دور الهندسة في ضمان اختبار نزاهة الغازات

مقدمة: التقاطع الحرج بين الهندسة والسلامة النووية

وتتوقف سلامة المفاعلات النووية على استراتيجية متعددة المستويات للدفاع المتعمق، حيث يُستخدم كل نظام من الحلقات المبردة الأولية إلى أجهزة مصممة ومختبرة ومستمرة لمنع الفشل، ويُعتبر عنصر واحد في كثير من الأحيان غير مهم هو نظام مناولة الغازات الزينونية، ويُستخدم Xenon، وهو غاز نبيل، في تصميمات مفاعلات معينة لرسم خرائط التدفقات، وتحديد المواقع ذات القاعدة، وحتى في نظم التسربة ذات القيمة.

Xenon in Nuclear Reactors: Why Leak Integrity Matters

دور زنون في عمليات المفاعل

(زون-135) معروف جيداً بأنه سم ملوث بالنيوترونات يؤثر على تفاعل المفاعل، ولكن في سياق نظم الغاز المكرّسة للزنون، يستخدم الغاز لأغراض مختلفة تماماً، وفي مفاعلات المياه المضغطة، يمكن حقن الغاز الزنيفي في وعاء المفاعل أو استخدامه في أجهزة الكشف الأساسية لرصد توزيع الفلور النيوترونات، وفي مفاعلات البحوث وبعض المحركات المصممة للغاز Xenon.

Properties of Xenon that Challenge Leak Detection

إن Xenon هو غاز ثقيل وغير ملوّن، أو غاز غير مسموع، وجهازه الذري أكبر من الهيليوم، ولكنه لا يزال صغيراً بما يكفي لإحداث تسربات مجهرية في الفقمات أو الغازات أو العيوب الحاملة، وخلافاً لمواد التسرب المغناطيسي أو الهيليوم، فإن التركيب لا يمكن أن يكون وافاً في الغلاف الجوي، مما يجعل من السهل كشف مستويات الاكتشاف أن تكون معدات الكشف حساسة.

آثار الساكن: السلامة والأثر التشغيلي

إن تسرب الأكسجين في منشأة نووية ليس مجرد مسألة غاز مفقود، فإذا حدث التسرب في مكان محصور، فإن الغاز يمكن أن يزيل الأكسجين ويخلق خطراً على النزاهة، بل إن ذلك قد يؤدي إلى تسرب الأجهزة، فإن مشغلي المفاعلات قد يتلقون بيانات كاذبة أو لا توجد بيانات عن مستويات التدفق أو مواقع الدوارة أو ظروف الاحتواء، مما قد يؤدي إلى عدم اتخاذ قرارات تشغيلية سليمة، بما في ذلك عدم إدخال التفوق في عمليات الترميم.

هندسة تقنية لكشف الغازات

والكشف عن البقايا ليس عملية واحدة تناسب الجميع، فالمهندسون يختارون من مجموعة أدوات من الأساليب استنادا إلى متطلبات الحساسية، ومقياس النظم، والقيود التشغيلية، والأساليب التالية هي الأكثر تطبيقا في نظم الغاز التي تستخدم في الزينون.

اختبارات يومية الضغط

اختبار التحلل الضغطي هو طريقة بسيطة وفعالة من حيث التكلفة لكشف التسربات الإجمالية، ويضغط النظام على الزينون (أو الغاز الآخر)، معزولة، ويخضع الضغط لمراقبة على مدى فترة زمنية محددة، ويدل انخفاض الضغط على التسرب، ويجب أن يحسب المهندسون تقلبات الحرارة وقابلية ضغط الغاز، وفي حين أن هذه الطريقة يمكن أن يكشف التسربات إلى نحو 10-3 ملبري/لتر، فإنه لا يُستخدم ضغطاً كافياً للتسرب عالياً().

Helium Tracer Gas Leak Detection

- الكشف عن تسرب الهيليوم هو معيار الذهب للاختبارات العالية الحساسية، ونظراً لأن ذرات الهيليوم صغيرة جداً، فإنها يمكن أن تمر من خلال التسربات التي لا يمكن أن تُمكنها الجزيئات الأكبر، فالنظام يُجلى أو يُملأ بمزيج من الهيليوم - xxenon، ويُستخدم مطياف الكتلة لتن الغازات السائلة.

