نظام رصد (فوكوشيما) الطويل الأجل: التصميم الهندسي والتنفيذ

Imperative for Persistent Monitoring at Fukushima Daiichi

وقد أدى الزلزال والتسونامي الذي ضرب محطة فوكوشيما دايشي للطاقة النووية إلى إنشاء منطقة غير مسبوقة للأخطار الإشعاعية والهيكلية، حيث أدى الانهيار المتعدد المفاعلات، والتفجيرات الهيدروجينية، إلى تحويل الموقع إلى بيئة معقدة تتطلب عقوداً من الإدارة المتأنية، وقد سلمت الحكومة اليابانية وشركة طوكيو للطاقة الكهربائية في وقت مبكر بأن تنفيذ نهج رصد مؤقت ومستمر لمدة 40 عاماً، وشرعت في تصميم إطار زمني متصل إلى هذا الرصد.

ويجب أن يخدم نظام الرصد هذا مهاما بالغة الأهمية: الإنذار الفوري بالإطلاقات المفاجئة للنشاط الإشعاعي، وتحليل الاتجاهات الطويلة الأجل لتقييم الانتعاش البيئي، وبيانات الطب الشرعي لصقل نماذج التقدم المحرز في الحوادث، وسجل عام شفاف للحفاظ على الثقة، وتتجاوز المتطلبات بكثير الامتثال التنظيمي، وتتوقف سلامة العمال داخل المناطق ذات الجرعات العالية، والتخزين الآمن للمياه الملوثة، وتتوقف إزالة الحطام في نهاية المطاف على بيانات موثوقة وغير متداخلة.

مبادئ التصميم الهندسي وهيكل النظام

وقد جاء هيكل شبكة رصد فوكوشيما على إثر فلسفة معمقة مقترضة من أجهزة الأمان النووي ولكنها مكيفة مع بيئة ما بعد الحوادث، وتشمل مبادئ التصميم الأساسية التكرار والفصل المادي والوظيفي والاتصالات غير الآمنة والتدهور الحاد، ولا يمكن لأي نقطة من نقاط الفشل أن تعطل سلسلة الرصد الحرجة، ولا تزال هناك ثغرة في إمدادات الطاقة ومسارات البيانات ومجموعات الاستشعار.

إعادة التوحيد والارتقاء بالتصميم

وكل نقطة قياس حرجة - من مرصدات الاشعاعات الرئيسية الساكنة إلى مجمّع الوقود المستهلك - تضم مستشعرين مستقلين على الأقل يغذيان سجلات بيانات منفصلة، وتأتي الطاقة من مولدات الديزل المتعددة، ومصارف البطاريات الكبيرة، ووصلات الشبكة الخارجية بالمفاتيح التلقائية، وتخزن وحدات الاستشعار الحلقية في مساحات محمية عبر الموقع، مما يتيح استبدالا سريعا دون الحاجة إلى موظفين أساسيين لإدخال أدوات عالية.

شبكة نقل البيانات وضمانها في الوقت الحقيقي

بيانات من الأدوات الميدانية من خلال كابلات الألياف الضوئية المكدسة وشبكات الميكنة اللاسلكية المكرّسة للمجمّعين المحليين، ثم إلى مركز الاستجابة للطوارئ في الموقع وفي مقر قيادة شركة TEPCO في الموقع، ووصلت وصلة ساتلية حتى إذا قطعت الشبكات الأرضية، وجميع مسارات البيانات مصممة ومشفوعة زمنياً، ويدعم النظام بوابات متعددة مستعملين متزامنين للشبكة الدولية للسواتل.

تكنولوجيات الاستشعار: الاختيار، والمعايرة، والنشر الاستراتيجي

ويتطلب اختيار أجهزة الاستشعار لموقع فوكوشيما تحقيق التوازن بين الحساسية، ونطاق القياس، وصعوبة الإشعاع، والاستقرار الطويل الأجل، ونشر المهندسون مجموعة متنوعة من أجهزة الكشف، وكل منها أمثل ما يمكن من استخدامه في استخدام نويدات محددة، ووسائل الإعلام، ومعدلات الجرعات المتوقعة.

الإشعاع وأجهزة الاستشعار الإشعاعي

وبالنسبة للرصد المباشر للمعنويات، تغطي غرف الايون وأنبوبات غيغر - مولر مناطق عالية الجرعات، بينما يتعامل مجهزو النسيج مع معدلات الجرعات المتوسطة والدنيا مع أجهزة مختارة لتحمل الجرعات التراكمية التي تتجاوز 100 كيلو غرام (10 ميغاواط) ويجمع مراقبو الجسيمات المحمولة بين جمع الفيلتر والزيادات المضرورة على أساس الفلوت.

