دور الهندسة المادية في تطوير المكونات المقاومة للتشعب الشعاعي في فوكوشيما

How Radiation Damages Materials at the Atomic Scale

إن الضرر الإشعاعي في الصلب ظاهرة متعددة النطاق تبدأ عند ظهور الجسيمات الجاهزة، أو أشعة غاما، أو الجسيمات ألفا - الجسيمات - الألف مع ذرات في التكوين الكريستالي للمواد، وفي قلب المفاعل، يمكن للزرق النيوترونات التي تزيد فيها الطاقات الحركية على 1 مي في أن يزيل الذر من مواقعه الأولى، مما يؤدي إلى اختلال في عدد من المفاعلات.

وتشمل أكثر الآثار تضرراً التورم الناجم عن الطهي ]، حيث يؤدي النمو اللاغي إلى زيادة الحجم في بعض الفولاذات غير الثابتة ذات التركيبة، و الحد من التشعب ، حيث تزيد عمليات التكسير على درجة حرارة الخلايا المهددة من الفلزات.

أنواع الإشعاع وآثاره على المواد

وتختلف صور الضرر اختلافاً كبيراً حسب نوع الإشعاع، إذ تنتج النيوترونات السريعة سلسلة من التصادم الكثيف، بينما تتسبب أشعة غاما في المقام الأول في التأين والضرر الإلكتروني، مما قد يضعف السندات في البوليميرات والسرامات، وتولد جسيمات ألفا، رغم تكديسها قصير المدى، أضراراً محلية مرتفعة وغازاً للهيلوم تتراكم في حدود الإشعاعات.

درجة الحرارة والأضرار

وتنظم درجة الحرارة بقوة تنقل العيوب، وفي درجات حرارة منخفضة (تحتوى على نحو 0.3 تي (_{) (}) حيث تُحدث _{درجة حرارة عالية، وتُحدث أيضاً بعض التلف المُتَوَجَّل في التحلل، وتُصبح درجات الحرارة المتراوحة مرتفعة.}

الهندسة المادية بوصفها مؤسسة الأمان النووي

إن هندسة المواد تسد الفجوة بين الفيزياء الأساسية والأداء التشغيلي، إذ إن العلماء، من خلال التحكم في التركيبة الكيميائية، والتجهيز الحراري، وخصائص الهياكل الأساسية الدقيقة مثل حدود الحبوب والتوزيع التدريجي، يخلقون مواد تلحق ضرراً إشعاعياً " غير قابل للزراعة " ، وتتمثل إحدى الاستراتيجيات الفعالة في استحداث كثافة عالية من الأكسيدات الثابتة ذات الحجم الحرفي، أو شواغر غير معدنية، مما يسمح بضبط جسيمات.

وفي حالة فوكوشيما، استخدمت مفاعلات المياه المغلية الأصلية الفولاذين عديمي الصبر و316L المحتويين على مواد وقود زيركالي التي أدّت على نحو كاف في إطار مظروف تصميمها، غير أن الحادث أدى إلى زيادة الظروف إلى أبعد من ذلك المظروف، كما أن هندسة المواد تركز الآن على beyond-design-basis accident

السُبُل المتقدمة للبيئات الرُضوية - الثقيلة

وقد أدى البحث عن المعادن المقاومة للإشعاع إلى تفكك الفولاذات والخطوط الخارقة التي ترتكز على النيكل والتي تفوق الصفوف التقليدية التي لا تطاق في مجال التسامح إزاء الجرعة.

ازدهار الأوكسايد

وفي مقدمة هذه المواد، فإن تفكك الأوكسيدات المعززة (ODS) الصلب ، الذي يحتوي على توزيع دقيق لليتريا (Y2O3) أو أكسيدات أخرى من أكسيد النيتروز يتم تثبيتها عن طريق التوأم الميكانيكي والهجوم الساخن، وتستخدم هذه المواد كؤوس مثبتة للاضطرابات الناجمة عن الارتداد إلى 150 مركزاً من المسحوقات.

السوبالويز الناكل والخطوط العليا

وفيما يتعلق بالمكونات التي يجب أن تتحمل الإشعاعات الشديدة والكميات الميكانيكية العالية - مثل الدعم الأساسي في المركبات - أو آليات التحكم في العجلات أو أحجار الحطام - - المنافذ الآلية - - مثل الإنكونيل 718 وHis 282 - يجري تعديلها بمحتوى منخفض من الكوبالت وهياكل حديدية مصممة.

مقاومــة الكوروسيــون فــي فوكوشيما و 817 817؛ وكيمياء فريدة

ويجب أيضا أن تقاوم السكك الحديدية التآكل من المياه المغلية ومياه البحر الذي غرق المفاعلات.

Cramics and Ceramic Matrix Composites

وفي حين أن المعادن تهيمن على التطبيقات الهيكلية، فإن السيراميات توفر مزايا فريدة في البيئات الإشعاعية القصوى: نقاط الذوبان العالية، ومقاومة الأكسدة الممتازة، وقطعاً متقاطعة لاستيعاب النيوترونات منخفضة بطبيعتها.

