تكنولوجيات المعالجة المبتكرة للمياه المستخدمة في عمليات تنظيف فوكوشيما

The Scale of Contaminated Water at Fukushima

كما أنه حتى أوائل عام 2025، لم يكن هناك سوى 1.3 مليون متر مكعب من المياه المعالجة في أكثر من ألف دبابة كبيرة عبر موقع فوكوشيما دايشي، ولا يزال هذا الحجم يزداد بحوالي 100 إلى 130 متر مكعب يوميا، وذلك أساسا من التراكم في المياه الجوفية الذي يرتفع إلى مباني المفاعلات المضرورة ويستمر في التحلل.

وقد صنفت المياه المشعة في فوكوشيما بتركيز وأنواع النظائر التي تحتوي عليها، ويمكن أن تحتوي مياه المفاعلات المضخة حديثا على مستويات عالية من التصاميم السيزمية - 134، والسيزيوم - 137، والسترونتيوم - 90، واليود - 129، ومجموعة من المتغيرات الأخرى في تصميمات النسيجية والتنشيط، بما في ذلك تريتليوم المضغوط الذي يصعب التخلص منه.

نظم المعالجة الأولية

أما عملية معالجة المياه في فوكوشيما دايتشي فهي ليست آلية واحدة بل سلسلة متكاملة من النظم، لكل منها دور متميز، إذ إن الجهود المبكرة التي تركز على إزالة الإسيوم في حالات الطوارئ، تليها عملية فصل بين النويدات المتعددة، ثم تُحدث بواسطة التلخيص وترسيب النفايات، وتتجاوز المرافق الرئيسية التي ظهرت لتحديد هذا الجهد نظم الارتداد في كوريون وسوريا، ونظام الفرز المسبق للسائل.

نظام إزالة الأكاسيوم: نظم الاستيعاب الكردية والكاريبية

وكانت الأولوية الأولى بعد تثبيت المفاعلات المبردة هي إزالة النظائر المسؤولة عن الجزء الأكبر من الجرعة الإشعاعية الخارجية: Csium-134 و cesium-137، وشملت نظم التبريد في مرحلة مبكرة سفن الاستيعاب القائمة على الزلويت، ولكن هذه النظم أصبحت مطهرة بسرعة بسبب ارتفاع ملوحة المياه الملوثة بالمياه البحرية وحجم الزهرة.

وقد جهز نظام كوريون المياه الملوثة بمعدلات تصل إلى 200 1 متر مكعب يومياً أثناء عملية الذروة التي قام بها، ويمكن لنظام ساري، الذي صممته وبنىته توشيبا، أن يستوعب 500 متر مكعب يومياً لكل قطار، مع وجود عدة قطارات تعمل بالتوازي، وقد برهن النظامان على حدوث انخفاض بنسبة 99.9 في المائة في نشاط السيزيوم، مما أدى إلى انخفاض المياه من ملايين معدات التنظيف المرنة إلى مستويات يمكن إرسالها إلى مستويات ثانوية.

نظام تجهيز السائل المتقدم

The centerpiece of the multi-nuclide removal strategy is the ALPS, often described as the most sophisticated radionuclide removal system ever deployed at a nuclear accident site. contrast the initial cesium-only systems, ALPS is designed to strip out 62 of the 63 radionuclides listed in Japanese regulatory standards, excluding only tritium. The system, developed by Toshiba and partners, comprises a train of chemically distinct column design.

ويستخدم البوليسترين الموازي ثلاث مراحل أولية، حيث يتم التصويب المشترك بواسطة إضافة الكبريتات الحديدية وتعديل الهيدروجين إلى نحو 8-9، مما يساعد على فرز مجموعة متنوعة من النويدات المشعة مثل الكوبالت، وأجهزة التكتل الفضي، وأجهزة التكتل المحتوية على مواد مائية مثبتة على الأشعة، وأجهزة تلف مثبتة على مواضع مائل ذات خامات عالية.