المياه الجوفية والرصد البحري

ولا تزال إدارة المياه الملوثة واحدة من أكثر التحديات استمرارا، إذ أن آبار رصد المياه الجوفية المتعددة المستويات، المجهزة بمضخات مغمورة، ومستشعرات المستوى، ومستشعرات التفريغ المستمر للمحيطات، تقيس كلا من بيانات التدفق والتلوث في أكثر من 400 موقع حول المحيط، وفي مستويي المرفأ والخارج، والعبوات الثابتة والمركبات السطحية المستقلة عينة من المياه البحرية والنماذج المغذية البحرية للسيتروجينات المحتوية على ثلاثيتنامية(190).

رصد الغلاف الجوي والهيروسول

وقد قامت ستة عشر محطة ثابتة حول حدود النبات برصد الإطلاقات المنقولة جوا باستخدام عينات جوية عالية الحجم ومراقبات هوائية من نوع بيتا - جاما في الوقت الحقيقي، كما قامت هذه المحطات بقياس البارامترات الجوية - سرعة الرياح، واتجاهها، وتهطلها، ونموذج التشت الذي يُظهر درجة الحرارة، والذي يتوقع أن تكون أنماط التلوث في الموقع منخفضة، وتوضع أجهزة رصد الأيروسولات المحمولة بالقرب من أنشطة عالية الخطورة مثل عمليات استعادة الحطام.

أجهزة الاستشعار الصحية الهيكلية

وتراقب السلامة الهيكلية لمباني المفاعلات المضرورة، وخزانات التخزين، وجدران البحر شبكة من المليارات، وأجهزة التشقق، وقياسات الإجهاد، ومطياف التسارع، وهذه أجهزة الاستشعار مقفلة من الناحية الارتباطية لمقاومة الغلاف الجوي الملوّح، وكثيرا ما تتضمن قدرات تشخيصية ذاتية، وترتبط بيانات التشريد ببيانات تكميلية لمسح الظواهر الجوية باختلاف الظواهر الحرارية، والنشاط السيزمني.

نقل البيانات وتخزينها وأطر تحليلية

ويستخدم هذا النظام هيكلا تاريخيا موزعا مع خواديم محلية في الموقع ومركز بيانات لاسترداد الكوارث يقع على بعد أكثر من 100 كيلومتر، ويضغط على البيانات من أجل الاحتفاظ بها في الأجل الطويل، ولكنه يظل قابلا للاستفسار عند التوصل إلى حل كامل للتحقيقات في الحوادث، ويوضع في أماكن ثابتة مزودة بأجهزة حماية مجهزة بالأجهزة المرنة.

تجهيز الوثائق وتحليلها المركزي

ولتقليل عبء الاتصالات وتمكين الإجراءات المحلية السريعة، يؤدي العديد من أجهزة الاستشعار حاسوبا حاسوبيا، فعلى سبيل المثال، يمكن لشاشة الإشعاع أن تطلق أجهزة إنذار سمعية بصرية مستقلة وأن تنشط أجهزة التهوية القريبة إذا تم تجاوز عتبة ما قبل بدء التشغيل، دون انتظار تأكيد الخادم، وعلى المستوى المركزي، تطبق المحركات التحليلية المتقدمة مراقبة العمليات الإحصائية، وأجهزة كشف الشذوذ، ونحو 30 نموذجا لتعلم الأجهزة.

سياسة الشفافية والبيانات العامة

وقد كانت الشفافية حجر الزاوية في عملية الانتعاش، حيث تم نشر مجموعات البيانات الضخمة علناً من خلال مواقع الحكومة والمنظمة على الشبكة العالمية، مما يتيح التحقق العلمي المستقل، وقد استخدم الباحثون هذه البيانات المفتوحة لتنقيح نماذج التشت في الغلاف الجوي، ودراسة هجرة السيزيوم في الغابات، وتقييم فعالية جهود إزالة التلوث، وقد أصبح هذا النهج المفتوح نموذجاً لمشاريع أخرى لوقف التشغيل النووي في جميع أنحاء العالم، كما توفر بوابة البيانات الاتجاهات التاريخية والملخصات والملفات الإحصائية.

التغلب على التحديات البيئية والإشعاعية

إن استخدام الأجهزة الإلكترونية ونظم التشغيل الآلي في فوكوشيما دايتشي هو معركة دائمة ضد ثلاثة المعتدين: الإشعاع المؤين، والتآكل العدواني، والطقس المتطرف، ويجب تحديد كل عنصر واختباره ومؤهل له بالنسبة لهذه المجهدات المشتركة، وقد وثق الفريق الهندسي العديد من هذه التحديات والحلول في الندوات الصناعية والمجلات التي تخضع لاستعراض الأقران.

