلازل التي تُطغى عليها الصنادل أو التعزيزات التي تُستخدم في العزلة السيزمية، كما أن الممرات المُتَصَنِّبة والمضخات التحويلية تتيح للمشغلين نقل المياه في حالة تسرب أو صيانة شاملة، وهذا التكرار، مما يضمن عدم إمكانية استيعاب شبكات الصيانة.
تكنولوجيات معالجة المياه
تطورت معالجة مياه (فوكوشيما) الملوثة تطوراً كبيراً منذ عام 2011 العملية متتالية ومتعددة الهمجية بهدف خفض النشاط الإشعاعي للوفاء بالمعايير التنظيمية للتصريف أو التخزين لأجل غير مسمى، والنظم الموجودة حالياً تمثل بحوثاً سريعة وتطويراً ونشراً في ظروف متطرفة، وتستهدف كل مرحلة من مراحل التدريب العلاج نويدات إذاعية محددة، وتصمم المنظومة بأكملها من أجل التشغيل المستمر بأقل قدر من الوقت.
عمليات إزالة الألغام من السيزيوم وسترونتيوم
وتُركّز المعالجة الأولية على إزالة السيزيوم باستخدام نظام ريتسييف واسترجاع المياه المبسّط الذي طوره كوريون (فيوليا الآن) ويستخدم هذا النظام وسائل نقل الأيوني ذات كفاءة عالية في إزالة الأحواض ذات التأثير العالي في الإسمنت والسترونتيوم، وكثيرا ما ينتقل الماء عبر الأعمدة المملوءة بهذه الوسائط التي يُستخدم فيها التركيز الافتراضي في المجرى.
نظام البوليسترال المتعدد الأبعاد
ولمعالجة الـ 62 نويدات مشعة (باستثناء ثلاثية وكربون 14)، نفذت المنظمة نظام تجهيز السائل المتطور، وهو نظام يجمع بين تركيبات النويدات السائلة، وتركيب مواد الترميز المحتوية على مواد مثبتة على الترميز، وتحديات التكسيد المغناطيسي المثبتة في وقت واحد، وتحديات التكسيد المغناطيسي المثبتة في الوقت نفسه، وتحديات المثبتة من ثاني أكسيد الكربون.
تريتيوم: النظائر غير القابلة للتداول وإدارتها
"السيلفي" هو أكثر نويدات مائيّة مُستمرة في الماء المُعالج بـ "البوليستر" لأنّه مُربّطٌ كيميائياً داخل جزيئات المياه، يُمرّر عبر جميع مراحل المعالجة، نصف عمره 12.3 سنة،
Emerging Adsorption and Membrane Technologies
إن التعاون بين المعاهد اليابانية والشركاء الدوليين يواصل استكشاف طرق الفصل من الجيل التالي، إذ أن تفكك الميمبرون وأجهزة قياس أكسيد الغرافيين العاملة قد أظهرت عوامل انفصال ثلاثي في البيئات المختبرية، كما أن عمليات التبادل الكيميائي التي تستخدم عوامل حفز الهيدروفوبيك يجري اختبارها على نطاق تجريبي، ومع ذلك لم يتم بعد توسيع نطاقها لتلبية متطلبات تبادل النفايات الواعدة في فوكوشيما.
تخزين المياه المعالجة والتخلص منها في الأجل الطويل
ومع استمرار العلاج، تراكمت المياه المخزنة في آلاف الصهاريج، حيث احتلت أكثر الأماكن المتاحة في موقع فوكوشيما دايتشي، وأصبح القرار الاستراتيجي بشأن ما ينبغي أن يفعله بالماء المعالجة بجهاز البوليسترال من أكثر القرارات التي اتخذت في تاريخ حديث بشأن الهندسة البيئية دقة، وترتكز خطة التصريف المراقب على تقييم المخاطر العلمية والجدوى الهندسية والرقابة الدولية.
توسيع نطاق مزرعة الدبابات وقيود القدرات
وبحلول عام 2023، كان أكثر من 1.3 مليون متر مكعب من المياه المعالجة مخزناً عبر نحو 000 1 دبابة، وقد بلغت القيود الفضائية نقطة حرجة، ومن الضروري إزالة الإخفاقات الجديدة في إنشاء الصهاريج من أجل إزالة الانبعاثات، بما في ذلك مرافق استرجاع الحطام المهبل ومعالجةه، وقد تبين أن استمرار التخزين غير قابل للاستدامة، مما أدى إلى تزايد المخاطر الناجمة عن وجود بنية أساسية قديمة وضرر محتمل.
خطة إطلاق المياه المعالجة والتطبيقات العلمية
في عام 2021، أعلنت الحكومة اليابانية خطة لتصريف المياه المعالجة بـ "أل بي إس" في المحيط الهادئ، بعد مزيد من الغموض لتحقيق تركيز ثلاثي قدره 500 1 بيكريل لكل لتر أسفل المبدأ التوجيهي لمنظمة الصحة العالمية بشأن مياه الشرب، وهو 10000 باوند/لتر، الخطة مدعومة بتقييم شامل للتأثير البيئي الإشعاعي الذي يتوقع الحد الأدنى من التأثير على الحياة البحرية والصحة العامة.
