Table of Contents
قدرة أحجار الوقود العنيفة
فمجموعات الوقود المتطاولة ليست أحواض تخزين سلبية؛ فهي نظم حرارية نشطة، وبعد إزالة الوقود من مفاعل، تولد ما يكفي من الحرارة المتبقية التي يجب أن تغرق تحت سطح الماء المغلي بما يقارب سبعة أمتار من الماء المكدس، حيث تُعمد المفاعلات المحتوية على مواد مطاطية مشتعلة، حيث توجد في فوكوشيما داتشي، مجمعات للوقود المحتوي على أسطحة على مضخات المحتوية على مفاعلات
وقد افترضت قاعدة تصميم مجمعات الوقود المستهلك في السبعينات فترة سماح طويلة قبل الغسيل: فمع عمق المياه الكامل وعدم التداول النشط، سيتطلب المجمع عشرات الساعات للوصول إلى درجة حرارة التشبع، وأكثر من ذلك بكثير لتغليق أعلى الرف، وتنهار هذه الهوامش عندما تحطمت مساحات المياه المجمدة، وتمزق المياه من الأحواض، وتقطع خطوط الإمداد بالمياه العادية.
الأضرار الهيكلية وجهود الاستقرار
تفجيرات الهيدروجين التي لم تنفجر
وفي الفترة من 12 إلى 15 آذار/مارس 2011، هدمت انفجارات الهيدروجين الأجزاء العليا من الوحدة 1، الوحدة 3، ومباني المفاعلات التابعة للوحدة 4، وكان انفجار الوحدة 4 يتراكم بشكل خاص لأن المفاعل نفسه قد أُزيل الوقود؛ وهجرة الهيدروجين من الوحدة 3 من خلال قنوات التهوية المشتركة؛ وفجرت مساحات الوقود الميكانيكية الكاملة والجدران الجنوبي للمبنى 4، مما أدى إلى إعاقة مجمّع الوقود المستهلك مباشرة إلى تداعم جوّي.
وقد أدت الدراسات الاستقصائية البصرية التي أجريت بعد الانفجار مع طائرات الهليكوبتر والكاميرات المرتفعة إلى ظهور مؤشرات متناقضة، ولم يكن هناك أي تساقط واضح للمياه من المبنى، ولكن سطح المجمع لم يكن مرئيا، وقد سجلت أدوات الزلازل تهتز بعنف تتجاوز على الأرجح الأساس الأصلي للتصميم، مما أدى إلى حدوث انخفاض في مستويات الوقود المتراكم تحت غطاء الأرضي المقوى داخل مفاعلات البناء التي تم تدميرها بالفعل.
تقييم المخاطر السريعة والاختبار المؤقت
وقد أجرت شركة طوكيو للطاقة الكهربائية، بدعم من الوكالة اليابانية للطاقة الذرية والمتعاقدين الدوليين، تقييما هيكليا مترابطا باستخدام الصور والمسح الليزري، ثم تم تركيبه بواسطة طائرة ليدرات، وأظهر التحليل أنه في حين أن الأرض المثبتة تحت المجمع كانت سليمة، فقد عدد من أعمدة الدعم منطقة واسعة النطاق من الانفجار ومن بعد مسطحات.
Drone and Laser Scanning Innovations
كما أن التقييم الهيكلي قد أفسح المجال أمام التفتيش عن بعد، حيث قامت المهندسون بتكييف المربوطات التجارية باستخدام أجهزة إلكترونية مجهزة بالإشعاع لتطير إلى المباني التي لا توجد فيها سقف، وتلتقط صوراً عالية الاستبانة للشقق والقطع، كما أن وحدات الأنابيب الأرضية المتجهة إلى المنصات المتنقلة قد أنتجت ثلاث غيوم من الطرف الخلفي، مما أدى إلى حرق البيانات ذات النسق المأموني المسبق للتصميم.