Radiation-Hardened Electronics

وتعاني الأجهزة الإلكترونية التجارية الموحدة من آثار الجرعة المؤينة الإجمالية ومن الاضطرابات التي تحدث في أحد المناسبات، ويستخدم المهندسون تقنيات تصميم الرادهار، بما في ذلك الموصلات شبه المتحركة الواسعة النطاق، والتكرار بمنطق التصويت، والتحميل باستخدام البوليمرات المحتوية على التنغستن أو أعراض الرصاص.

عمليات الكشف عن المواد واختيار المواد

ويجب أن تقاوم مواضع الاستشعار وسترات الكابلات رذاذ الملح وتدهور الأشعة فوق البنفسجية والتعرض الكيميائي من الحطام المتحلل، ويستبدل الفولاذ اللاصق (316L) بمعاطف الفلوروكربون المسببة للسكر معظم الأدوات الموجودة في الهواء الطلق، ويستخدم أجهزة الاستشعار الفرعية مساكن التيتانيوم وكابلات البوليوريثان، وجميع الصواعق المعرضة هي سبائكة النيكلية لمنع التآكل المغنطي.

عملية الوصول والتطهير

وتوجد مجموعات عديدة من أجهزة الاستشعار في مناطق تتجاوز فيها معدلات الجرعة 10 مليسيفر/ساعة، وتستبعد وصول البشر الروتيني، وتقوم الزحفات الآلية والطائرات بدون طيار بعمليات تفتيش بصري وفحص للمعايرة، وقد قامت أجهزة الاستشعار بتنظيف الجبال الآلية التي تتحول إلى جيوب محمية للاستبدال، أما بالنسبة للوحدات التي يجب أن تُمسح، فلا تزال الأسلحة الآلية المجهزة لأغراض مصحوبة بأجهزة التحكم في الآلات.

ضمان طول العمر: الصيانة، والمعايرة، والارتقاء التكنولوجي

ويجب أن يكون لنظام مصمم لفترة 30 إلى 40 سنة من التشغيل استراتيجية عملية لدورة الحياة، ويخطط للتعهد المبرمج حول نوافذ العمل في المواقع عند تقليل المخاطر إلى أدنى حد، كما أن أجهزة الاستشعار اللاسلكية ذات المسافات اللاسلكية ذات الصلصة مع مجموعات البطاريات القابلة للاستعمال الساخن تسمح للفنيين بالاستعاضة بسرعة عن مصادر الطاقة في المناطق المتوسطة الحجم، وتجرى عمليات فحص التشخيص عن بعد ليلا، وتقارن بين نواتج الصيانة المتوقعة والقيم.

معايرة وقابلية التعقب

ومن الضروري، ولكن من المعقد، الحفاظ على القدرة على تتبع الميراث للمعايير الوطنية، إذ يتم سنويا نقل مصادر المعايرة القابلة للتداول (Cs-1137, Am-241) إلى الموقع، كما أن حملات التقارن مع الوكالة اليابانية للطاقة الذرية تكفل بقاء جميع المراقبين في حدود دقتها، أما بالنسبة لمراقبي المياه الجوفية والبحرية، فتتم تحليل العينات الدورية في المختبرات المعتمدة، وتستكمل نتائج عمليات قياس مواقع الإشعاع على أساس كامل.

تحديث التكنولوجيا تدريجيا

:: المهندسون المخططون للتقادم منذ البداية - تعد معدات اقتناء البيانات نموذجية وتستند إلى معايير صناعية مفتوحة مثل نظام مودبوسات ونظام مراقبة السلع الأساسية، مما يتيح استبدال المكونات دون إصلاح كامل للنظام، حيث أن القدرات الصناعية على الحاسوب لا تزال جاهزة، وأدرجت وحدات تجهيز جديدة لتحسين الكشف عن المواد الشاذة، وتشمل التحسينات الأخيرة نشر شبكات خلايا متعددة من خلال خطوط الفيديو الرئيسية ذات السعة الصنعية في الموقع.

التكامل مع المعايير الدولية والسلامة النووية العالمية

ولم يتم تطوير نظام رصد فوكوشيما بمعزل عن النظام، حيث أدرجت الوكالة اليابانية الوطنية لحقوق الإنسان متطلبات السلامة بعد فوكوشيما التي تتوافق بشكل وثيق مع معايير الأمان للوكالة الدولية للطاقة الذرية ، ولا سيما متطلبات السلامة العامة المتعلقة بحماية الإشعاع وسلامة مصادر الإشعاع، كما أن مبادئ التصميم والخبرة التشغيلية والبيانات المشتركة علناً تؤثر على ممارسات الرصد في مرافق نووية أخرى في جميع أنحاء العالم(25).