الرصد البيئي والأمن
وقد تم وضع برنامج رصد بيئي مفصّل، يضم وكالات حكومية يابانية، ومنظمة تي بيكو، ومنظمات طرف ثالث، ولدى الوكالة حضور دائم في الموقع لاستعراض بيانات أخذ العينات بصورة مستقلة والتحقق من الامتثال لمعايير السلامة الدولية، حيث تم توسيع نطاق نقاط الرصد بمئات الكيلومترات من نقطة التسريح، بما في ذلك عينات الرسوبيات في قاع البحار وتحليل الكائنات الحية، وتتاح البيانات للجمهور، وتعزز الأساس العلمي للعملية وتوفر نموذجاً لكشف الانبعاثات النووية في المستقبل.
الاتجاهات والابتكارات الهندسية المستقبلية
وحتى مع بدء إطلاق المياه، تواصل البحوث الطويلة الأجل تحسين سلامة وكفاءة نظام الإدارة العام، والهدف النهائي هو وقف توليد المياه الملوثة الجديدة وإزالتها بالكامل، مما يتطلب الابتكار عبر تخصصات متعددة، وتسترشد الحلول الهندسية التي يجري وضعها في فوكوشيما باستراتيجيات وقف التشغيل الخاصة بالمرافق النووية الأخرى في جميع أنحاء العالم.
Advanced Tritium Separation Research
ومن شأن البرامج الحكومية المشتركة - الصناعية تمويل تطوير تكنولوجيات الفصل الثلاثي مثل التحلل الكهربائي المشترك والتبادل الحفاز، والتبادل التحفيزي للعجلات السائلة، ويمكن أن تؤدي هذه الأساليب إلى خفض حجم المياه المميتة بمقدار مائة ضعفا، مما يؤدي إلى توليد مسار تركيزي للثلاثيات يمكن أن يُخزَّن ويُخزَّن كهدر صلب، مما قد يكون محاكاة، ولكن تظل عقبات كبيرة في استهلاك الطاقة،
التحقق من النفايات الصلبة وإدارتها
وتولد عمليات المعالجة راتنجات متينة من حيث حجم النفايات، وحمأة من التخثر، ومرشحات ملوثة، وتضع المهندسين في مصانع التصريف ذات المستوى العالي، وتستوعب هذه المواد في مصفوفات زجاجية دائمة ومقاومة للتشنج في الصبغة المميتة، وهذا النهج، على غرار التعبئة العالية للنفايات في محطات إعادة المعالجة التجارية، يكفل التخلص من النفايات الجيولوجية في الأجل الطويل.
نظام متكامل لسحب المواقع وإدارة المياه
إن التحدي الهندسي النهائي هو التآزر بين إدارة المياه واسترجاع الحطام، حيث أن النظم الآلية تتقدم لتحديد وقود التعبئة واستخلاصها، فإن المياه التبريدية ستتطلب البقاء مغلقة، وتصمم المهندسين نظاماً مُغلقاً لتبريد المياه يُعيد تدوير المياه مباشرة داخل سفن الاحتواء الأولية، ويُقلل بشدة من الحجم الذي يُلوث.
الإطار العالمي للتعاون والتنظيم
"أزمة ماء "فوكشيما" قد حفزت مستوى غير مسبوق من التعاون الدولي في الهندسة البيئية النووية مختبرات وطنية وجامعات وشركات خاصة من الولايات المتحدة وفرنسا والمملكة المتحدة وغيرها من الدول قد قدمت الخبرة والتكنولوجيا "ووكالة الطاقة النووية التابعة لمنظمة التعاون والتنمية في الميدان الاقتصادي والوكالة الدولية للطاقة الذرية قد عقدتا منتديات لتبادل الدروس المستفادة" "وتأكدا من أن أفضل الممارسات التي وضعت في اليابان تفيد المجتمع النووي العالمي"
موقع (فوكوشيما دايتشي) نفسه أصبح مختبراً حيّاً لمعالجة المياه في ظروف متطرفة البيانات المتولدة من معدلات التآكل في مواد الصهاريج إلى الأداء الطويل الأجل لوسائط الإعلام المتبدلة يتم تجميعها في قواعد بيانات مفتوحة يمكن للباحثين والمهندسين في جميع أنحاء العالم، ويمتد الإطار التعاوني إلى ما هو أبعد من تبادل البيانات التقنية لتشمل برامج البحث المشتركة، وتبادل الموظفين، واستعراض الأقران للخطط الهندسية.
الحلول الهندسية التي تم تنفيذها في فوكوشيما لتخزين المياه وعلاجها هي دليل على إبداع الإنسان استجابة لأزمة معقدة، من خلال دمج المواد المتقدمة، والرصد في الوقت الحقيقي، والفصل الكيميائي المتعدد المراحل، والتخطيط الدقيق، انتقل الموقع من الاستجابة الطارئة للفوضى إلى مشروع علاج بيئي طويل الأجل متحكم فيه، ويطالب المستقبل باستمرار الابتكار، والتواصل العلمي الصارم، والتدخلات الهندسية غير المستقرة من خلال أنشطة التعاون الدولي.