التهدئة وحقن الطوارئ
فقدان الماكياج والفرق
وفي ظل العمليات العادية، يتم توفير التبريد في مجمع الوقود المستهلك عن طريق حلقات زائدة: إذ أن مضخة التبريد الأولي تعمم المياه المجمدة عن طريق مبادلات حرارية تبرد بواسطة نظام مياه الخدم في المصنع، وبدون الكهرباء، توقف الجانبان الأولي والثانوي، وقد بدأت المياه المجمدة في التدفئة بمعدل يتراوح بين 0.5 و1 درجة مئوية في الساعة، وهو رقم يبدو مخففا إلى أن يُعتبر عمقا لا يمكن تجاوزه.
وكان التغلب على المشكلة هو عدم وجود مستوى موثوق به ودرجة حرارة، حيث تم تدمير أجهزة الاستشعار التي تم تركيبها أصلا في المجمع إما بالتفجير أو جعلها غير صالحة للتشغيل لأن كابلات الإشارة التي تستخدمها في صناديق التقاطع التي تعرضت للتلف، ولجأ المهندسون إلى حفر من خلال أرضية الوقود المغطى بالحطام، ورش الرافود على شريط قياسي للفولاذ.
حقن مياه الصرف الصحي وآثاره الطويلة الأجل
وقد اتخذت المنظمة قرارا غير مسبوق بضخ المياه البحرية إلى مجمعات الوقود المستهلك باستخدام شاحنات الإطفاء ومضخات الغطاس، وكانت المياه البحرية متاحة بسهولة من خط السواحل المهددة بالتسونامي، ولكنها جلبت خليطا متراكما من الكلوريدات والكبريتات والهيدروجينات البحرية الدقيقة.
دور البورون في حقن مياه البحر
أما المياه البحرية فتحتوي على نحو 4.5 ملغم/لتر من البورون، وهو في المقام الأول حمض الزخري، وعندما اختلطت المياه المشبع بالفعل، ظل التركيز المغلي فوق عتبة الأمان الحرجة حتى مع تبخر المياه، وكان هذا المحتوى الطبيعي من عوامل السلامة الخفية، وقد أجرى المجلس فيما بعد تجارب على التحلل الطفولي في أعقاب الترسبات التي أظهرت وجود تركيبة مائية في البحر أكثر من مجرد نبات
نظم التبريد المحمول وإدارة المياه
وفي الأسبوع الأول من الفوضى، كانت الطريقة الرئيسية لضخ المياه إلى المجمعات هي رشها من خلال فتحات الثغرة في أسطح مبنى المفاعلات، حيث كانت شاحنات الضخ المتحركة - التي تستخدم عادة لوضع الخرسانة السائلة على مواقع البناء ذات الثوران المرتفع - التي أعيدت تركيبها بازدهارها المزروعة على حقول الحطام، وقد ساهمت خراطيشات الحريق في تدفق إضافي.
كما قامت المنظمة بتكييف مضخات الدياباراغوم ذاتية الرش، التي تستخدم عادة في إزالة مياه الإنشاءات، ووضعت على الأرض الأرضية وربطت به هوايات طويلة ترتفع من الدرجات ومن خلال الجدران المكسورة إلى أرضية إعادة التزود بالوقود، وتحكم المشغلون في سرعة الضخ من موقع قيادة متنقلة، وضبطوا تدفقاً يستند إلى قرائات حرارة من هيئة المحلفين، وعالجوا حط الحرقة.
نظم التبريد المتحركة
ومع تقلص حالة الفوضى الأولية، صمم المهندسون نظاماً مخصصاً لتبريد الوقود المستهلك يمكن إنشاؤه خارج المبنى وربطه عبر هوايات مرنة إلى المجمع، وكان النظام يتألف من سلسلة من مبادلات الحرارة المتحركة، ومرشحات الجسيمات، وأعمدة راتنجات ملوثة بالماء المسيل للطعام، وقد استُخرجت المياه من المجمع بمضخة قابلة للطياف، مُستعاضة عن ذلك بأجهزة تبادل حرارة تعمل بالترددات الهواء.
