Lessons from the Windscale and Fukushima Incidents for Future Reactor Engineering

إن حريق ويندكاس لعام 1957 وكارثة فوكوشيما دايتشي النووية لعام 2011 يمثلان حادثين من أكثر الحوادث التي نجمت عن تاريخ توليد الطاقة النووية، ورغم أن هذين الحدثين قد انفصلا عن خمسة عقود، فإنهما قد كشفا عن مواطن ضعف أساسية في هندسة المفاعلات وثقافة الأمان التي لا تزال تشكل الصناعة اليوم، وبالنسبة للمهندسين والمنظمين وواضعي السياسات الذين يعملون في الجيل القادم من التكنولوجيات النووية، فإن هذه الحوادث توفر مستودعا حيويا للمعارف.

التأشيرة التقنية لحرائق ويندج

وقد بدأ حادث ويندكاس في 8 تشرين الأول/أكتوبر 1957 في مرفق ويندج النووي في كومبريا، إنكلترا، وكان المفاعل المعني هو الوحدة 1 من مجموعة الريح الشائكة، وهي مفاعلان مجهزان بالجرفيات ومصممان لإنتاج البلوتونيوم، وأثناء عملية حرق روتينية ترمي إلى إطلاق الطاقة المخزنة في مشغل الغرافيت، حيث أحرقت مفاعلا متراكما(31).

وعلى المستوى التقني، يمكن تعقب الحادث إلى عدة عوامل تفاعلية، حيث كانت عملية التحلل نفسها خطرة بشكل أساسي: فقد شملت رفع درجة حرارة المفاعل إلى نقطة يمكن فيها إطلاق طاقة ويغنر بطريقة خاضعة للرقابة، غير أن المشغلين لم يكن لديهم أجهزة كافية لرصد توزيع الحرارة عبر قلب المفاعل بدقة، فبدون ظهور في الوقت الحقيقي إلى مواقع ساخنة محلية، كانت عملية التبريد قد سارت دون أن يُبدي رأيه اللازم لمنع حدوث سباق تيار.

كان حريق (ويندج) في نهاية المطاف مسيطراً على فيضان لب المفاعل بالماء، قرار يحمل مخاطره الخاصة بتفجير البخار أو توليد الهيدروجين، وقد تصرف الفريق الهندسي على بيانات محدودة تحت ضغط شديد، مما أبرز الحاجة إلى أجهزة قوية وبروتوكولات طوارئ مسموعة جيداً، وأسفر عن إطلاق حوالي 000 20 فضيحة من اليود-131، مما أدى إلى حظر استهلاك الحليب على مساحة تبلغ 500 كيلو متراً.

Technical Anatomy of the Fukushima Daiichi Disaster

وحدثت كارثة فوكوشيما دايتشي في 11 آذار/مارس 2011، بعد أن ضرب زلزال حجمه 9.0 ساحل اليابان، تليه أمواج تسونامي وصلت إلى ارتفاعات تزيد على 14 مترا في موقع المصنع، مما أدى إلى إغلاق المفاعلات الثلاثة للعمليات في المرفق، غير أن انفجار أمواج تسونامي التي أعقبت ذلك قد أطاح بمضخات مياه المفاعلات البحرية للمصنع ومولدات الديزل الطارئة، مما أدى إلى تدمير جميع وحدات الكهرباء والمفاعلات الاحتياطية.

إن الفشل الهندسي في فوكوشيما لم يكن يعزى إلى عيب في التصميم بل إلى انخفاض في تقدير المخاطر الخارجية بشكل عام، كما أن الأساس الذي وضعه المصنع في ارتفاع التسونامي قد وضع على 5.7 متر، وهو ما يقل كثيرا عن ارتفاع الموجة الفعلية، حيث كانت مولدات الديزل في الطابق السفلي من مباني التربين، حيث كانت تغرق مباشرة وتصبح غير صالحة للتشغيل.

وقد تسببت كارثة فوكوشيما في تشريد عشرات الآلاف من السكان، في تلوث المنطقة المحيطة بها على المدى الطويل، وتقتضي بذل جهد مستمر لوقف التشغيل سيمتد على عقود، وتقدر التكلفة الاقتصادية الإجمالية بأكثر من 200 بليون دولار، وقد دلت الحادثة على أن البلد الذي لديه إطار تنظيمي نووي ناضج قد يعاني من فشل كارثي عندما تكون الافتراضات المتعلقة بالمخاطر الخارجية غير كاملة.