الكشف المباشر عن المسببات

ويمكن أيضا تحديد مطياف الكتلة للكشف عن الزينون مباشرة، وهذا أقل شيوعا لأن Xenon هو أثقل ولديه نظائر متعددة، ولكن يمكن أن يكون مفيدا في الاختبارات اللاحقة للخدمة حيث يجب استبعاد التلوث المتبقي، كما يستخدم الكشف المباشر عن الزين في نظم الرصد المستمر التي يتم تركيبها على خطوط حرجة، كما أن المعدات أكثر تكلفة وتتطلب معايرة دقيقة، ولكنها توفر ضمانا في الوقت الحقيقي بأن البيئة لا تتسع.

كشف كشف الصوتيات والألتراسونية

وعندما يفلت الغاز من الضغط عن طريق صقل صغير، فإنه يخلق صوتا عالي التردد، ويمكن للمجسات الصوتية أن تكشف هذه الانبعاثات غير الصوتية، وغالبا ما تكون في نطاق يتراوح بين 20 و100 كيلوهرتز، وهذه الطريقة غير متوافرة ويمكن استخدامها في الوقت الذي يعمل فيه النظام، ويستخدم المهندسون التوقيعات الصوتية لتحديد مواقع التسرب، ولا سيما في شبكات الاعتراض على الاشارات المعقدة.

Optical Leak Detection and Tracer Gases

وبالنسبة للكشف البصري أو عن بعد، يمكن للمهندسين أن يستحدثوا غازاً للتعقب الفلورسنت أو الأشعة تحت الحمراء مختلطاً بالزنون، وإذا ما هرب المتتبع، يمكن اكتشافه باستخدام الضوء فوق البنفسجي أو آلة تصوير حرارية، وهذا النهج مفيد بصفة خاصة في العثور على تسربات في سفن الاحتواء الكبيرة أو أثناء تشغيل نظم جديدة، ويجب أن يكون جهاز التعقب متوافقاً كيميائياً مع الأزينون ولا يتدخل في أجهزة المفاعل.

تصميم لمنع وكشف الضرر

ولا تتوقف الهندسة عند الاختبار، بل تبدأ بالتصميم، ويقلل نظام " إكسون " المصمم تصميما جيدا من عدد نقاط التسرب المحتملة وييسر التفتيش والاختبارات السهلة.

اختيار المواد وتصميمها

ولا يرد الزينون على معظم المواد، ولكن الانتشار من خلال الفقمات الفاشلة يمكن أن يكون مشكلة، كما أن المهندسين يحددون الفقمات المعدنية إلى الأم أو الصمامات التي تُستخدم في الحدود العالية النزاهة، كما أن التصاميم التي يتم اختبارها والتي تحتوي على البيرفلوروئيين والتي تحتوي على مواد متداخلة، توفر قدرة أقل على الارتباط بين الفرن والز.

موقع الوصول والاختبار

ولا يمكن إجراء اختبارات للخمر إلا إذا أمكن الوصول إلى كل صمامات وصمامات الصمامات، كما أن المهندسين يدمجون موانئ الاختبار، وخطوط التهوية، وصمامات العزل في المواقع الاستراتيجية، ويجب أن يتيح المخطط إجراء اختبارات للتفريغ المحلي والاختبار العالمي للفراغ، مثلاً، يمكن لنظام متعدد العينات أن يتيح إجراء اختبارات متزامنة لفروع متعددة، وفي منشآت جديدة، ينبغي أن يتضمن التصميم أيضاً أحكاماً لرصد الإشعاع عن بعد مثل أجهزة نقل البيانات ذات الاستبانة ذات الاستبانة عالية الاستبانة.

الرصد في مجال التوثيق والتوقيت الحقيقي

وتدمج الهندسة الحديثة رصد التسرب المستمر في مراقبة النظم، إذ يمكن لأجهزة الاستشعار التي تعمل بالضغط بنسبة 0.01 في المائة أن تكتشف تقلبات الضغط البطيئة على مدى ساعات أو أيام، وتقيس مستويات التدفق الجماعي معدل تركيب الغاز، وأي انحراف يحفز على الانذار، وتستعمل بعض المرافق أجهزة الكشف عن المواهب الحرارية التي تُستخدم في الهواء، وذلك لأن أجهزة الفرز الحرارية تُختلف اختلافا كبيرا عن الهواء.

