وفي ظل الفشل الكارثي في محطة فوكوشيما دايشي للطاقة النووية في آذار/مارس 2011، أطلقوا سراحاً غير مسبوق للمواد المشعة عبر الهواء والتربة والمياه في شمال شرق اليابان، وبعد مرور أكثر من عقد، فإن أعمال إزالة المفاعلات المضرورة وإعادة تأهيل البيئة المحيطة لا تزال تشكل أحد أكثر التحديات الصناعية والبيئية تعقيداً التي واجهتها.

جدول التلوث والطلب على المواد

أما الاستجابة الفورية للهبوط فقد شملت رش كميات كبيرة من المياه لتبريد المفاعلات وبناء جدار متجمد غير قابل للاشتعال لتحويل المياه الجوفية، وهذه التدابير، إلى جانب عمليات التخزين ذات النطاق الأعلى وإدارة الغابات وتدمير المباني المتضررة، قد تنتج بالتالي تدفقاً هائلاً ومستمراً من النفايات، ووفقاً لنموذج اليابان ذي الصبغة المتوسطة والشديدة التكتل، فإن هذه التدابير، بالإضافة إلى ما يزيد عن 14 مليون متر مكعب من النفايات.

ويفرض هذا السياق مجموعة فريدة من المتطلبات، ولا يجب أن تكون المواد مستدامة في دورة صنعها وحياتها فحسب، بل أيضاً تؤدي بشكل موثوق به تحت الإشعاع المؤين المنخفض التحلل، والرطوبة المشتعلة، والنشاط المجهري المحتمل، وقد تفقد التركيبات التقليدية للخرسانة الخضراء القوة عندما تتعرض للإشعاع المكتوم أو تعرض زيادة القفز من النويدات المشعة.

لماذا مسائل الاستدامة في مجال الإصلاح النووي

إن الإصلاح المستدام أكثر من هدف مثالي، بل هو ضرورة عملية، إذ أن مبادئ الإصلاح الأخضر، التي أقرتها الوكالة الدولية للطاقة الذرية والوكالة الأمريكية لحماية البيئة، تدعو إلى الحد من الآثار البيئية على دورة الحياة لعمليات التنظيف، وهذا يعني، بالنسبة لفوكوشيما، النظر بعناية في انبعاثات الكربون من الإنتاج المادي، وتعدين مجمعات البكر، وتكاليف الطاقة لنقل كميات كبيرة من النفايات إلى مواقع ساحلية بعيدة المدى.

ومن المهم أن العديد من المواد البيئية الصديقة المقترحة توفر استقراراً كيميائياً أعلى وأقل قابلية للاستمرار مقارنة بالبدائل التقليدية، مما يؤدي إلى تحسين عزلة النويدات المشعة بصورة مباشرة، فعلى سبيل المثال، تبين أن الميثومرات الأرضية والمصاهرات التي تعمل بالآلة الكليلية قد تُضفي على اختبارات السميوم والسترونتيوم المتنافسة بمزيد من الفعالية من الأسمنت العادي في بورتلاند، مما يقلل من خطر تلوث المياه الجوفية.

مواد مبتكرة ملائمة لإعادة تأهيل الموقع

ويستكشف الباحثون واتحادات الصناعة في اليابان وعلى الصعيد الدولي مجموعة واسعة من المواد، من الأسمنت المنخفضة الكربون التي تتضمن منتجات صناعية ثانوية إلى منتجات بيولوجية متجددة بالكامل، وتورد الفروع التالية تفاصيل أكثر الفئات واعدة التي يجري حاليا تطويرها أو اختبارها التجريبي.

Geopolymer Cements and Alkali — Activated Binders

(ب) إنتاج مركبات الإيبولية بواسطة مواد غنية بالألمنيوي - مثل رماد الذباب، أو صفائح الفرن، أو الميثاكولين - مع حلول الكالسين، وخلافاً لخصائص بورتلاند، لا يتطلب إنتاجها حاسباً عالياً من حيث الحرارة في اليابانية، مما يؤدي إلى انخفاض في انبعاثات ثاني أكسيد الكربون (2).