سيليكون كاربيد للتسامح مع الحوادث

(ب) إنَّ مصفوفةَ النسيج المُتَخَلِّمَة (Sillcon) هي المرشح الرئيسي لتشغيل الوقود بالتسامح مع الحوادث والمكونات الهيكلية الأساسية في تصميمات المفاعلات الجديدة، وهي تُقيَّم لبعض تطبيقات الأشعة المُحتَمَلة، مثل أجهزة الاستشعار المُخَفَّرة الإشعاعية والأجهزة الكهربائية.

مراحل إنتاج المواد الكيميائية وغيرها من السيراميات المبتكرة

وهناك درجة واعدة أخرى هي مراحل MAX ] - الحرف اليدوية والنترات مثل تي3SiC2 التي تجمع بين مقاومة درجة الحرارة الساحلية والسلوك الحراري الفلزي والقابلية للتشذيب، كما أن مراحل ماكس أظهرت القدرة على معالجة الشق الذي يسببه الإشعاع عبر تقلص الحدود الجرثية المنشطة حراري، وهو ما يمكن استغلاله.

التكتل الواقي والهندسة السطحية

وأحياناً لا يكون أكثر الطرق فعالية من حيث التكلفة لمقاومة الإشعاع بديلاً عن المادة السائبة بل لتعديل سطحها.

PVD, CVD, and Cold Spray Techniques

(ب) إن تركيبات الصمامات الشعاعية التي تُستخدم في إنتاج المواد الكيميائية، والتي تُستخدم في إنتاجها، والتي تُستخدم في إنتاجها، والتي تُستخدم في إنتاجها، والتي تُستخدم في إنتاجها، وتُستخدم في ذلك.

المناورات المستخرجة وأجهزة العلاج الذاتي

وتعالج طبقات الانتقال المستخرجة بين المضارب الفرعية المؤلفة من معادن وأغطية التراتب السطحية السيرامي، حالات التفشي الحراري، مما يحول دون التمزق أثناء التدوير الحراري، وتخفض المعاطف ذاتية التناول، مثل تلك التي تتضمن كبائن صغيرة من الزجاج السائل أو من سيليكيوم الليثيوم، في طور التطوير بالنسبة لفوكوشيما و 8217؛ وتمنع المواسير المحتوية على معاطف المطاطس المبتكرة.

الاختبار والمؤهلات والنماذج الافتراضية

(ب) إن وضع مواد مقاومة للإشعاع يتطلب إجراء اختبارات في ظروف تمثيلية، ومع ذلك فإن الإشعال الكامل لمفاعلات الإشعال بطيء ومكلفة، وقد أغلق مفاعل اختبار المواد اليابانية قبل حادث فوكوشيما، مما يترك فجوة تقوم بها هيئة التنظيم النووي اليابانية، والمعهد الوطني لفحوصات الكبريت وعلم وتكنولوجيا الإشعاع، بالعمل على ملء الآلاف من خلال الشراكات الدولية ومرافق الفرز السريع للآلاف من المواد ذات الطاقة العالية.

التعجيل بالتشعيع والتصنيع في الموقع

وتسمح مرافق الإشعال الأيونية مثل معهد تاكاساكي المتقدم لبحوث الإشعاع للباحثين بدراسة تطور الضرر في الوقت الحقيقي باستخدام جهاز الإرسال الإلكترونية المصغر مقترن بأشعة إيون، وتكشف هذه التجارب عن السلوك الدينامي للعيوب - كيف تغذيها وتنمو وتنمو وته وتهدرها وتخضع لضوابط تحت سيطرة الإبادة، وبالنسبة للمواد الخاصة بفوكوشيما، كثيرا ما تجرى الاختبارات برد فعل مائي وراثي من البيوت.

النماذج الحاسوبية المتعددة النطاق

(ج) وبالمقارنة مع الجهود التجريبية، أصبح من الضروري ) وضع نماذج حاسوبية متعددة النطاق ، حيث تُعدّ الحسابات العملية الكثيفة من خلال التنبؤ بتشكيلات العيوب، وتُحفّز الديناميات الجزيئية تطور سلسلة التسلسل التعاقبية؛ وتُعدّل نماذج نظرية من الفجوة في السلوك على نطاق الأجهزة.

التصنيع، والقدرة على التصعيد، والتحديات المتعلقة بسلسلة الإمدادات

كما أن ترجمة المواد المختبرية إلى عنصر تأهب للإنتاج يمكن أن يغمر أو يُصب أو يُصنع أو يُصنع بصورة مضافة يشكل عقبة كبيرة، ويحتاج الفولاذ المستنفد إلى طرق متطورة للتحلية الميكانيكية والميتالورجية؛ ويزيد من هذه الطرق ويحتاج الحفاظ على تفرقات أكسيد النانو الموحد إلى مراقبة عملية متطورة.

