دور الهندسة الميكانيكية في مرافق تجهيز النفايات في فوكوشيما

دور الهندسة الميكانيكية في تجهيز نفايات فوكوشيما

إن الأحداث المأساوية التي وقعت في آذار/مارس 2011 في محطة فوكوشيما دايتشي للطاقة النووية قد خلقت واحدا من أكثر التحديات تعقيدا في مجال الإصلاح البيئي في التاريخ الحديث، وتحول ثلاثة من نواة المفاعلات، وما تلا ذلك من إطلاق مواد مشعة، وأجبرت شركة النفط على إطلاق جهد منقطع من شأنه أن يمتد على عقود، وفي قلب هذه العملية الواسعة النطاق، يكمن في معالجة وتجهيز كميات هائلة من النفايات المشعة.

The Scale and Nature of Waste at Fukushima

ومن المفيد فهم مسارات النفايات، حيث يحتوي الموقع على ما يقرب من 880 طناً من الحطام المهبل المنتشر عبر المفاعلات الثلاثة المتضررة، المختلط بالمواد الهيكلية مثل الخرسانة والصلب، وقد عولجت أكثر من مليون متر مكعب من المياه الملوثة من خلال نظام تجهيز السائل المتقدم، وخزنت في أكثر من 000 1 خزان من الصلب المشبع من المفاعلات الصلبة.

التصميم الميكانيكي في نظم معالجة المياه

المياه الجوفية التي تتدفق باستمرار إلى مباني المفاعلات تصبح مُهبلة بالنوكليدات المشعة، خاصة السيزيوم والسترونتيوم، معالجة هذه المياه لإزالة 62 نويدة مشعّة إلى الحدود التنظيمية، هي أساساً وظيفة نظام البوليسترات، سلسلة من أعمدة الاستيعاب، وحدات التهطال الكيميائي، وأجهزة التحلل الحراري

كما أن الصيانة المنتظمة لمرفق البوليسترال تقع تحت نطاق الهندسة الميكانيكية، ويجب على العمال أن يحلوا محل الأعمدة المشبعة بالاستيعاب باستخدام معدات مناولة عن بعد، وهي مهمة تتطلب مقبض دقيق، ونظم سكك حديدية مصحوبة بدليل، وحواجز احتواء قوية، وهذه التدخلات الميكانيكية مصممة لتكون بمثابة راحة قدر الإمكان، مع وجود آليات مزدوجة، وحواجز تمنع إطلاقها بصورة منتظمة.

Robotics for Fuel Debris Retrieval: A Mechanical Engineering Frontier

إن إزالة حطام الوقود المذوب من سفن الاحتواء الأولي هي أكثر المهام شيوعا في عملية وقف التشغيل، ويمكن أن تتجاوز حقول الإشعاع داخل المفاعل 500 من قطع الغيار في الساعة، فتتعرض للقتل فوراً، ومن ثم فإن المهندسين الميكانيكيين كانوا قادرين على تطوير سلسلة من الروبوتات المصممة خصيصاً للمسح، وقطع الحطام، ويجب أن تشمل هذه الأجهزة الإشعاع العالي، وكميات فضائية.

Design Adaptations for Extreme Environments

إن الآلات الآلى مثل "العقرب" و"السمك الصنوعى" المُستغنى عنها توفر بيانات بصرية حاسمة، ولكنها تواجه أيضاً فشلاً بسبب إشعاعي الكتروني أو حريق الحطام، وقد أدت الدروس المستفادة إلى توليد جديد من الأسلحة الآلية ذات التصميم الآلي الأقوى، وتشمل خطة استعادة الحطام الحالي مُذيبة كبيرة مُصممة على شكل أزياء مُشعة.

ويزيد من تعقيد عملية التصميم الميكانيكي، إذ أن المشغل الذي يجلس في مجموعة من المئات من المترات يعتمد على التغذية المرتدة للقوة وكاميرات عالية التعريف للشعور بالتفاعل مع الحطام، ويحتاج تحقيق هذه النزعة إلى مهندسين لتطوير قطاعات من الوزن الخفيف، وذراع عالية الدقة، وتقليل الارتباك في قطارات الترسبات إلى أدنى حد ممكن.