وقد ركزت عمليات التكرير الأخيرة على تحقيق الحد الأمثل من الكيمياء التي تعمل على تفعيل التنويع وتحسين إمكانية العمل في المناولة عن بعد، فعلى سبيل المثال، تظهر هذه المفاعلات ذات المستوى البوتوسي أقل تشققاً على النظراء الذين يعملون على الصوديوم، وهي ميزة هامة بالنسبة لصصب كميات كبيرة من المواد الخام في موقع التخزين المؤقت لفوكوشيما، وقد أدى ارتفاع حجم النفايات إلى ارتفاع قوامها التقليدي في 60:

المركبات ذات القاعدة الحيوية والأخضر

Bio[desegradable natural fibers such as hemp, jute, and kenaf, combined with bio-‐resins or mycelium binders, are being investigated for non-ofloadling natural mats, temporary covers, and formwork that can safely degrade after use. At Fukushima, there is strong interest in using liin-based polycipete wasteanes derived from wood stabilization

وقد استخدمت التجارب الميدانية على منحدر ملوث صغير بالقرب من موقع فوكوشيما دايتشي خليطا قابلا للرش من ألياف الكناف ومربطاً نباتياً لخلق قشرة وقاية، وعلى مدى سنتين، قللت القشرة من التآكل بنسبة 85 في المائة مقارنة بالتربة الخالصة، ولم تظهر الدراسات الاستقصائية عن غاما زيادة قابلة للقياس في هجرة السواحل المشعة، وكانت المواد التي تم التخلص منها في نهاية المطاف، ولكن بعد ذلك الوقت، قد أعيدت التلوث الطبيعي.

المجمّعات المعاد تدويرها وتدفقات المواد العكوسة

:: إزالة المباني المتضررة وتجريد التربة السطحية الملوثة تولد كميات هائلة من المواد التي يمكن، بعد إزالة التلوث، إعادة استخدامها كمجموعات أو ملئات محددة، وتجرب هيئة التخلص من الانبعاثات النووية في المملكة المتحدة، بالتعاون مع الشركاء اليابانيين، استخدام طبقة من المواد المشعة المنخفضة المستوى كمجموع للحواجز الدرعية الجديدة، شريطة أن يظل النشاط المتبقي دون مستويات التطهير.

وقد جهز مشروع تجريبي ملحوظ ٥٠٠ طن من الخرسانة الملوثة من مبنى مساعد للمفاعلات إلى مجمع لطريق جديد للوصول إلى الموقع، وقد سحقت الخرسانة ثم غسلت بنظام مائي عالي الكساد أزال أكثر من ٩٥ في المائة من التلوث السطحي، مما أدى إلى تأكيد تراكمي بأن النشاط الإشعاعي المتبقي أقل من مستوى التطهير الياباني البالغ ١٠ كيلو مترات/غرامات مستخدم في قسم طرق يبلغ ٥٠٠ متر.

خدمات الصحة الذاتية والمواد الذكية

ولا يمكن بسهولة الوصول إلى الهياكل المعرضة للانتشار الإشعاعي، كما أن مواد التلقيح الذاتي التي تغلق تلقائياً المسارات الدقيقة توسّع نطاق الخدمة وتحافظ على الاحتواء، وفيما عدا استراتيجيات التعافي القائمة على أساس بيولوجي، يدمج الباحثون الكبائن المجهرية المملوءة بمواد النسيج المتجمدة، أو المواد المثبطة ذات القدرة على إنتاج المعادن، لأن بعض عوامل التصفيف قد تتحلل تحت الإشعاع، تتطلب وجوداً خاصاً مثبتاً في بيئةً.

وفي تعاون بين المعهد الوطني للعلوم والتكنولوجيا الصناعية المتقدمة (AIST) و TEPCO، طُبِّق المعاطف الفوسفاتية على مجموعة اختبارية من الخزنة لتخزين النفايات تبلغ 100 متر مربع، وبعد ثلاث سنوات من التعرض للإشعاع الغامائي (0.1 ملغم/ساعة) وظروف الفرز المسببة للثديائر، لم يكشف التغليف عن حدوث إنزال و200 ميكروغرام.

مواد خامية من أجل التعبئة المستمرة

وقد أظهرت المواد الخاملة التي تنتجها الوكالة الدولية للطاقة الذرية، والمتفجرات من المواد الكيميائية ذات القاعدة الصفرية، والمواد النانوية المغنطة، والمركبات المحتوية على أكسيد الغرافيين، قدرة ملحوظة على إنتاج الأسمدة في المستقبل، بل وحتى البلوتونيوم من حلول مائية، حيث تنطوي هذه المواد على إجراء اختبارات ملوثة في الموقع على حقن هذه الجسيمات في التربة الملوثة أو طبقات المياه الجوفية، حيث تُربط بين النويدات المشعة ويمكن استردادها لاحقاً من قشطة.

