عندما لا يستطيع البشر الدخول: بعثة إنعاش فوكوشيما دايتشي

وفي 11 آذار/مارس 2011، يعتمد زلزال ضخم وكارثة تسونامي التي ولدتها على محطة فوكوشيما دايشي للطاقة النووية، مما أدى إلى حدوث سلسلة من الإخفاقات التي أدت إلى انهيار في ثلاثة من نواة المفاعلات، وتعتمد الكارثة التي أطلقت كميات ضخمة من المواد المشعة، والمياه الجوفية الملوثة، وخلفت حطام مركب من الحطام المزود بالوقود ومباني المفاعلات التي تضررت بشدة.

وكل مرحلة رئيسية من مراحل وقف تشغيل الوقود المذوب ورسم خرائط البقع الساخنة الإشعاعية، وأخذ عينات المياه والرواسب، وقطع الهياكل، واسترجاع أدوات آلية مجهزة لأغراض خاصة بالحطام، وذلك لظروف لم تكن مصممة للتحمل، وقد أدى العمل في فوكوشيما إلى رفع حدود الأليات، وتصلب الإشعاع، والاستجابات المستقلة عن المضبوطات النووية إلى وجود أجهزة موثقة.

لماذا فوكوشيما دمروا الروبوتات العادية

(ب) إن البيئة داخل مباني المفاعلات وسفن الاحتواء هي مميتة إلى أجهزة إلكترونية موحدة، ويمكن أن تتجاوز الجرعات الإشعاعية في سفن الاحتواء الرئيسية للوحدات 1 و2 و3 500 من المصاريف في الساعة، وفي تلك المستويات، تفشل عناصر نصف موصولة غير محمية في غضون أيام، تصبح أشعة الأسلاك مثبتة ومتصدعة للنظم البصرية التي تظلم وتفقد كفاءة النقل.

ويعاقب على الدخول المادي، إذ إن الموانئ الداخلية ضيقة، ولا تتعدى في كثير من الأحيان 20 إلى 30 سنتيمترا في قطرها، وتحجب الحالات المستقرة والممرات عن طريق الحطام المتدهور، والمعادن الملتوية، والملوثة باليورانيوم الداخلي، والماء المشع والخروطي، الذي يحتوي على رسوب معلق يقلل من الرؤية إلى سمومات، كما أن المناطق الفرعية هي من قبيل التحلل المتسارع.

الدروس المستفادة من البعثات المبكرة

وقد تم تعديل أول روبوتات أرسلت إلى فوكوشيما دايتشي، وارتباط بعثاتها، وفي عام 2011، أصبحت مجموعة من أجهزة الإرسال الآلي المعدلة التي طورها معهد التكنولوجيا في تشيبا، قادرة على مسح الطوابق الأرضية الأرضية لمباني المفاعلات، وعلى إجراء قياسات الإشعاع، وقد قدمت هذه البعثات أول نظرة للحطام الداخلي وأثبتت أن الدخول الآلي كان ممكنا، ولكن هذه البعثات كشفت أيضا عن وجود كابلات.

وقد أدت المحاولات اللاحقة لإرسال الروبوتات مباشرة إلى سفن الاحتواء الأولي إلى حدوث سلسلة من حالات الفشل العالية الجودة التي أبلغ عنها على نطاق واسع، وفي عام 2015، كان هناك إخفاق في إرسال روبوتات ذات شكل متحكم به عن بعد إلى الوحدة 1 في طريق ممر ضيق، ولم يكن بالإمكان التخلص منها، وفي عام 2017، كان هناك حجب للأجهزة التي تُنشر في الوحدة 2 بسبب وجود مجموعة من الوقود المذوب.

تشكيلة الأسطول الآلي

ويتنوع أسطول الروبوتات الحالي في فوكوشيما، حيث يعمل أخصائيون في مختلف البيئات والمهام، ويساعد فهم الفئات على توضيح كيفية عمل هذه الأجهزة معا، ويحتفظ المكتب بجرد مركزي لما يزيد على 50 من البرامج الآلية، وكلها مخصصة لملفات محددة للبعثات.