استرجاع المحاكمات والدروس المستفادة

وفي أوائل عام 2023، بدأت شركة TEPCO عملية استرجاع تجريبية لعينة صغيرة من حطام الوقود من الوحدة 2، باستخدام ذراع آلي من بُعد تم تطويره بالتعاون مع صناعات ميتسوبيشي الثقيلة، وقد أظهرت العملية أن الذراع يخترق سفينة الاحتواء الأولي من خلال ميناء صغير للوصول إلى الأرض، ثم يبحر في مهب من الهياكل الداخلية قبل الوصول إلى الحطام، وكان على المهندسين الميكانيكيين أن يصمموا سلسلة من أجل توسيع نطاقها

تخزين شركة تانك الهندسية: تحتوي على أكثر من مليون طن

ومن أبرز جوانب موقع فوكوشيما المجموعة الواسعة من صهاريج الصلب المبللة التي تخزن المياه المعالجة بجهاز البوليسترال، حيث إن كل خزان يتكون عادة من حوالي ٠٠٠ ١ متر مكعب ويتكون من لوحات فولاذية من الكربون التي ينضم إليها الإلحام الآلي المستمر، والمهندسون الميكانيكيون مسؤولون عن تصميم هذه الصهاريج وتلفيقها وتفتيشها لضمان قدرتها على مقاومة التهز، والارت، والارت، والارت، والجهاز المزود بالأجهزة.

السيزمية والانسجام

الزلازل اليابانية المتكررة تعني أن جميع الدبابات يجب أن تكون مصممة لكل من الحمولات الثابتة والدينامية، يستخدم المهندسون تحليل العناصر الزهيدة لنموذج تحطيم السائل داخل الصهريج أثناء حدث سيزمي، واضافة مزيجات للحلقات أو البكات كما هو مطلوب، أنظمة العزلة الأساسية غير ضرورية لمعظم الصهاريج بسبب طولها القصير نسبياً،

تحدي التريتيوم وإزالة المياه

وفي حين أن نظام رصد المياه يزيل معظم النويدات المشعة، فإن ثلاثية النيتيوم لا تزال في المياه المعالجة لأنها غير قابلة للانفصال من الناحية الكيميائية عن جزيئات المياه، وبعد سنوات من المناقشة، وافقت الحكومة اليابانية على خطة لإطلاق المياه المعالجة في المحيط الهادئ على مدى عدة عقود، بدءا من آب/أغسطس 2023، وتحتاج هذه العملية إلى مهندسين آليين لوضع نظام للتحلل والتصريف يخلط بين نسبة المياه المعالجة وبين تركيزات المملة.

معالجة النفايات الصلبة ومعالجة الحطام

فإلى جانب المياه وحطام الوقود، يجب أن يدير الموقع كميات هائلة من المواد الصلبة الملوثة بالنفايات، والخردة المعدنية، والغابات المزروعة، والمعدات المستخدمة، وتسهم الهندسة الميكانيكية في تصميم أجهزة التقطيع والسحق وفرز النفايات التي تقلل حجم النفايات وتضعها في مستودعات مؤقتة آمنة، وعلى سبيل المثال، فإن أجهزة الاستنشاق ذات السعة العالية المجهزة بمواقد متخصصة وأجهزة فرز الأشعة تفكك الأجزاء العليا من مفاعلات المدمر.

تقنيات خفض الحجم

ويُعدّ خفض الحجم أولوية بالنسبة للنفايات القابلة للاحتراق مثل الخشب والملابس، ويقلّص الحرق من حجمه بنسبة تصل إلى 95 في المائة، وتُصمم أجهزة الحرق في فوكوشيما باستخدام نظم تغذية ذات عجلتين، وبطاقات صدع ذات درجة عالية، وآليات إزالة الرماد المستمر التي تمنع تراكم المواد المشعة.

النزاهة الهيكلية واحتواء الفضاءات الخطرة

فكل مبنى يُشغل نشاطاً في مجال معالجة النفايات يجب أن يُصمم لمنع انتشار التلوث، وتعتمد نظم الضغط الزائد على وحدات مناولة الهواء ذات الاستخدام الثقيل مع أجهزة تكييف الهواء ذات الكفاءة العالية، ولكن التصميم الميكانيكي يمتد إلى الأبواب، والأقفال الهوائية، وقطع القنوات، ويجب أن تحافظ الجاسكيت على ختم حتى تحت الضغط المتباين الذي تسببه نظم التهوية، وآليات التسلسل الهرمي.