وتشمل الابتكارات الحديثة النانوفبير المستخرجة من مصادر حيوية مع مجموعات من المواد الخبيثة التي تلتقط أنواعاً من اليود المشعة من المياه الجوفية، وتنتج هذه النانوفبيرات من نفايات الخلايا من صناعة الحراجة، مما يوفر مصدراً مستداماً، وقد حققت الاختبارات الميدانية في قناة تصريف صغيرة داخل منطقة الاستبعاد من فوكوشيما، وجود كفاءة إزالة من النفايات تبلغ 99.7 في المائة على مدى ثلاثة أشهر، مع إزالة الألياف من النفايات.

الأداء في ظل ظروف الإشعاع والهش البيئية

إن كل مادة من المواد التي تم نشرها في فوكوشيما يجب أن تتحمل باستمرار أشعة غاما وبيتا منخفضة المقاييس، والمناطق ذات الجرعة العالية أحيانا، والبيئات الكيميائية العدوانية بما في ذلك رذاذ الملح من المحيط الهادئ، والمطر الحمضي، ودورات الجذور، وتظهر البحوث أن التشعير الجاموسي يمكن أن يزيل البوليمرات العادية، ويخفض القوة الخرسانية من خلال تقسيم المياه المشعة، ويعجلة بزراعة الخماسية.

ومن شأن تطهير هذه المقاومات أن يكون من الممتلكات الهامة الأخرى، إذ يجب أن تحافظ المواد الصديقة للبيئة على النويدات المشعة الملزمة بشدة لمنع الهجرة إلى البيئة، وتُستخدم بروتوكولات الاختبار مثل إجراء الغسل في منطقة الأمريكتين (AnSI/ANS —16.1) لقياس معامل انتشار السيزيوم والسترونتيوم، وتشير البيانات الأخيرة الصادرة عن الوكالة الألمانية للتعاون الدولي إلى أن وجوداً أقل من حيث الحجم(37).

وقد أجريت اختبارات إضافية في إطار الإشعاعات المشتركة والتقلبات الحرارية باستخدام غرفة مصممة حسب الطلب في مركز فوكوشيما للسلامة البيئية، حيث أظهرت عينات من الإسمنت المسببة للاضطرابات في الأرض والمفوسفات وجود ثلاث دورات متكررة تبلغ 30 درجة مئوية مع رطوبة نسبية تبلغ 95 في المائة، ثم 5 درجات مئوية، بينما أظهرت العينات المخففة إلى جرعة إجمالية تبلغ 10 كيلوغيت و5 في المائة من العينات الأرضية الضائعة.

التحديات والقيود العالمية الحقيقية

وعلى الرغم من النتائج المختبرية الواعدة، فإن نقل المواد الملائمة للبيئة من نطاق الكراسي إلى النشر الكامل في فوكوشيما يشكل عقبات كبيرة، كما أن سلسلة الإمداد بالسلائف الصناعية المزودة بالنفايات مثل رماد الذبابات والرقائق لا تكون متسقة دائما في الجودة، كما أن توافر اليابان لهذه المنتجات الثانوية يجب أن يتقلب منذ إغلاق العديد من محطات توليد الطاقة الحرارية، كما أن وجود تضارب في التكوين الكيميائي أمر أساسي لتحقيق أداء بديل موثوق.

فالقدرة على الاستمرار في الأشعة المتزامنة والإجهاد الحراري وكيمياء المياه الجوفية المتغيرة تظل بمثابة حدود بحثية نشطة، فعلى سبيل المثال، قد تتدهور الرغوة القائمة على أساس بيولوجي بسرعة عندما تتعرض للإشعاع المؤين، وتطلق المغذيات التي يمكن أن تحفز النمو في حجم الميكروبيات، ويمكن أن تحشد النويدات المشعة عن طريق التحلل، فالتوازن بين القابلية للتحلل الأحيائي والاستقرار الطويل الأجل يمثل تحدياً حساساً في التصميم.

إن التصور العام للمواد المعاد تدويرها يشكل عقبة أخرى، وحتى عندما تكون مستويات الإشعاع أقل بكثير من عتبة التطهير، فإن مصطلح " الإشعاع " يمكن أن يخلق مقاومة قوية بين السكان المحليين والهيئات التنظيمية، وقد نفذت المنظمة والحكومة برنامجا صارما للوسم والتصديق لجميع المواد المعاد تدويرها المستخدمة في الموقع، بما في ذلك التحقق من تركيزات النويدات المشعة لدى طرف ثالث مستقل، وقد ساعدت الجولات المفتوحة في بناء الثقة على مدى سنوات، ولكنهما قد تغلبا على نحو كامل.