وقد تطور النظام المؤقت إلى " نظام التبريد والتنظيف في فول بول " ، وهو تركيب أكثر دواماً مع المضخات الزائدة، ومولدات الديزل الاحتياطية، والرصد عن بعد، وكان من الدروس الهامة في تصميمه إدراج أزواد وصل كبيرة يمكن اقترانها دون دخول بشري إلى منطقة الإشعاع العالي، وكانت مواضع الوصل السريعة الهيدروليكية موجودة بالقرب من الطابق السفلي لإعادة الوقود.
مقايضة حرائق وتحديات الهواء
وقد تم تحويل مبادلات الحرارة الأولية التي كانت موزعة على متن الطائرة إلى حوالي 1.5 ميغاواط، ولكن درجات الحرارة المحيطة خلال صيف عام 2011 تجاوزت 35 درجة مئوية، مما أدى إلى خفض قدرة التبريد بنسبة 20 في المائة، وزاد المحركات من التشنجات إلى فتح مفاعل الحرارة المتاخمة، ولكن هذا المفاعل المستهلك من الماء المتجمد الذي كان نادرة بالفعل.
التفتيش الآلي ونقل الحطام
رسم خرائط للبيئة تحت الماء
وقبل التخطيط لأي إزالة للوقود، كان من الضروري أن يتأكد المهندسون من الحالة الدقيقة لتجمعات الوقود المستهلك والهياكل الأساسية للمجمعات، وقد كان الماء المشبع مطهرا بسبب توقف منتجات التآكل، وشظايا الخرسانة، ومواد العزل المهبوطة، وقد كانت الكاميرات التقليدية تحت الماء محدودة الوضوح، ونشرت مجموعة من المركبات التي تعمل عن بعد والمجهزة بآلات تصوير الإشعاع، وأجهزة الكشف عن الأشعة عالية.
وقد كشفت المسحات الشمسية أنه في حين أن معظم الرفوف لا تزال على صواب، فقد تحول بعضها إلى ٥ سنتيمتر. وقد أزالت الأسلحة الآلية المجهزة بأجهزة قبض حرارة قطعية من الحطام، وقطع اليد، وتركيبها في سلة محمية، وقد أدى استرجاع شعاع فولاذ طوله ١٢ مترا، كان قد أفسد خط الوصل الشمالي الشرقي.
تقييم نزاهة الوقود
ومن بين 535 1 جمعية للوقود في مجمع الوحدة 4، كان من المعروف أن عددا صغيرا قد تضررت خلال فترة سابقة من انقطاع الوقود، ولكن السؤال كان ما إذا كان الزلزال أو الانفجار أو الحطام المتساقط قد تسبب في حدوث انتهاكات إضافية للتكتل، وبغية التحقيق، جمعت المكاتب عينات من المياه من كل قناة وقود مباشرة، أشارت مستويات مرتفعة من التراكمات التي ترتفع إلى 135، وخلّفت النزاهة في كل منها 85.
Gamma — Ray Spectroscopy for Non-Destructive Analysis
وفيما عدا أخذ عينات المياه، تحملت شركة ROVs مطيافات مدمجة من نوع غاما - راي يمكن أن تحدد منتجات انشطارية محددة من مسافة متر واحد، وقد قورنت المطياف بسجلات الحرق قبل وقوع الحوادث لتحديد ما إذا كان الإطلاق من كل جمعية يطابق المخزون المتوقع، وقد كشفت هذه التقنية أن نحو 30 تجمعاً فقط كانت لها انتهاكات كبيرة للوقود، ولم يكن هناك فيما يبدو أي طريقة لتفكك الوقود.
حملة إزالة الوقود التابعة للوحدة
"الدوم الحماية" "و "كرين"
وقد تطلب نقل الوقود المستهلك من مجمع يقع في مبنى مفتوح ومعرض للضرر الهيكلي نهجا هندسيا جذريا: بناء جيب ضخم على المبنى بأكمله دون إضافة وزن زائد إلى الإطار الضعفي، وأقامت شركة TEPCO قناة ضخمة من فولاذية طولها 70 مترا، و 30 مترا، وزادت مساحتها بلوحات مقاوم للطقس، وتركبت تحت سطحية مصممة كسور.