نقل المعارف والتخصيص

وقد درس مهندسون من سيلافيلد )المملكة المتحدة( وتشرنوبيل )أوكرانيا( وريفرفانا )الولايات المتحدة( هيكل نظام فوكوشيما، ولا سيما نهجه إزاء رصد المياه الجوفية المطبق وتصاعد الإنذار الآلي، وقد قامت الأفرقة العاملة المتعددة الجنسيات التابعة لشبكة الإدارة البيئية والوساطة التابعة للوكالة الدولية للطاقة الذرية بحصر أفضل الممارسات التي تطبق الآن على المواقع النووية القديمة وبرامج جديدة لتصميم النوافذ.

المشغلون المشتركون في المصانع الإنسانية

كما أن المعلومات منظمة من حيث التسلسل الهرمي: تبين شاشات العرض العام حالة الموقع عموما؛ وتكشف درجة ثانية عن الظروف الإشعاعية القطاعية؛ وتباعد درجة ثالثة في أجهزة الاستشعار وأجهزة الإنذار بالنفقة؛ وقد ساعدت أجهزة الترميز باللوائح المحتوية على مواد كيميائية، وأجهزة الترميز باللوائح، وأجهزة الترميز، وأجهزة تحديد الاتجاهات، ومؤشرات انتهاك العتبة الواضحة، على تقييم سريع لحالات التطور حتى أثناء الأحداث ذات النطاقات العالية.

الاتجاهات المستقبلية: التلقائية، والتوائم الرقمية، والتحليل الافتراضي

وسيشهد العقد المقبل تطور شبكة الرصد من المراقبة التفاعلية إلى الإدارة الاستباقية والتنبؤية، وتركز جهود البحث والتطوير على شبكات الاستشعار المستقلة، ودمج البيانات المتقدمة، ووضع نماذج رقمية مزدوجة يمكن أن تحاكي سلوك الموقع بأكمله في الوقت الحقيقي، وتمول هذه المبادرات من برامج الحكومة اليابانية ومن الشراكات الدولية في مجال البحوث.

نظم الحكم الذاتي والعزل

وبدلا من وجود مراقبين ثابتين، ستتعاون أساطيل من الروبوتات المتحركة والطائرات بدون طيار في رسم خرائط للإشعاع، وعينة سطحية محددة، وفحص الأماكن التي يتعذر الوصول إليها، وستتيح الخوارزميات الاستخباراتية السويدية لها تعديل التغطية على أساس الهالات المكتشفة، والجهد المكثف ديناميا حيث يكون الشك هو الأعلى.

التوحيد الرقمي

ويجري حاليا تطوير توأم رقمي شامل لموقع فوكوشيما دايتشي، يجمع بين نموذج للمفاعلات الفيزيائية، ونماذج التنفيذ الهيكلي المحدودة، ونماذج دينامية السوائل لتيار المياه الجوفية والمحيطات، وبيانات الاستشعار في الوقت الحقيقي، وسيتيح هذا التوأم للمشغلين إدارة سيناريوهات " ما إذا كان " ، والتنبؤ بهجرة من تسرب افتراضي قبل حدوثه، ووضع استراتيجيات محدثة باستمرار

الصيانة الافتراضية والحد من التدخل البشري

ويمكن الآن أن تنبأ نماذج التعلم من الآلات التي تم تدريبها على سنوات من البيانات التاريخية بأن الحياة المفيدة للعديد من أنواع الاستشعار في بيئات عالية الإشعاع، مما يسمح بتحديد مواعيد الصيانة في الوقت المناسب، وتقليل كمية الجرعة البشرية إلى أدنى حد، والمجمعة مع الروبوتات، يتمثل الهدف في نظام للرصد الذي يفرز ويصلح ويعيد ترتيبه مع الحد الأدنى من الوجود البشري - وهو ما يمثل ضرورة عالية - لا تزال مهام الصيانة التقليدية قائمة منذ عقود.

خاتمة

إن شبكة الرصد الطويلة الأجل في فوكوشيما دايتشي تمثل إنجازا هنديا غير عادي يدمج العلوم الإشعاعية والرصد الهيكلي والاتصالات والبيانات والروبوتات في نظام متماسك ودائم، وهي بمثابة نظام عصبي واحد من أكثر المواقع الصناعية خطورة وأحسن إدارة على الأرض، كما أن مبادئ التصميم المتعلقة بالتجديد، وصعوبة الإشعاع، وتقاسم البيانات على نحو يتسم بالشفافية، والتحديث التدريجي، ما زالت تقدم في مجال السلامة على الصعيد العالمي.