Pilot Projects and On-Site Testing at Fukushima

وقد أحرز تقدم بالفعل في الانتقال من البحوث إلى الممارسة، حيث أجرى مركز فوكوشيما للسلامة البيئية محاكمات ميدانية باستخدام مجمعات محددة أعيد تدويرها لطرق الوصول المؤقتة داخل مرفق التخزين المؤقت، مما قلل الطلب على المحاجر، وفي تعاون بين المعهد الوطني لعلوم المواد والمتعاقدين المحليين، طبقت طلقات من البلومتر الجيوم الكربوني المنخفض على منحدر تجريبي بالقرب من الموقع لتقييم مقاومة التحات والاحتفاظ بنتيجة السيزيوم خلال فترات هطول الأمطار الثقيلة.

وقد خضع مشروع " التكوين الجماعي والهجرة " التابع للوكالة اليابانية للطاقة الذرية لفحص حقن نانو - إيرون في بركة ملوثة صغيرة، مما أدى إلى الحد من تركيز السيزيوم القابل للذوبان بأكثر من 90 في المائة دون الإخلال بالموئل القاعدي، وهذه السبل في الموقع التي تتجنب التنقيب الكثيف للطاقة ونقل التربة، تجسد مبادئ المعالجة البيئية، وستبلغ البيانات التي تجمع من هذه الطيارات باستكمالات لضمان وجود طرق متكاملة.

وينطوي نموذج أحدث على قسم من ممرات النقل مزود بمركبة أرضية مجهزة بخرسانة مجهزة باللوحات الأرضية تتضمن زجاجاً مدوَّناً من المباني الملوَّثة، وقد تم رمي الرصيف في مكان ما باستخدام خليط من المزيجات والمنتهية تعمل عن بعد، مما يدل على أن المواد المتقدمة يمكن معالجتها بأقل قدر من تعرض العمال، وبعد سنة من حركة السيارات الثقيلة ودورات المطاط المفصل، لا يظهر النجاح التقليدي في الارتفاع في الارتفاع في سطح الأرض.

إدماج المواد الإلكترونية في خريطة الطريق التي تُلغى

وترمي خطة اليابان الرسمية لإلغاء تشغيل محطة فوكوشيما دايتشي للطاقة النووية، التي يجري تنقيحها سنويا، إلى الحد من الأثر البيئي لمعالجة النفايات وإعادة التدوير إلى أقصى حد، ويركز آخر تنقيح لخار الطريق على " تطوير تكنولوجيات المعالجة الجديدة ذات العبء البيئي الأدنى " ، والتعجيل بالتبني، مولت الحكومة اتحادا يضم مؤسسات تابعة للشبكة، ومؤسسات أكاديمية، وشركات تخزين النفايات ذات الولاية المتمثلة في اعتماد ثلاثة مواد بيئية منخفضة.

إن التوحيد خطوة هامة قادمة، حيث يقوم معهد اليابان للمحفوظات بصياغة مبادئ توجيهية لتصميم وبناء " الخرسانة النووية الخضراء " التي تغطي تصميم المزج ومراقبة الجودة واختبار الإشعاع، وييسر التعاون الدولي من خلال فريق الخبراء التابع لمنظمة التعاون والتنمية في الميدان الاقتصادي المعني بأحزمة النفايات تبادل البيانات بشأن المواد السماوية البديلة، مما يتيح قبولا تنظيميا أسرع.

كما أن خارطة الطريق تتضمن خطاً مخصصاً في الميزانية لتقييم مدى الحياة للخيارات المادية، بدءاً من عام 2025، يجب أن تقدم جميع مشاريع التشييد والتغليف الجديدة في موقع فوكوشيما تحليلاً مفصلاً لبصمة الكربون وخطة لتخفيف النفايات، وهذه الدفعة التنظيمية توجه بالفعل قرارات الشراء بعيداً عن الأسمنت التقليدي في بورتلاند إلى بدائل أقل من الكربون، وتفيد الشركة بأن انبعاثات الكربون المرتبطة بالمشروعات البديلة في السنة الأولى من هذه السياسة قد انخفضت بنسبة 30 في المائة.