وقد استخدم هذا الرافعة جهازاً متلاعباً طويل المدى يمكن أن يستخرج رأسياً من مركب الوقود من رفته، ويرفعه إلى مقصورة نقل ثقيلة، ويخفض الغطاء من خلال فتحة مخصصة إلى مستوى الأرض حيث يمكن نقله بواسطة مقطورة إلى مجمع الوقود المستهلك المشترك للموقع، وترصد كل حركة بواسطة عشرات من الكاميرات ونظم تركيب السحاب المزودة بالليزر.
الإنجاز والدروس المستفادة
وقد بدأ إزالة الوقود في تشرين الثاني/نوفمبر 2013 واختُتمت في كانون الأول/ديسمبر 2014، وهو معالم أزالت واحدا من أكبر المخاطر الإشعاعية المتبقية من موقع فوكوشيما دايتشي، حيث نقلت 331 1 عملية من عمليات الوقود المنفقة و 204 من مجمعات الوقود الجديدة (غير المشعّة) دون وقوع أي حادث ذي شأن، وأثبت نجاح الحملة أنه حتى بعد وقوع حادث خطير، يمكن إعادة إنتاج الوقود المستهلك بأمان شريطة أن تكون الكيمياء المائية المتطورة في البداية مأمونة.
مرافق التدريب والتنقل قبل التشغيل
وقبل أي مناولة للوقود في العالم الحقيقي، خضع كل مشغِّل للرافعة وتقنية السلاح عن بعد لثلاثة أشهر من التدريب في مرفق للمسح المبني في مدينة كوما، على بعد عشرة كيلومترات من المصنع، وكان هذا المركب يتألف من نسخة كاملة من مجموعة الرافعات ذات المقياس 4 مع تركيبات وقود بديلة مصنوعة من أنبوبات متحركة غير ملوثة مجهزة بكاميرات كهربائية مثبتة لتجاري العجلات التدريب
معالجة المياه على المدى الطويل وإدارة التريتيوم
The Contaminated Water Legacy
وقد تم في نهاية المطاف استرجاع كل لتر من المياه المرشَّحة في مجمعات الوقود المستهلك ومعالجتها وتخزينها، ونتجت مرحلة الحقن المرتجلة الأولى وحدها عشرات الآلاف من الأمتار المكعبة من المياه الملوثة بالكايسيوم والسترونتيوم والثلاثيوتيوم وغيرها من المكوّنات، على الرغم من أن مجمعات الوقود المستهلك ساهمت بجزء أصغر من مجموع مخزونات المياه الملوثة من سلسلة التفجيرات المغلقة للمفاعلات.
وكثيراً ما يكون هناك تقدير ناقص للصلة بين إدارة مجمعات الوقود المستهلك والتحدي المتعلق بتخزين المياه، حيث إن المهندسين، من خلال الحفاظ على درجات حرارة مستقرة في المجمع واستخدام التعبئة العالية الكفاءة، قلصوا من الطلب على المياه المتكونة من المجمّع بأكثر من 90 في المائة مقارنة بحملة الحقن الأولية، ويضمن الرصد المستمر لمستوى المياه المجمّعة ومجسات الكشف عن التسرب في مواسب المحيطة بالمباني عدم وجود إطلاقات مياه جوفية.
ALPS and Tritium Management
وقد بدأ نظام تجهيز السائل المتطور سلسلة من المقالات تشمل التيتانات، والهيكسينوفرات، ورش الراتنجات لإلغاء 62 من مختلف المواد المشعة، أما بالنسبة لمجموعات الوقود المستهلك، فإن تركيزات المحتوية على الكايسيوم والسترونتيوم كانت أقل من حجماً من إجمالي ماء التبريد المفاعل، مما سمح للمرشحين بالرشيحات الطويلة الأجل بالهرب لفترات أطول من البدائل.
التغييرات التنظيمية العالمية وتحسين السلامة
تحسين أجهزة التأهيل والمساندة
وقد أدى حادث فوكوشيما إلى إعادة النظر على الصعيد العالمي في سلامة مجمع الوقود المستهلك، كما أن تقرير المدير العام للوكالة الدولية للطاقة الذرية عن حادث فوكوشيما دايشي الذي وقع في مركز احتياطي متعدد الأطراف، والذي كان مكرساً للتغذية في مركز الوقود الاحتياطي في طوكيو، كان سيركز على الحاجة إلى وجود مستوى موثوق من المياه في المجمعات وإلى أجهزة درجة الحرارة التي لا تزال تعمل في ظروف شديدة الحوادث.