ماء الإنتاج من برنامج (البوليستر) المعروف باسم (الماء المعالجة بجهاز (البوليستر) يفي بحدود تركيز التصريف لجميع النويدات المشعة باستثناء ثلاثي، لكن البطاطس المبكرة من المياه المعالجة بجهاز (البوليستر) قد تم تأكيدها على وجود نويدات راديوية متبقية فوق الحدود التنظيمية بسبب قضايا الأداء الأولية وتنوع كبير في تدفق النفايات القادم

Membrane Filtration and Reverse Osmosis

وقد أدت تكنولوجيات الميمبرنة دورا مزدوجا في إدارة مياه فوكوشيما: تحلية المياه وتنقيتها النهائية، فالماء الملوث في الموقع هو ملوحة للغاية لأن مياه البحر استخدمت في التبريد في حالات الطوارئ في الأيام الأولى، ولا يزال تدخل المياه الجوفية يجلب أملاحا مذوبة، ويتداخل المحتوى المرتفع مع بعض عمليات التبادل الأيوني ويزيد من الحجم الكلي للنفايات إذا تم تصريفها.

أما فيما يتعلق بشبكة إعادة تصميم المياه، فإن نظام " رواسب " يزيل جزءا كبيرا من الملح المذوب، ويخفض الحمولة على مواد الإحراق في المجرى السفلي، ويقلل من المنافسة الأساسية في مواقع التبادل الأيوني، ويزيل الرفض الكيميائي المفصل الكلي، ويزيل أيضا من سلسلة البوليدروين اللوجين المفرغة ٠٠٠ ٣٠ إلى ٠٠٠ ٣٥ ميل في أسفل إلى أقل من ٥٠٠ ميل مربع.

وبالإضافة إلى التدفق غير المباشر والتخثر النانووي، يُستخدم أحياناً لإزالة الجسيمات المتعاقبة التي يمكن أن تحمل نويدات مشعة ممزقة، مما يوفر حاجزاً إضافياً قبل التصريف النهائي، وتعمل معاً مراحل الغشاء كحواجز مادية قوية تكمل الانتقائية الكيميائية لنظم تبادل الأيوني، ويعمل مرفق فوكوشيما واحداً من أكبر منشآت الروبوتية في موقع الحوادث على الصعيد العالمي.

Ion Exchange Resins for Targeted Radionuclide Removal

وبالإضافة إلى النظم المتكاملة الكبيرة، استخدمت مجموعة متنوعة من مخلفات ومواد تبادل الأيوني المتخصصة لالتقاط نظائر مشكوك فيها، وعلى سبيل المثال، فإن وجود مواد كيميائية ذات قدرة عالية على الانتشار في المستقبل تكون فعالة للغاية في إزالة اليود - 129، وهو منتج من إنتاج الألياف الطويلة الأجل (النصف - 15.7 مليون سنة) يمكن أن يتراكم في الغدة الدرقية البشرية.

ويتوقف الاستخدام الفعال لبضائع الأيوني على فهم الكيمياء الحلية، إذ يمكن أن تشغل عمليات الاختبار الكالسيوم والمغنزيوم مواقع التبادل، مما يقلل من القدرة على إنتاج النويدات المشعة المستهدفة، ولهذا السبب فإن خطوات المعالجة المسبقة مثل التكييف على أساس التر، والوعود التي تُعد بها وحدة التايبرلية اليابانية، وغيرها من المؤسسات قد تفصل في كيفية انتقائية المواد ذات الحجم الافتراضي.

التثبيت: تثبيت النفايات العالية القدرة على التكيف

وتولد جميع عمليات المعالجة نفايات مشعة ثانوية: أعمدة الاستيعاب المستهلك، والحمأة، والتركيزات التي تحتوي على مزيج شديد التركيز من النويدات المشعة، وتمشيا مع أفضل الممارسات الدولية للنفايات العالية المستوى، تعتزم اليابان إبطال هذه النفايات عن طريق الإثراء - وتحويلها إلى شكل زجاجي دائم.

ويجري حالياً التحقيق في مرفق تجريبي لتثبيت الطاقة في فوكوشيما، ويقصد به تجهيز مستلزمات التثبيت في قاع البحر ومستودعات الطاقة الشمسية في المستودعات الزجاجية، كما أن الاختبارات المبكرة تواجه صعوبات في إطلاق نويدات مائية غير متجانسة وغير مستقرة، ولا سيما تقلب الكبسولة في درجات حرارة عالية، كما أن تحسين التصميمات المتكررة - بما في ذلك إضافة طبقات للحجم البارد، ونظم معالجة النفايات خارج نطاق الغازات، ومواسيرة.