الفشل المشترك عبر كلتا الحادثتين

وقد كشفت منظمة ويندوف وفوكاشيما عن وجود أوجه مشتركة مذهلة في أساليب فشلها على الرغم من الاختلافات الواسعة في نوع المفاعل، وفترة التشغيل، والحدث المسبب، وكلا الحادثين كانا متجذرين في فهم غير كامل لمسارات الفشل المحتملة، وفي ويندكاس، لم تكن فيزياء إطلاق الطاقة في ويغنر، وخطر الاحتراق غير المتحكم فيه موضع تقدير كامل.

كما انطوى الحدثان على ثغرات في أجهزة التشغيل والرصد، حيث لم تكن لدى المشغلين الريح أجهزة استشعار كافية لدرجات الحرارة في القاع الأساسية لكشف البقع الساخنة أثناء الحرق، فقد المشغلون في فوكوشيما جميع أجهزة التكتل بعد انقطاع المحطة، مما أدى إلى عدم قدرتهم على الحصول على بيانات دقيقة ومباشرة، مما حد بشدة من فعالية الاستجابة لحالات الطوارئ، والدرس واضح: إعادة بناء أجهزة الاستشعار، والاستمرارية في إطار المفاعلات.

وبالإضافة إلى ذلك، أبرزت الحادثتان مخاطر عدم كفاية التأهب لحالات الطوارئ، وفي ويندب، اضطر فريق الاستجابة إلى وضع استراتيجية نهب المياه دون تدريب مسبق، وفي فوكوشيما، لم تكن خطة الاستجابة لحالات الطوارئ تتوقع انقطاع محطة متعددة الوحدات لمدة طويلة، يتزامن مع ضرر خارجي شديد، وكان التدريب والإجراءات موجها نحو أحداث الوحدة الواحدة التي أدت إلى حدوث اختلال خارجي محدود.

تطور نماذج السلامة

وقبل إطلاق النار في ويندكاس، كان تفكير السلامة النووية لا يزال في بدايته، أما مفهوم الدفاع بعمق - الفكرة القائلة بأن الحواجز المتعددة المستقلة ووظائف السلامة ينبغي أن تحمي من الحوادث - فلم يكن محددا رسميا بعد، كما أن ويندكاس يوفر مثالا مبكّرا صارخا عما يمكن أن يحدث عندما تفشل طريقة واحدة للحماية ولا توجد أي دعم، وفي أعقاب ذلك، اعتمدت الصناعة النووية في المملكة المتحدة أساليب أكثر صرامة لتقييم السلامة، بما في ذلك تحليلات الأخطار الرسمية وتقييمات المخاطر المتطورة.

فوكوشيما، التي تحدث في حقبة كان فيها الدفاع بعمق بالفعل مبدأ ثابتا، وكشفت ضعف نظم الأمان المصممة في الفشل في الحركة المشتركة، ولا يقتصر الزلزال وأمواج التسونامي على نظم الأمان الأولية، بل أيضا على النظم الاحتياطية وأجهزة الدعم التابعة لها، وقد أدى فقدان الطاقة والتبريد في جميع وحدات التشغيل الثلاث في نفس الوقت إلى تجاوز قاعدة تصميم المصنع، وقد تم توسيع نطاق تعريف مصادر الطاقة المحمولة بعمق بحيث تشمل مبادئ توجيهية لإدارة الحوادث الخطيرة

ومن الأفكار الحاسمة عن الحادثين أن نماذج الأمان يجب أن تتطور باستمرار، وأن الافتراضات التي تستند إليها تصميمات المفاعلات والمتطلبات التنظيمية ينبغي أن تعاد النظر فيها بصورة دورية في ضوء الخبرة التشغيلية الجديدة، والبيانات الجديدة عن المخاطر، والأساليب التحليلية الجديدة، وأن التثبيت في التفكير في السلامة هو في حد ذاته عامل خطر.

الإصلاحات التنظيمية والصناعية

وقد أدى الحادث إلى إنشاء هيئة التفتيش المعنية بالتركات النووية ووضع شروط الترخيص للمفاعلات النووية، وأصبحت حالات السلامة الرسمية واستعراض الأقران المستقل وبروتوكولات التفتيش المنهجية معيارا في المملكة المتحدة، كما أثرت تجربة " ويندباك " على وضع معايير السلامة الدولية من خلال الوكالة الدولية للطاقة الذرية.

وبعد فوكوشيما، بدأت الهيئات التنظيمية في جميع أنحاء العالم عمليات استعراض شاملة للسلامة، وأصدرت لجنة التنظيم النووي في الولايات المتحدة أوامر تقضي بأن تنفذ جميع النباتات استراتيجيات للتصدي للخسائر الممتدة في قدرة الشركة، وتعزيز حماية المعدات من الفيضانات والظواهر السيزمية، وتحسين قدرات أجهزة التهوية الاحتواء على غلي مفاعلات المياه مع احتواءات MARK I، وتم إصلاح الإطار التنظيمي الياباني، مما أدى إلى إنشاء هيئة مستقلة معنية بإنفاذ القوانين النووية.