الطائرات العمودية

وتقوم أجهزة التكتل الصغيرة وأجهزة الاختراق المجهزة بأجهزة الكشف عن الإشعاعات والكاميرات بإجراء دراسات استقصائية عامة داخل مباني المفاعلات، وستلحق معدلات الجرعات المتصاعدة في هذه المناطق أضرارا سريعة بمعدات الرصد الثابتة، وتُعد الطائرات العمودية التي تُلوث بقاعات ساخنة على الأرضيات والجدارات، وتفتش قنوات التهوية، وتُقدم التوعية بالحالة للآليات الأرضية التي تقل عن الحد الأدنى من الإشعاعي.

المزحون الأرضيون

وتتحمل المركبات المجهزة والمصنوعة أنظمة التصوير، وأجهزة التلاعب، وأجهزة الاستشعار الإشعاعية، ويمكنها أن تصعد السلالم، وتضغط من خلال فتحات ضيقة، وتعمل على سطح مبلّغ أو غير متجانس، ويستهدف بعضها حقوقا ذاتية بعد سقوطها، وتؤدي هذه الآلات الجزء الأكبر من مهام التفتيش والتلاعب ذات النطاقات الدقيقة، ويُعتبر البديل الملحوظ هو جهاز PMORPH الآلي الذي يمكن أن يعيد تشكيل مساره الجغرافي المقياس.

المركبات العاملة عن بعد تحت الماء

وتستكشف المواد المغمورة التي تُجهز بآلات السونار والكاميرات ذات التعريفات العالية، وقياسات السميك المناطق الفاسدة التي تقع تحت سفن ضغط المفاعل، وتجمع عينات المياه والرواسب وتفتش المكونات المعدنية للتآكل أو الضرر الهيكلي، وميادين الحطام المغمورة بالخرائط، ويستخدم جهاز " مانبو " الذي طورته توشيبا حركة سباحة شبيهة بالأسماك لتبحر في قاع الفضاء الضئيل

كاميرا التفتيش ومكبرات الصوت

وتُدرج المسبارات الطويلة والمرنة من خلال التضييق على الأقران في سفن الاحتواء، وتوفر هذه الأجهزة تفتيشاً بصرياً داخلياً دون أن تشترط على الإنسان الآلي دخول مناطق الجرعات العالية بالكامل، وكثيراً ما تكون الأداة الأولى المستخدمة لتقييم الظروف قبل أن يُلتزم بآلي أكبر، ويمكن أن تمتد المظاريف المستخدمة في فوكوشيما إلى 15 متراً، وتُدرج معلومات عن المعلومات التي تتضمن معلومات عن الانبعاثات من طراز النيوترونات.

المحاسب وقطع الأجهزة

ويجري تطوير الأسلحة الآلية الثقيلة التي تُحمل على الزحف أو الجسور الثابتة من أجل قطعها عن طريق الدرع والرفوف واسترجاع مواد الوقود، وقد أظهرت النماذج الأولية قطع لوحات الصلب تحت الماء وضبط حطام الوقود، وهي تمثل أعلى مستوى من التعقيد الميكانيكي في الأسطول، ويستخدم جهاز التلكسي للوحدة 2 نظاما للموازنة لمنع الارتداد.

الذكاء التي أحدثت اختلافاً

وقد أصبحت عدة روبوتات مبنية الغرض معالم في جهود وقف التشغيل، حيث كان الإنسان الآلي الذي كان يطوره توشيبا، يشبه سمكاً وكان مصمماً للسباحة داخل غرفة القشور المغرقة التابعة للوحدة 3، وفي عام 2017، استلم صوراً واضحة لمنطقة المياه البلاستيكية وأكد مدى الضرر الهيكلي الذي لحق بالمفاعل، مما وفر أول نظرة مباشرة على الظروف التي كانت تُستخلص من كاميرات المراقبة من بعد.