الأبعاد الاقتصادية والاجتماعية

فبخلاف القياسات البيئية، يمكن أن يدعم استخدام المواد الملائمة للبيئة تنشيط المجتمعات المحلية، إذ يمكن أن يُستمد بعض البقايا والألياف القائمة على أساس بيولوجي قيد التطوير من المنتجات الثانوية الزراعية في مزارع فوكوشيما التي تستعيدها، مما يخلق اقتصاداً " محلياً " ، ومن ذلك مثلاً أن المواد الزراعية السريعة الارتحال يمكن أن تزرع في حقول ملوثة، وتستوعب النفايات المتبقية

ويمكن أن يؤدي التخفيض الطويل الأجل في تكاليف الصيانة والاستبدال من المواد الإيكولوجية الأكثر استدامة إلى تحرير الأموال اللازمة لتحديات أخرى تتعلق بإيقاف التشغيل، مثل إزالة الحطام الفضائي، وتشير تحليلات التكاليف المتعلقة بالفائدة إلى أنه حتى إذا كان السعر الأولي للعناصر الجاهزة للبث الأرضي أعلى بنسبة 20 في المائة من الخرسانة التقليدية، فإن تمديد فترة الخدمة وانخفاض وتيرة التفتيش يحقق وفورات صافية بعد 15-20 سنة، وهذه الحجة الاقتصادية تعزز حالة الاعتماد فيما بين أصحاب المصلحة المثقفين في الميزانية.

مثال ملموس: بالنسبة لخزنات التخزين المعتزمة أعلاه في النفايات المنخفضة المستوى، باستخدام المعاطف الفوسفاتية بدلا من تطويع البوليمر التقليدي، خفض دورات الصيانة المتوقعة من كل خمس سنوات إلى كل 20 سنة، وهذا يقلل من تكلفة دورة الحياة الإجمالية بنسبة 40 في المائة، ويقلل من توليد النفايات المشعة من عمليات إعادة التدوير، ويمكن إعادة توجيه الوفورات إلى تطوير تكنولوجيات عالية الكفاءة في حجم النفايات.

توجيهات البحوث المستقبلية

أما الحدود التالية فهي تطوير مواد " علمية " مصممة خصيصا لدورات الحياة المتعددة، تخيل جدار احتواء يمكن، في نهاية فترة خدمته، سحقه وإعادة تنشيطه كسلف لطبيعي جديد، وضبط الملوثات في موقع مغلق، ويستكشف الباحثون في جامعة كيوشو هذه المكونات الإبداعية، كما أن الطباعة المتقدمة في مجال التصنيع المضاف تؤدي إلى فتح أبواب النفايات.

ويجري تسخير المعلومات الاستخبارية والتعلم الآلي للتنبؤ بالسلوك الطويل الأجل للمواد الجديدة في ظل ظروف ميكانيكية ذات طابع إشعاعي - إشعاعي - هدرائي - رقمي، ويتيح التوأم من مرافق التخزين للمهندسين محاكاة عقود من العمر في أيام، وتحديد التكوينات المادية المثلى، وقد تم إبراز هذه الأدوات في استعراض أجري مؤخرا لأشكال النفايات النووية المستدامة.

وثمة مجال آخر مستجد هو استخدام مواد " ذاتية التشخيص " التي تتضمن أجهزة استشعار مدمجة أو أغطية مستجيبة للإشارة إلى الإشعاع أو تطوير الشقوق دون طاقة خارجية، مثلاً، فإن جهازاً لرصد الأرض قد يُستخدم في صبغة الفلورسنت، حيث يجري اختباره كمطياف مرن لحزم النفايات، وتظهر النتائج الأولية أن طريقة البرمجيات المصغرة للتغيرات اليدوية تتناسب مع الجرعات التراكمية.

ولا يزال التعاون الدولي ضرورياً، حيث إن مشروع H20 الذي وضعته المفوضية الأوروبية " E-CoRehab " قد جمع بين أفرقة من اليابان وفرنسا والمملكة المتحدة لتبادل البيانات عن الملوِّثات الأحيائية وقابلية الدبور الجيوبوليمر، مما يؤدي إلى تسريع عملية التأهيل، حيث تقترب العديد من المرافق النووية في العالم من وقف التشغيل، فإن الدروس المستفادة في فوكوشيما ستشكل جيلاً جديداً من معايير الإصلاح الأخضر.

ومع استمرار إصلاح فوكوشيما، سيتحول إدماج المواد الصديقة للبيئة من تجربة نشيطة إلى ضرورة رئيسية، وقد يتجلى في مزيج من مبادئ الاقتصاد الدائري، والأداء المتقدم، والالتزام بتقليل الأثر البيئي للتنظيف نفسه، أن هذه العملية تتواءم مع المهمة الأصلية للانتعاش، وهي إعادة الأرض إلى الأجيال المقبلة، وباختيار مواد آمنة ومستدامة، يمكن لمشروع فوكوشيما أن يبرهن على أنه حتى على أن أكثر الكوارث البيئية تحديا يمكن معالجتها.