ومن الإصلاحات الملحوظة ضرورة توفير وسائل متعددة ومتنوعة ومستقلة لتوفير الطاقة والمياه لب المفاعل في ظروف الحوادث الخطيرة، ويشمل ذلك نشر المضخات المحمولة والمولدات الكهربائية ومعدات الاتصالات المخزنة في المواقع المكدسة، والمطلوب من المرافق الآن الحفاظ على الحد الأدنى من إمدادات البطاريات والوقود في الموقع، مع وضع خطط لإعادة الإمداد السريع في حالة حدوث عطل في الشبكة، وقد أصبح مبدأ التنوع - استخدام مختلف مصادر الأمان.

العوامل البشرية والثقافة التنظيمية

ولا يمكن فهم ويندكاس ولا فوكوشيما فهما كاملا دون دراسة الأبعاد البشرية والتنظيمية، ففي ويندب، كان فريق التشغيل يتعرض لضغوط للحفاظ على أهداف الإنتاج، وكان لديه خبرة محدودة في عملية التقلب، وكان هناك اتجاه إلى تفسير البيانات الغامضة تفسيرا متفائلا، وكان القلق بشأن السلامة يخضع أحيانا للأهداف التنفيذية، وقد كشف التحقيق في الحادث عن أن قرار الشروع في عملية الحرق قد اتخذ دون تقييم شامل للمخاطر.

وفي فوكوشيما، تم انتقاد الثقافة التنظيمية في شركة طوكيو للطاقة الكهربائية وفي نطاق الصناعة النووية اليابانية الأوسع نطاقاً، وذلك من أجل التفكير في الاختلاس والامتناع عن السلطة، وقد تم تحديد التقاط الأنظمة كعامل مساهم، حيث لم تكن الهيئة التنظيمية مستقلة بما فيه الكفاية عن الصناعة التي كان من المفترض أن تشرف عليها، وقد تبين من استعراض الكارثة أن مهندسي شركة TEPCO قد حددوا خطر حدوث كارثة تسونامي تتجاوز الأساس التصميمي، ولكن لم يحسنوا في مجال الإبلاغ.

وتبرز هذه الأنماط درسا حاسما في مجال هندسة المفاعلات في المستقبل: يجب أن يكون التصميم التقني جزءا من ثقافة قوية للسلامة، ويجب أن يكون للمهندسين والمشغلين التدريب والسلطة والدعم المؤسسي لإثارة الشواغل دون خوف من الانتقام، ويجب الحفاظ على الاستقلال التنظيمي، ويجب أن يكون الإشراف على السلامة مقاوما للضغوط السياسية أو الاقتصادية، وينبغي أن يتجاوز تركيز الصناعة على العوامل الإنسانية التقلبية وكتابة الإجراءات لتشمل عدم التيقن التنظيمي، واتخاذ القرارات.

الآثار المترتبة على تصميمات المفاعلات المتقدمة

ويجري حاليا تصميم تكنولوجيات جديدة للمفاعلات قيد التطوير - بما في ذلك المفاعلات النموذجية الصغيرة، والمفاعلات الدقيقة، وتصميمات الجيل الرابع المتقدمة - مع إيلاء اهتمام صريح للدروس المستفادة من الحوادث السابقة، والهدف هو تحقيق درجة أعلى من السلامة المتأصلة والسلبية، مما يعني أن المفاعل يمكن أن يغلق بأمان ويزيل حرارة التحلل دون وجود نظم نشطة أو تدخل من جانب المشغل.

فعلى سبيل المثال، تستخدم وحدة الطاقة في نوسكالين، وهي مفاعل مائي مكثف SMR، التداول الطبيعي للتبريد، وتلغي الحاجة إلى المضخات، ويرمي المفاعل إلى إغلاقه تلقائياً ويظل آمناً لفترة طويلة دون تشغيل طاقة خارجية أو تشغيل، كما أن أسرة مفاعل الملح المتحرك توفر مساراً آخر: إذا تجاوز خليط الوقود درجة حرارة آمنة، فإن المفاعلات المجمدة المتجمدة تسمح بفقد في الصه.