وقد دخل زحف ساكورا، الذي اشترك في تطويره كل من TEPCO و IRID، الوحدة ٢ في عام ٢٠١٧ وأرسل أول صور مفصلة للطابق الفاسد، وكشفت الصور عما يبدو أنه حطام وقود مذوب، وأكدت أن الفلين قد فر من سفينة الضغط واستقرت على قاعدة الخرسانة، وأن ساكورا كانت محمية بشدة وحملت نظما للكاميرات الزائدة، مما أتاح لها العمل لمدة طويلة بما يكفي لالتقاط البيانات الحيوية قبل تدهور الإشعاع.

وقد ميز الروبوت ذو الشكل الأثدي الذي يصممه فريق الطاقة النووية التابع له في هتاشي - جي وصولاً يتراوح بين 15 متراً ومفاصل مضادة للمياه، ويمكن أن يُقحم من خلال موانئ تفتيش ضيقة ويوصل كاميرا إلى داخل سلاسل من مخلفات الوقود المشتبه فيها، وقد أظهرت مهمته في الوحدة 1 أن المسبارات الطويلة والمفصولة يمكن أن تصل إلى مناطق خطرة جداً أو محاصرة من أجل دخول مركب كاميرا تقليدية.

وفي الآونة الأخيرة، نشرت المنظمة برنامجاً فرعياً من طراز ROV مجهزاً بذراع آلي و3D سونار لرسم خريطة لبضائع تحت الماء في الوحدة 1، وولدت هذه الآلية نماذج تفصيلية من ثلاثة أبعاد للداخلية، مما أتاح للمهندسين تخطيط معدات استرجاع الحطام بالوقود بدقة كان من الممكن استخدامها قياسات غير مباشرة وحدها، وتمثل هذه النجاحات خطوات إضافية وإن كانت أساسية نحو الإزالة المادية للمركبتين الأساسيتين.

التقدم التكنولوجي الذي انفصلت عنه فوكوشيما

وقد أدى مشروع وقف التشغيل إلى تحقيق تقدم سريع في مجال الابتكار الذي يتجاوز حدود المصنع، إذ إن الأجهزة الإلكترونية المحتوية على الإشعاع، بمجرد أن تشهد منطقة نيتشية تخدم التطبيقات العسكرية والفضاء، قد شهدت تقدما سريعا، ويبدو أن المواد العزلة الجديدة، وأجهزة التصفيف بالسيليكون، وشبه الموصلات المتحملة للإشعاع تسمح الآن للكاميرات والمتحكمات الدقيقة بالعمل بصورة موثوقة بعد امتصاص الجرعات في مئات الكاميرات ذات المقياس الكيميائي.

وقد تحولت الملاحة الذاتية من مطالب بيئة فوكوشيما، وكثيرا ما تفقد الروبوتات الاتصالات مع مشغليها لأن درائن المفاعلات وأجهزة التحكم عن بعد تبث إشارات لاسلكية، وعلى متنها تُحدث أجهزة قياسية متزامنة ورسم خرائط، وتُبث بوحدات قياس غير مباشرة، وتسمح لآليات بناء خريطة مفصلة لاسترجاع إشاراتها المحيطة بها، مع تخطيها.

وقد أصبحت التكنولوجيا الرقمية المزدوجة مركزية لتخطيط البعثات، فقبل دخول الإنسان الآلي إلى المفاعل، يهيئ المهندسون بيئة محاكاة مفصلة باستخدام كل قطعة متاحة من بيانات المسح السابق، ويتدربون على المناورات، ويتوقعون أن يكون الإشعاع الماما أكثر كثافة، ويقلل من الوقت الذي يتعين فيه على الآلي أن ينفق في المناطق ذات الجرعات العالية، ويقلل من خطر حدوث حالات تخلف الإشعاعات عن الكلفة.