إعادة التفرغ وشركة الفايل - سايف الهندسية

وفي تطبيقات السلامة الحرجة، لا يمكن قبول نقاط الفشل الوحيدة، إذ يصمم المهندسون نظماً ×enon ذات صمامات العزل الزائدة، وثغرات الكشف الموازية عن التسرب، وكهرباء احتياطية للمجسات، وإذا بدأت الختم الأولي في التسرب، فإن وجود خلل ثانوي يُحدث آثاراً على صندوق الاحتواء، ويستلزم مبدأ " عدم الأمان " أن يؤدي إلى حدوث أي فقدان في العادة إلى حدوث تسربات أو إشارات مأمونة.

المعايير التنظيمية والصناعية

ولا يترك اختبار النزاهة الخفيف للحكم الفردي؛ بل يخضع لقواعد ومعايير يجب على المهندسين اتباعها.

معايير المنظمة الدولية للتوحيد القياسي والمعايير المحاسبية الدولية للقطاع العام

ويغطي المعيار الدولي للتوحيد القياسي 20485:2017 أساليب اختبار التسرب بالنسبة للغازات، بما في ذلك استخدام غازات التعقب مثل الهيليوم، أما المعيار E498/E498M-21 فهو الممارسة المعتادة لتقييم معدلات التسرب باستخدام طريقة المطياف الكتلية الهيليومية، ويشير المهندسون إلى هذه المعايير لتحديد إجراءات الاختبار ومعايير القبول والإبلاغ، وعلى سبيل المثال، يمكن تحديد الحد الأقصى المسموح به من التسرب بالنسبة لسفينة تخزين الأكسيد Xlibd-6

المتطلبات التنظيمية النووية

وتشترط لجنة التنظيم النووي في الولايات المتحدة أن تخضع جميع النظم التي تحتوي على غازات مشعة أو خطرة لفحص دوري للنزاهة، ويقدم الدليل التنظيمي للوكالة الوطنية للإنشاء والتعمير رقم 1.97 توجيهات بشأن أجهزة التحكم والضوابط لنظم الأمان، بما في ذلك كشف التسرب، وبالنسبة لمصانع الطاقة النووية، فإن تواتر اختبار التسرب غالبا ما يكون مرة واحدة لكل دورة من دورات إعادة الوقود (18-24 شهرا)، ولكن بالنسبة للنظم التي لا يمكن أن تتسامح مع أي تسريب (مثل نظام مسح التدفقات الحرق القسري).

أفضل الممارسات في مجال الصناعة

وتنشر مجموعات صناعية مثل معهد بحوث الطاقة الكهربائية ومعهد عمليات الطاقة النووية أدلة عن الصيانة والاختبارات، وفيما يتعلق بنظم " إكسنون " ، تشمل أفضل الممارسات إجراء اختبار لتسرب الهيليوم بعد كل حدث صيانة رئيسي، باستخدام نفس التقنيين المؤهلين، وتتبع اتجاهات معدل التسرب بمرور الوقت، وقد يشير ارتفاع معدل التسرب الأساسي إلى تدهور الفقمات قبل حدوث الفشل الكارثي.

Advances in Leak Detection Technology

والهندسة مجال للتحسين المستمر، وتدفع الابتكارات الأخيرة حدود ما يمكن في الكشف عن تسرب الغازات في إينون.

نظام الرصد الآلي للمنابر

وتسمح شبكات الاستشعار اللاسلكية للمهندسين الآن بنشر عشرات من الضغط والتدفقات والأجهزة الاستشعار الكيميائية الصغيرة عبر مرفق ما، وتبلغ هذه أجهزة الاستشعار بيانات إلى محطة رصد مركزية تقوم فيها الخوارزميات بتحليل الاتجاهات، وإذا تطور التسرب، يمكن للنظام تلقائيا عزل القسم المتأثر عن طريق إغلاق الصمامات، مع تنبيه غرفة المراقبة، وتدمج بعض النظم نماذج للتعلم الآلي يتم تدريبها على أحداث التسرب التاريخية، وذلك قبل أن يُتوقع حدوث حالات الفشل.