بُعد التعاون وقطع الأوجه المُزدحمة

وفي حين أن المعدات المادية للآليات والنظم النائية هي مجال هندسي ميكانيكي واضح، فإن واجهة الملامح البشرية لها أيضا جذور ميكانيكية عميقة، وقد تعطلت القيود التي يستخدمها المشغلون لمراقبة ذراع استرجاع الحطام، مثلا، عن طريق إدخال عصي الهزازات الميكانيكية وأجهزة الشاشة التي تُقام على محطات الارتفاع المصممة للتقليل إلى أدنى حد من درجة من درجة الارتفاع في مواقع التصفيات خلال دورات متعددة الساعات.

العوده للقوة والتحكم في المخدرات

فحص الخيوط هو أمر حيوي للغاية أثناء استرجاع حطام الوقود حيث يجب أن يُمارس ذراع التلاعب قوات مُراقبة على مواد مُربية أو غير معروفة، نظام التحكم الهشّي يُمكن من التسلل في كلّ مُشتركة، ويُظهر هذه القوى إلى المُشغلة من خلال عصيان الارتداد، ويُصمم مهندسون ميكانيكيون لأجهزة العصيان ذات الاحتكاء المنخفض والضوّة العالية

تصوّر علوم ومواد تحت الإشعاع

وتُشكِّل بيئة الفوكشيما تهديداً ثلاثياً: ارتفاع الإشعاع، والتعرض لمياه البحر، ولا سيما في أعقاب الفيضانات التي تسونامي، والنواتج الثانوية الكيميائية الناجمة عن تحلل الإشعاع، كما أن المواد التي تؤدي بشكل كاف في خدمة زرع الطاقة يمكن أن تفشل بسرعة في هذا المجال، ويجب على مهندسي الطيف الميكانيكيين اختيار المحارم وتعددات المواد التي يمكن أن تصمد في هذه الضغوط المشتركة.

آثار الإشعاع على البوليمرات واللوبريكات

كما أن المحركات التي تُستخدم في الختم والكابلات والعزل تواجه تحديات فريدة في التدهور، وسلاسل البوليمر الإشعاعية في غاما، مما يسبب التشريد وفقدان القوة الميكانيكية، وقد وصفت المحركات العتبات الإشعاعية لكل طبقة من المواد الكيميائية، على سبيل المثال، مطاطاً من نوع " إيثيلين " ، بأنها تعمل حتى 100 كيلو غيغاغرام.

نظم الزرع والتخزين: أفرع العمل الميكانيكية غير المنسوجة

فبجانب المشاهد، فإن نظم التهوية الواسعة النطاق تحافظ على الضغط السلبي في المناطق الملوثة وتمنع الجسيمات المشعة المحمولة جوا من الفرار، ويسمح مهندسو الميكانيكيون بتصميم المراوح، وشبكات الصنادل التي يمكنها أن تعالج ظروفاً قاسية، بما في ذلك الرطوبة العالية، والغازات التآكلية، والرذاذات الميكانيكية الدورية، وتتألف مصارف التحات المتعددة المراحل والمرشحات للأجهزة الهشائية.

Decontamination Ventilation for Worker Safety

وبالإضافة إلى التهوية العملية، توفر نظم منفصلة الهواء النقي لمناطق العمال، وتشمل نظم الإمداد هذه الترميم المسبق للتدفئة والتبريد والتدفئة، وتصفية البيوت، مع توجيه قنوات التموين عبر مناطق من الإشعاع المتناقص، ويقوم المهندسون الميكانيكيون بتصميم ميزان التدفق الجوي بحيث ينتقل الهواء دائما من المناطق الأكثر نظافة إلى المناطق الأكثر تلوثا، ويحافظون على أكاديميات الضغط الصارمة، وتشمل النظم المصممة المحركات الميكانيكية للخسارة

نفايات عبوات ومستودعات طويلة الأجل

ويجب أن يتم تجهيز كل ما يلزم من النفايات في الموقع أو التخلص النهائي منها، بعد معالجة هذه النفايات وحرقها، كما أن المهندسين الميكانيكيين يصممون مقابر التخزين الجاف التي تُجمع النفايات الصلبة لعقود، وتتألف هذه المقادير من الحديدي السككّي أو من أجهزة الصلب المزيفة ذات الصلصة ذات الصلصة المثبتة والتي تحتوي على سلاسل مضاعفة من المعادن أو الختمات النباتية.

تجميع موحد للخزن المؤقت في الموقع

وبالنسبة للكمية الهائلة من النفايات الصلبة المنخفضة المستوى، فإن المناولة والتخزين الموحدين للتعبئة يستعملان صناديق معدنية أو حاويات للتصنيف الدولي المملوءة بالنفايات، والمغلقة بالأغلفة المزروعة، والمصممة على تصميم نقاط الرفع، وتركيب الحاويات، وخصائص هوامش الصرف الصحي هذه، وهي مصممة للاستمرار في اختبار الخزن المكوني الذي يمتد خمسة أمتار، ولمقاومة.