تحديات مكافحة الأمراض التي تصيب الأجهزة الآلية وتلروبها

ويشتمل تشغيل الروبوتات في فوكوشيما على قيود فريدة من نوعها في التفاعل بين البشر والأجزاء، إذ يمكن أن تتجاوز المسافة بين غرفة التحكم ومباني المفاعل 500 متر، مما يؤدي إلى تأخير نشر الإشارات في ما يصل إلى 50 مللي ثانية بالنسبة للنظم القائمة على التوليد، وأكثر من 200 ميل ثانية بالنسبة للوصلات اللاسلكية من خلال حواجز ملموسة متعددة، مما يجعل من الصعب على المشغلين أن يكتشفوا أن أجهزة الاستلام الآليين لا تلتقط إلا بعد التأخير.

وثمة تحد آخر يتمثل في الحفاظ على الوعي بالحالة السائدة عندما تحجب الكاميرات عن طريق البخار أو الغبار أو قطرات المياه، وكثيرا ما يحمل روبوتات فوكوشيما كاميرات متعددة ذات حساسيات مختلفة من الطيف، بما في ذلك أجهزة التصوير ذات الشدة القريبة من الشدة والحرارية، ويشعر أن برامجيات الدمج المتعددة الاستعراضات تُغرس هذه المواد في واجهة واحدة من القفازات المضغوطة التي تكسر القفازات.

التعاون الدولي في مجال الآليات النووية

The Fukushima decommissioning is not solely a Japanese effort. IRID was established in 2013 with participation from major Japanese nuclear operators and manufacturers, but its work is supplemented by partnerships with the US Department of Energy, the United Kingdom Nuclear Decommissioning Authority, and European research laboratories. The US DOE has supplied radiation-resistant cameras and remote handling expertise originally developed for the Hanford and Sellafield cleanup sites have Japanese engineers.

وتتدفق هذه التبادلات في الاتجاهين، إذ أن التكنولوجيات التي صُنفت في فوكوشيما، مثل المتلاعبين البعيدي المدى ونظم التشغيل عن بعد التي تعوض عن مدى تواتر الإشارة، يجري تقييمها حاليا لاستخدامها في المواقع النووية في المملكة المتحدة والولايات المتحدة، وتدير الوكالة اليابانية للطاقة الذرية مركز نارا للتطور التكنولوجي في مجال مكافحة الأوبئة، وهو مرفق كامل النطاق يتيح لأفرقة دولية اختبار الرواسب على الحطام المتحرك(ه) قبل أن تُكبُّب.

الطريق إلى فويل ديبريس

والهدف النهائي من جهود وقف التشغيل هو استعادة الوقود المذوب، وتعتزم المنظمة الشروع في استرجاع كمية صغيرة من الحطام من الوقود من الوحدة 2 بحلول أواخر عام 2024 أو عام 2025، وستستخدم هذه العملية ذراعا آليا مصمما خصيصا تحت توجيه المعهد الدولي لبحوث التنمية البشرية، وهو جهاز معالج متحرك من بعد 22 متر يمتد من خلال أجهزة التشظي الإشعاعي التي تُشغّل في أجهزة الاستنفار.

وستكون كميات الاسترجاع الأولية صغيرة، ربما بضعة غرامات فقط، ولكن البيانات التي يتم جمعها ستكون قيمة، وسيقاس المهندسون الصلبة، والنسيج، والتكوين الإشعاعي، والمخاطر الحرجة، وستبلغ هذه البارامترات تصميم نظم الإزالة الكاملة التي ستعمل على مدى العقد التالي، وسيزداد حجمها تدريجيا من المقاييس الميكانيكية إلى الكيلوغرامات ثم إلى الأطنان، في عملية من المرجح أن تستمر في عمليات خفض النفايات الصناعية.

وقد قامت شركة TEPCO بالفعل بإجراء عمليات جافة في مرفق للمسح باستخدام قشرة محاكاة مصنوعة من خليط من الصلب والسرامين اللاصقين، وتكشف هذه الاختبارات أن حتى الشظايا الصغيرة يمكن أن تخلق حواف حادة تلحق الضرر بأجهزة التلاعب، وبالتالي فإن ذراع الاسترجاع ستحمل مفاعلات نهائية قابلة للتبادل، بما في ذلك السكوب والزجاجة والزلاجات المكية، لمعالجة أشكال مختلفة من الحطام.