Quantum Cascade Laser Spectroscopy

وتستخدم تقنية التقطيع الليزر الكمي (QCLs) التي تُستخدم لاستيعاب خطوط التكتل التي تستخدمها الزينون (أي 9.5 ميكروغرام من الموجات) ويمكن لهذه الليزر أن تكتشف الزينون في تركيزات الحيز لكل بليون في الهواء، ولا يزال جهاز الاستشعار صغيراً ومتيناً ويمكن أن يعمل باستمرار.

الاختبار الرقمي للتوائم والاختبارات المستندة إلى المحاكاة

وقبل بناء نظام مادي، يستحدث المهندسون نموذجاً رقمياً حاسوبياً عالي التكوين يقوم على محاكاة ديناميات السوائل والسلوك الحراري وتكاثر التسرب، ويديرون سيناريوهات تسريب افتراضية لتعظيم إجراءات الاستشعار والاختبار، مما يقلل من عدد الاختبارات المادية الباهظة التكلفة المطلوبة ويساعد على التحقق من قدرة التصميم على التسرب، وبعد البناء، يجري تحديث التوائم الرقمية بحيث توفر بيانات حساسة حقيقية.

أجهزة الحفر والطائرات العمودية للتفتيش

وفي مباني الاحتواء الكبيرة أو أثناء انقطاع المصانع، يستخدم المهندسون مركبات تعمل عن بعد مجهزة بمشروبات للتفتيش على الرصيف والمكونات، ويمكن لهذه الروبوتات أن تبحر في أماكن ضيقة ومناطق إشعاعية، وتجري اختبارات للثدييات الصوتية والهيليوم دون تعريض العمال، وتُبث البيانات إلى مهندسين يمكنهم أن يُحدّدوا في مساحات التكلور المحتملة.

دراسات الحالة: الحلول الهندسية للحوادث الحقيقية - العالمية

القضية 1: التعقب في جهاز "إكسنون" للسرقة

وفي مفاعل بحثي، كشف اختبار تآكل الضغط الروتيني عن انخفاض غير مسموع، إذ يشتبه في تسرب في أسطوانة التخزين الرئيسية، ولكن التفتيش البصري لم يكشف عن أي ضرر، فاستعمال اختبار تسرب الهيليوم، حددوا مسارا صغيرا في رقبة الأسطوانة التي تم اختبارها، وكان الشق دون عتبة الكشف عن تركيبات الضغط، وشملت الاستجابة الهندسية إجراء المزيد من اختبارات الهيليوم.

القضية 2: تدهور الوضع في حقن إكسنون

وفي مصنع للمسح الضوئي، لاحظ المشغلون أن نظام حقن الزينون يتطلب الغاز المكياج أكثر تواترا مما كان متوقعا، وأجرى مهندسو النبات مسحا للتسرب الصوتي، وحددوا صماما بتوقيع الموجات فوق الصوتية يشير إلى تسرب صغير، وقد تدهورت الفقمة الجذعية بسبب التعرض للإشعاع، بدلا من استبدال الصمامات (التي تتطلب انقطاعا مطولا للأشعة)

القضية 3: إدماج الرصد المستمر في بناء جديد

وخلال تصميم مفاعل متقدم، حدد المهندسون نظاما للرصد المستمر تماما لنظام الغازات الخفية " إكسبون " ، ووضعوا أجهزة الكشف الضوئي في كل عملية تغلغل في الأنابيب، وزادوا من محركات الضغط بنسبة 0.01 في المائة، ودمجوا مطيافا جماعيا يُعين الغلاف الجوي الاحتواءياطي كل خمس دقائق، ويشمل النظام توأم رقمي يقارن البيانات في الوقت الحقيقي بالقيم المتوقعة.

الخلاصة: الهندسة كحارس لنزاهة الغاز

إن دور الهندسة في ضمان اختبار نزاهة تسرب الغازات بين الأكوان متعدد الأوجه ولا غنى عنه، فمن اختيار المواد والتصميمات المناسبة التي تقلل من مسارات التسرب، ونشر أساليب الكشف الحساسة مثل المطياف الكتلية للهيليوم والرصد في الوقت الحقيقي، فإن المهندسين هم العمود الفقري للسلامة النووية، ويتطور هذا المجال بسرعة مع التشغيل الآلي، وتكنولوجيا الاستشعار الكمي، والتوائم الرقمية، التي تبشر بمعايير أعلى للأداء.

For further reading, refer to the NRC requirements for leak testing], ASTM E498 helium leak testing standard, and the ]ISO 20485 leak testing methods.