التغييرات التنظيمية والتعديلات النباتية على نطاق العالم
وقد استحدثت أجهزة إعادة تنظيم وطنية من اليابان إلى الولايات المتحدة إلى أوروبا متطلبات جديدة لتجميع الوقود المستهلك، كما أن لجنة التنظيم النووي في الولايات المتحدة، على سبيل المثال، أصدرت مجموعة من المواد الهيدرولوجية المبردة EA-12-051 ، وهي تُصدر مؤشرات موثوقة عن جميع أنواع المجمعات، كما أن العديد من المرافق تكمل هذه الوثائق باختبارات مكثفة للمباني المجمعة ووصلات الحقن.
وفي أوروبا، أجرت المجموعة الأوروبية لمنظمي الأمان النووي اختبارات للإجهاد، قامت تحديدا بتقييم قدرة مجمعات الوقود المستهلك على تحمل خسارة كاملة في مغسلة الحرارة لمدة 72 ساعة، وقد وضعت مفاعلات عديدة صمامات مسببة للتشغيل السيفون لمنع تكوين الطوف أثناء تصريف المياه بالمجمعات، وأضيفت إلى ذلك تركيبات مائية مستهلكة مليئة بالمياه المغلية، وهي كمية من المضخات النووية الفرنسية، على سبيل المثال،
البحوث الجارية والآثار المستقبلية
وقود عالي البرنب و المريخ
وتستمر التحقيقات العلمية في سلوك الوقود المستهلك المرتفع الحرق أثناء فقدانه الممتد للتبريد، وقد قامت التجارب الواسعة النطاق في المختبرات الوطنية مثل شركة سانديا مختبرات سانديا الوطنية بإتمام بحوث الوقود النووي بتحفيز سيناريوهات الغليان حتى لتنقية الجداول الزمنية لظاهرة التحلل والتحكم في نوافذ الأشعة المرئية.
ومن الاكتشافات التي استخلصت من البحث أن ارتفاع درجة حرارة الوقود - الذي يشكل جزءاً متزايداً من المواد العالمية لجرد الوقود المستهلك - التي كانت تقل درجة حرارة عن درجة الحرارة التي كانت تُعد في السابق، وأن نسبة التصفيق أصبحت أكثر رشاً بسبب التصلب الإشعاعي، وأن كثافة طبقة الأوكسجينات المتجمدة قد قلّت درجة الحرارة بالنسبة للثورة السريعة من نحو 900 درجة مئوية إلى 850 درجة مئوية.
دروس السلامة النووية وخطة لهندسة الحوادث بعد وقوعها
إن إدارة مجمعات الوقود المستهلك في فوكوشيما داتشي هي سرد للارتجال المكثف الذي يليه التوطيد الهندسي المنتظم، وفي مواجهة المباني المنهارة، وعدم وجود بيانات موثوقة، وميادين الإشعاع التي تحول دون وصول البشر، فإن أفرقة الاستجابة قد نشرت ضخاً محمولاً، وآليات هيكلية، وحديثة عن حلقات معالجة المياه، وفي نهاية المطاف، حالت دون ما يمكن أن يصبح إطلاقاً لا يمكن السيطرة عليه.
كما أن تجربة فوكوشيما قد عززت أهمية الاتصال الشفاف مع الجمهور ومع الخبراء الدوليين، ونشرت اللجنة تقارير أسبوعية عن درجات حرارة المجمع، ومستويات المياه، وبيانات التلوث، وكلها دققت من قبل الوكالة الدولية للطاقة الذرية والباحثين المستقلين، مما أتاح استعراض الأقران للقرارات الهندسية، وفي بعض الحالات، أدى إلى اعتماد حلول بديلة، ولم يكن إرث إدارة مجموعة الوقود المنفقة مجرد مجموعة من المشاكل التقنية.