تحدي تريتيوم والبحوث الجارية

ثلاثمائة و نصف عمر من الماء الخفيف هو النويدات المشعة التي لا يمكن أن تزيلها المياه التقليدية على نطاق واسع لأن ثلاثي أكسيد الكربون يُستبدل الهيدروجين العادي في جزيئات المياه لكي يُشكلوا مياه ثلاثية، ولكن ثلاثي كلوروات مُعالجة من الناحية الكيميائية

(ب) في حين أن إزالة ثلاثية النطاق لا تزال غير متاحة تجارياً، فإن العديد من التكنولوجيات المبتكرة على نطاق تجريبي يجري التحقيق فيها، وتشمل هذه التكنولوجيات الإثراء الكهرومغناطيسي (حيث تتراكم ثلاثي الأبعاد في الهواء الطلق نتيجة لتفكك النظائر الحرارية) أو التحلل الحراري المسببة للغاز.

السلامة والرصد والتطهير

وفي آب/أغسطس 2023، بدأت اليابان عملية الإفراج عن المياه المعالجة بالمبيدات الحشرية في المحيط الهادئ، وهو قرار أقرته الوكالة الدولية للطاقة الذرية بعد استعراض شامل شمل استعراضات نظراء من الخبراء لتقييمات السلامة، والتأهب التشغيلي، وخطط الرصد البيئي، وتشمل عملية التصريف إعادة تنقية المياه من خلال المعالجة الثانوية للملوثات العضوية الثابتة لضمان أن تكون جميع النويدات المشعة غير الثلاثية أدنى من الحدود التنظيمية (مع هامش من الخطأ)، ثم تذوب في مرحلة التصريف

برنامج رصد صارم، يشمل تي بي سي، وسلطة التنظيم النووي اليابانية والوكالة الدولية للطاقة الذرية، يُقيس باستمرار النشاط الإشعاعي في المياه الجاهزة، ومياه البحر القريب من الشلالات، والرواسب البحرية، وحيوانات مثل الأسماك، والسمك الشيلي، والناشر، وتُنشر البيانات في الوقت الحقيقي عبر منابر مفتوحة، وفقا لتقارير الوكالة الدولية للطاقة الذرية، مستويات ثلاثية في العينات من منطقة فوكوشيما

الابتكارات المستقبلية والاستدامة الطويلة الأجل

وقد حفزت عملية تنظيف الفوكشيما بالفعل على موجة من البحوث في عمليات معالجة أكثر كفاءة وأقل النفايات، حيث تم تطوير مواد نانوية متقدمة، مثل نانووبات الكربون وأطر أكسيد الغرافين ذات القدرة المغناطيسية، وذلك بهدف اختبارات الحجم السطحي العالية المحددة للغاز العضوي في ضوء الترسيب السباتي والسينيوم في حلول ملتهبة، على سبيل المثال، قام الباحثون في عمود

كما يجري تطبيق أسلوب التعلم من الآلات والنموذج الرقمي للالتقاء على النحو الأمثل في تشغيل قطارات العلاج الحالية، ومن خلال التنبؤ بفتحات لمواقع تبادل الأيوني باستخدام البيانات التاريخية والمجسات ذات الوقت الحقيقي، يمكن للمشغلين أن يضبطوا معدلات التدفق، ودورات التجديد، والجدول الزمني لتبديل الأعمدة لتعظيم عمر وسائط الإعلام، والتقليل إلى أدنى حد من حجم المياه المعاد معالجتها، وقد أدى هذا النهج التنبؤي إلى خفض تكاليف التشغيل بنسبة تتراوح بين 15 و 20 في المائة

خاتمة

إن تنظيف فوكوشيما دايتشي قد عمل كبراعة للابتكار في تكنولوجيا معالجة المياه، إذ أن تكامل نظم الاستيعاب السيزيوم، وإزالة النويدات المتعددة، وتركيب الميدرات، والفحص المتطور، والفحص المتطور، يدل على أن هيكل المعالجة المطبق يمكن أن يعالج مسارا مركبا مركبا معقدا للغاية، وفي حين أن التحدي الثلاثي لا يزال قائما، فإن مجموعة تكنولوجيات الفصل المثبتة، والرصد الدقيق

References and Further Reading]
Tokyo Electric Power Company Holdings (TEPCO) -- ALPS Treated Water Portal
• International Atomic Energy Status Agency --