تعمل المفاعلات ذات الغاز العالي التمرين، مثل جهاز التحكم في الملوثات الخطرة الصيني، في درجات حرارة حيث يمكن للوقود أن يتحمل تدفئة كبيرة عبر الأنف دون إطلاق منتجات النسيج، ويرمي وقود الجسيمات المشعّة به إلى الاحتفاظ بالمواد المشعة حتى 600 1 درجة مئوية، فوق درجات الحرارة التشغيلية العادية، وهذا المفهوم الذي ينطوي على تحمل الحوادث، إلى جانب خط دفاع آخر يمكن أن يحول دون حدوث أي خسارة أو يخفف منها.

وبالنسبة لجميع المفاعلات المتقدمة، يعزز كل من ويندكاس وفوكوشيما أهمية الأجهزة القوية التي لا تزال تعمل في ظل ظروف متطرفة، وينبغي أن تتضمن التصميمات المستقبلية أجهزة استشعار يمكنها تحمل درجات حرارة عالية، وإشعاع، وارتفاع في المياه، كما أن الاستشعار عن درجة الحرارة الفيبرائية، ونقل البيانات اللاسلكية، والمجسسات ذات القدرة الذاتية، هي من بين التكنولوجيات التي يجري استكشافها، وقدرة رصد الظروف الأساسية للاختراق بعد وقوع حادث، هي عوامل حاسمة بالنسبة للتدخل.

الاستراتيجيات الهندسية الرئيسية للمستقبل

نظم السلامة السلبية كنظام احتياطي أولي

وينبغي لمهندسي المفاعلات أن يضعوا أولوياتهم لملامح السلامة السلبية التي تعتمد على الجاذبية والتداول الطبيعي والغاز المضغط بدلا من المضخات ومولدات الديزل والصمامات التي تتطلب الطاقة، وهذه النظم مقاومة متأصلة للتسرب من المحطة، وتقضي على حالات الفشل في الحركة المشتركة المرتبطة بالعناصر النشطة، وينبغي للأطر التنظيمية المقبلة أن تنظر في اشتراط مستوى أدنى من القدرة على إزالة حرارة الديونية لجميع المفاعلات الجديدة.

ما بعد التصميم - التخطيط

كل تصميم جديد للمفاعل يجب أن يتضمن برنامج إدارة الحوادث الخطيرة الذي يعالج سيناريوهات تتجاوز أساس تصميم المصنع، ويشمل ذلك انقطاع المحطة الموسّعة، وفقدان مغسلة الحرارة النهائية، والأحداث المتعددة الوحدات، والمخاطر الخارجية التي تتجاوز السجلات التاريخية، ويجب على الهندسة أن توفر طرقاً متنوعة ومزدوجة لضخ المياه بالحقن، واحتواء التهوية، ورصد الظروف الأساسية في ظل هذه الظروف القصوى.

الجلوس والأخطار الخارجية

وينبغي أن يستند اختيار الموقع إلى تقييم شامل للمخاطر الطبيعية، بما في ذلك الطقس المتطرف والنشاط السيزمي والفيضانات، وينبغي النظر صراحة في مارجن خارج أساس التصميم، وينبغي تقييم مخاطر التسونامي في المواقع الساحلية باستخدام السجلات التاريخية والنماذج الاحتمالية التي تشكل الحد الأقصى من المصداقية، كما أن من الضروري إيجاد معدات حرجة للسلامة ضد الأحداث الخارجية.

ثقافة السلامة والرقابة المستقلة

ويجب أن يضاهي الامتياز التقني الامتياز التنظيمي والتنظيمي، وينبغي لمشغلي النباتات وضع برامج تشجع على اتخاذ موقف من الاستجواب، وتشجع على الإبلاغ عن الأخطاء القريبة، وتضمن رفع الشواغل المتعلقة بالسلامة إلى صانعي القرار دون تأخير، ويجب أن تكون الهيئات التنظيمية مستقلة وممولة تمويلا كافيا ومخولة لإنفاذ الامتثال، وينبغي أن تكون عمليات استعراض السلامة الدورية إلزامية، وأن تتضمن بيانات تشغيلية جديدة ونتائج بحثية.

خاتمة

إن حرائق ويندج وكارثة فوكوشيما دايتشي ليستا حاشيتين تاريخيتين؛ فهي دراسات حالة نشطة ذات صلة توفر التوجيه الأساسي للجيل القادم من المهندسين النوويين؛ وتثبت كلتا الحادثتين أن السلامة ليست سمة ثابتة لتصميم وإنما هي عملية مستمرة للتعلم والتكيف والتحسين، وتبدو أكثر المفاعلات قدرة على التكيف هي التي تصمم لتتوقع الفشل وليس فقط لتحقيق متطلبات السلامة التنظيمية.