رصد السلامة والحد من الأخطار

كما تدعم الأجهزة مهام الرصد والحد من المخاطر المستمرة التي تبقي الموقع مستقراً، وتقوم الطائرات الآلية ذاتياً بدوريات في المحيط، وتنتج خرائط إشعاعية في الوقت الحقيقي تُحدث تنبيهات إذا ظهرت جسيمات ساخنة غير متوقعة، وتدير المضخات التي تعمل عن بعد وأجهزة معالجة المياه تدفقاً مستمراً من المياه الجوفية، وتعالج أكثر من 000 100 طن من المياه الملوثة كل سنة، ويعتمد نظام تجهيز السائل المتطور على آليات التبريد الآلي

وقد تم إدخال البيانات المستمدة من آلاف نقاط المسح التي جمعها الروبوتات والطائرات بدون طيار على مدى أكثر من عقد من الزمن في نماذج للتعلم الآلي التي تنبئ بكيفية تطور الحقول الإشعاعية مع إزالة المصادر الأولية، وهذه القدرة التنبؤية تتيح للمخططين الذين يوقفون تشغيلهم من العمل في تحديد مواعيد المهام لفترات تكون فيها معدلات الجرعات أدنى، وتصميم درء يخفض إلى أقصى حد من تعرض العمال أثناء العمليات اليدوية التي لا يمكن تركيبها آليا كاملا.

الأثر الاقتصادي والصناعي

وقد بذرت الاستثمارات في الروبوتات لصناعة الروبوتات في اليابان وعلى الصعيد الدولي، وزادت من الانقطاع عن التشغيل النووي، وزادت من انتشار الصناعات الثقيلة في ميتسوبيشي، وتوشيبا، وهيتاشي، جميع الشُعب الروبوتية المتفانية التي تستند إلى المعرفة المكتسبة في دايتشي، حيث أن التكنولوجيات التي طورت لها تطبيقات مباشرة في صناعات أخرى، بما في ذلك تفكيك النباتات الكيميائية، والتفتيش على النفط والغاز تحت الماء، والارتقاء بالآليات في مجال الاستجابة للكوارث.

وتقدر التكاليف الإجمالية لإلغاء تشغيل فوكوشيما بنحو 8 تريليون ين، ويُنظر إلى الروبوتات على أنها أداة حاسمة لاحتواء التكاليف لأن كل ساعة من العمل البشري التي توفرها الروبوتات تقلل من التعرض للجرعة وتتجنب تكاليف التخطيط والتدريب والمعدات الوقائية اللازمة للقيدات المأهولة، وتبرر التكلفة الأولية العالية للأجهزة القائمة على بناء الأغراض بالوفورات الطويلة الأجل التي تولدها الوزارة

مرافق الاختبار والتحكّم

ومن العوامل الحاسمة التي تتيح تطوير الروبوتات إنشاء مرافق اختبار كاملة النطاق، حيث يُفتح مركز ناراه لتطوير تكنولوجيا التحكم عن بعد في عام 2017، وهو يُعدّ مجموعة من مفاعلات البناء ذات الجدران المنقولة التي تُكرّر مخطط الحطام الفعلي، وتخضع الأجهزة الآلية لفحوصات التحمل تحت التعرض المستمر لمادة غاما من مصدر ثنائي - 60، ويشمل المرفق أيضاً خزاناً مائياً من 15 متراً لإجراء اختبارات.

وهناك مرفق آخر، هو مركز تطوير التكنولوجيا عن بعد في يوكوهاما، وهو يضم مختبرا عالي الطراز يستطيع فيه المهندسون اختبار أدوات قطع العينات المشعة الفعلية المستخرجة من الموقع، وهذه العينات أقل من 10 غرامات تقريبا، ولكنها تسمح بقياس الممتلكات المادية اللازمة لتصميم الأدوات قياسا مباشرا، وقد أصبحت المرافق مواقع إرشادية للشركاء الدوليين، مع قيام أفرقة من فرنسا والسويد وكوريا الجنوبية بإجراء تجارب مشتركة.