التكيف السيزمي: تصميم بيئة اليابان التكتونية

إن المطالب السيزمية على مرافق نفايات فوكوشيما لا يمكن الإفراط في التقدير، وقد سجل زلزال توهوكو لعام 2011 حجماً قدره 9.0 وتسبب في تسارع الأرض الذي تجاوز الأساس الأصلي لتصميم المفاعل، واليوم يجب أن يمتثل كل مبنى جديد لمعالجة النفايات أو حقل الصهاريج للأنظمة الزلزالية المستكملة التي تتضمن الدروس المستفادة.

دراسة حالة: استعادة المرافق القائمة للنزعات السيزمية

وقد كانت المباني القديمة لتخزين النفايات، التي شُيدت قبل الزلزال الذي وقع في عام 2011، تتطلب إعادة ضبط الزلازل للوفاء بالمعايير الحالية، كما أن المهندسين قاموا بتحليل الأعمدة الهيكلية الحالية، والأحزمة، والمؤسسات، ثم أضافوا حائط الفولاذ، وأحواض الصهاريج، وأحواض الأنابيب الجديدة، وفيما يتعلق بمزارع الصهاريج، فإن إعادة تصميمها قد شمل تعزيز مؤسسات الصهاريج التي تحتوي على أكوارب الإضافية ونظم ربطة تمنع حدوث زيادة في عمليات النقل خلال فترة البناء.

أجهزة السلامة الثقافية والآلية الميكانيكية

ولا تسهم الهندسة الميكانيكية في تصميمات جديدة فحسب بل أيضاً في فلسفة أمان متفشية، فكل عملية رفع لمساحة الوقود المستهلك تستخدم خلايا تحميل ذات إنذارات بصرية ومعتدلة، وثدييات آلية تمنع الحمل من الانقطاع إذا فقدت ضغط الهيدروليكي، وأجهزة الاستشعار القريبة التي توقف الحركة إذا تم اكتشاف حواجز، وتختبر أجهزة قفازة الاحتواء لمعالجة عينات من الحطام.

مهندسو المصانع البشرية في نظم الأمان

وتوضع نظم الأمان في الاعتبار لدى العاملين في مجال العمل الإنساني، وتستخدم أفرقة المراقبة الترميز والتوسيم المستمرين، مع عزلة عن الأغطية الواقية أو تتطلب إجراء من خطين لمنع العمليات العرضية، ويعمل المهندسون الميكانيكيون مع أخصائيي العوامل البشرية لتحديد القوة وسفر أزرار التوقف في حالات الطوارئ، بحيث يمكن تزيينها حتى بواسطة عامل يرتدي قفازات سميكة، ويولى اهتمام مماثل لتصميم آليات التجاوز اليدوية لضمان تشغيل المعدات الآلية.

نقل المعارف والطريق إلى الأمام

"التحديات الهندسية الميكانيكية لـ "فوكوشيما ليست فريدة من نوعها لليابان، إنها تدرس من خلال مشاريع الإنزال النووي في جميع أنحاء العالم، من "سيلافيلد" في المملكة المتحدة إلى "هانفورد" في الولايات المتحدة الأمريكية، المعرفة الآلية التي تم الحصول عليها بشكل خاص في المُضَوّقين للإشعاع والمناولة عن بعد في بيئات عالية الجرعة

إن إلغاء تشغيل فوكوشيما دايتشي هو شهادة على قدرة الانضباط على حل المشاكل التي تم النظر فيها بعد الوصول إليها، ليس عمل أي فرع واحد من فروع الهندسة، ولكن الهندسة الميكانيكية ما زالت هي الانضباط الذي يحول المبادئ المادية إلى معدات قادرة على التكيف يمكن الوثوق بها في أكثر المواد خطورة في العالم.

دور الهندسة الميكانيكية الدائم

من أضخم مضخة إلى مضخة تُنقل مكونات المفاعلات، الهندسة الميكانيكية هي الشريك الصامت في كل خطوة من رحلة معالجة نفايات فوكوشيما، مقالات هذا الموقع تُفصّل الأسلحة الآلية، سلامة خزانات التخزين، وعلامات العزلة السيزمية، وعلوم المواد التي تُدعم العمليات الآمنة،