التصنيع الإضافي للمكونات العرفية

وبالنسبة لفوكوشيما، حيث تكون كل أداة فريدة أو مسبارة في كثير من الأحيان تصميماً غير مكرر، فإن التصنيع الصنعي بالغ الأهمية، إذ أن التصنيع الإضافة باستخدام صمامات مسحوق الليزر أو تركيب الطاقة الموجهة يتيح القدرة على إنتاج مكونات مركبة قريبة من الشبكة من سبائك مقاومة للإشعاع دون استخدام أدوات باهظة التكلفة، وقد أثبت الباحثون في جامعة توهوكو وجيشا أن هناك أجزاء من الصلب المضاف إليها مع نهج عملية تفككية

القدرة على مواجهة سلسلة الإمدادات وإعادة تدويرها

كما أن القدرة على مواجهة سلسلة الإمدادات تشكل مصدر قلق، إذ أن الإطار الزمني المتعدد التخصصات للمشروع الذي يُنفذ في إطاره مواد خام - نانوبدرات، وألياف الكاربين السيليكون العالية النقاء - ينتجه عدد محدود من البائعين العالميين، ويستلزم توفير مصادر آمنة ومتنوعة، وتطوير تكنولوجيات إعادة تدوير المعادن الملوثة للحد من النفايات الثانوية، ويقود المعهد الوطني الياباني لعلوم المواد النووية خطوطاً اتحادية.

Lessons from the Fukushima Decommissioning Frontline

وقد كشف مختبر فوكوشيما دايشي الواقعي عن قدرة المواد الموجودة على الصمود والقيود التي تفرضها، وقد عانى الآليون المبكرون الذين أرسلوا إلى الوحدة الأولى من مواد الاستحواذ الأولي من الفيسيل من الفشل الإلكتروني السريع بسبب إشعاع غاما، مما أدى إلى اعتماد روبوتات صلبة مع توفير حمايتها من سبائك ثقيلة من التنغستن - النيكل ومواد شبه الموصلات الإشعاعية المحتوية على إشعاع.

تحدي أخذ العينات في حشو الوقود

ومن الحالات التي تُستدل منها على وجه الخصوص استحداث جهاز أخذ العينات من الحطام الفضائي، الذي يجب أن يمسك ويسترد أجزاء صغيرة من الخليط المعقد لليورانيوم والزنكيوم والحديد والخرسانة التي تصطن بطريقة غير خاضعة للمراقبة، كما أن المواد الشائكة يجب أن تقاوم التآكل السطحي من كلوريد المعادن، وتتجنب المخاطر التي تنجم عن وجود خلل في أجواء الهيدروجين، وتحافظ على الصلابة حتى بعد أن تستوعب 10 أمواجات.

النزاهة الملموسة والهيكلية

وبالإضافة إلى المعادن والسهيميات، تعرضت الهياكل الملموسة التي تأوي المفاعلات أيضاً إلى أضرار إشعاعية، بما في ذلك فقدان المياه من مراحل مهيأة وتوسيع المجاميع بفعل الإشعاع، ويجري حالياً تطوير اختبارات غير تدميرية باستخدام رادار فوق الصوتي ورادار النيت الأرضي لتقييم حالة جدران PCV، كما يجري تطوير مواد جديدة للطحن مع البوليمرات المقاومة للإشعاع لمنع تلوث بالمياه الجوفية.

الاتجاهات المستقبلية والتعاون الدولي

وتغذي الابتكارات المادية التي يقودها فوكوشيما مباشرة أهدافا أوسع: تسويق مفاعلات الجيل الرابع الآمنة بطبيعتها، وبناء جدران أولية دائمة للاندماج، وإدارة النفايات النووية الطويلة الأجل، ومشاركة اليابان في المنتدى الدولي للجيل الرابع و مشروع الصمامات المشعة المنخفضة الانبعاثات

تعجيل عملية الكشف عن الآلات

وفي الوقت نفسه، يتسارع التعلم الآلي في اكتشاف المواد المقاومة للإشعاع، وقد قامت أفرقة في جامعة كيوتو ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا بتدريب شبكات عصبية على بيانات الإشعاع العالي الناتج للتنبؤ بالارتفاع والتصعيد بمزيد من الدقة عن نظرية المعدل الكلاسيكي، وقد أبرزت هذه النماذج عدة نظم جديدة للخطوط الداخلية التي تمر الآن بمحاكمات للارتداد بالأيون.

Global Data Sharing and Test Reactor Access

الشراكات الدولية، مثل OECD Nuclear Energy Agency]#8217;s] FIDES-II program, share scientific examination data and allow Japan to access test reactors in Europe and the U.S. while its own materials testing capabilities are gradually restored. The ]FIDES framework[Foyiuk:3]

خاتمة

وقد أصبحت هندسة المواد العمود الفقري للجهد الذي يقوم به فوكوشيما دايتشي في المستقبل، مما يحول كارثة غير مسبوقة إلى محفز على اختراق المواد العلمية، حيث أن تطوير الفولاذات المحتوية على مواد مستنفدة للأوزون، والمكونات المركبة من سي سي سي سي سي سيك، والخطوط المتقدمة، والمواطف المتقدمة لم تحدث في عزلة؛ وقد نشأت عن تكامل ضيق في الفيزياء الإشعاعية الأساسية، ونموذج التراكمي المركب في الميدان.