الجيل القادم من الصواريخ الآلية التي تم وقف تشغيلها

ويتوخى جهاز التعقب الذي يُلغى تشغيله آليين يتمتعون بقدر أكبر من الاستقلالية والتفكك، ويختبر الباحثون قفازات التلكس التي تتيح للمشغل أن يشعر بامتثال الحطام الذي يجري الاستيلاء عليه، مما يقلل من خطر تسرب أو سحق المواد الهشة، ويخضع آليون كودروبيدات مصممون أصلا للبحث والإنقاذ، مثل النسخ المعدلة من من منصة الأشعة Spotية، لفحص العقبات التي تحول دون الوصول إلى مفاعلات.

وسيؤدي الاستخبارات الفنية دورا أكبر في تفسير بيانات الاستشعار، إذ أن خوارزميات التعرف على الأجسام التي تم تدريبها على ملايين الصور من الخرسانة والصلب المتضررة يمكن أن تُعَلّم تلقائيا مجالات الاهتمام، مثل الشقوق أو التآكل غير المتوقع، من أجل استعراض الإنسان، وفي نهاية المطاف، ستنسق نظم تخطيط المهام الآلية المتعددة في آن واحد: طائرة بدون طيار تقدم رؤية عامة بينما يقوم زحف بقطع كابل وغرفة فرعية لرصد المياه الجوفية

وقد أصبح توحيد الوصلات الآلية أولوية، إذ أن برنامج العمل التقني والمعهد الدولي لبحوث التنمية البشرية يدعوان الآن إلى تصميمات نموذجية يمكن فيها تبادل الأسلحة والمجسات وقواعد التنقل بسرعة لتناسب مهمة جديدة، مما يقلل الوقت الذي يقضيه الإنسان الآلي المتضرر خارج الموقع من أجل الإصلاح، وهذا الفلسفة يعكس الاتجاهات في مجال الروبوتات الفضائية، ومن المرجح أن يصبح معيارا لبرامج التطهير من الأسلحة النووية في جميع أنحاء العالم.

نموذج للاستجابة المستقبلية للحوادث النووية

أما العمل في فوكوشيما، فيجري دراسته من قبل كل دولة لديها برنامج للطاقة النووية، فالآليات التي نجحت وفشلت هناك تولد مجموعة من المعارف التي ستسترشد بها الاستجابة لأي حادث في المستقبل، وقد أدرجت المنظمات الدولية، بما فيها الوكالة الدولية للطاقة الذرية، دروسا في المبادئ التوجيهية لتكنولوجيا وقف التشغيل عن بعد، وقد تم تصنيف النظم الآلية التي تم تطويرها من أجل النشر السريع المحتمل في أماكن أخرى، مما يخلق موردا عالميا لم يكن موجودا قبل عام 2011.

وما بدأ كمحاولة يائسة للنظير داخل مفاعل مدمر قد نضج إلى حملة هندسية مُنضبطة ومتعددة الأكاذيب، وقد مكّن الجهاز الآلي من التقدم من الجهل الكامل للدولة الداخلية إلى خرائط مفصلة ثلاثية الأبعاد، من المضاربة عن موقع الوقود إلى صور مؤكدة، ومن التصوير إلى استعادة المواد، والآلات ليست سراويل، ولكن المهام الكثيرة ستتطلب حكماً إنسانياً وتدخلاً مادياً.

دور الروبوتات في وقف تشغيل فوكوشيما سيستمر في التوسع حتى يتم إزالة آخر قطعة من حطام الوقود وتفكيك الهيكل النهائي، والجدول الزمني للمشروع طويل، ولكن كل بعثة آلية تحقق فهما أوضح وأمان، والابتكارات التي تولد هنا ستتم عبر المرافق النووية في العالم، مما يجعل وقف التشغيل أكثر أمانا وأسرعا وأكثر قابلية للتنبؤ، والتعاون بين الأمم، واستعادة التقدم في المعدات والبرامجيات، والتصميم على رؤية الآلات.