أجهزة كشف الجسيمات الأمريكية تعمل تحت الأرض لحماية سلامة مصادر المياه في محطات الطاقة الاندماجية النووية

لحماية إمدادات مياه الشرب بالقرب من محطات الطاقة الاندماجية النووية التجارية المزمع إنشاؤها، تم إرسال الألياف الضوئية وأجهزة استشعار السيليكون المصغرة تحت الأرض لأداء مهمة جديدة. وتُسمى هذه الأجهزة "أجهزة المراقبة البيئية المستمرة للنظائر المشعة تحت الأرض"، وهي قادرة على مراقبة التربة والمياه الجوفية في الوقت الفعلي، ومهمتها الرئيسية هي الكشف عن تسرب التريتيوم. التريتيوم هو نظير نادر للهيدروجين، يُستخدم كوقود لتفاعلات الاندماج النووي، وإذا تسرب يمكن أن يتسرب مباشرة إلى طبقات المياه الجوفية المحلية. يستخدم النظام سلسلة كشف من خطوتين للكشف عن الإشعاع. تُدفن ألياف ضوئية وميضية رقيقة في التربة المحيطة بالمحطة، حيث تصطدم جسيمات بيتا المشعة بالألياف وتطلق نبضات ضوئية دقيقة.

تنتقل هذه الفوتونات عبر الألياف الضوئية إلى أنابيب مضاعفة الضوء السيليكونية المدمجة (SiPMs)، ويشير مختبر توماس جيفرسون الوطني للمسرعات التابع لوزارة الطاقة الأمريكية إلى أن "أجهزة SiPMs قادرة على تحويل الفوتونات إلى إشارات كهربائية". وتقوم الحواسيب المتصلة بمعالجة النبضات على الفور، للكشف عن مستويات الإشعاع تحت الأرض وتتبعها في الوقت الفعلي.

المزايا التقنية لأجهزة SiPMs

بعد التغلب على قيود الأنابيب المفرغة، صرح براين كروس (Brian Kross) في فريق تطوير الكشف في المختبر قائلاً: "مختبر جيفرسون هو أول مؤسسة في العالم تستخدم أجهزة SiPMs على نطاق واسع". وتنتمي هذه الأجهزة إلى فئة أجهزة الاستشعار الضوئية، لكن السبب في حاجتنا إليها للتجارب يكمن في قدرتها على العمل في المجالات المغناطيسية. فقد اعتمدت أجهزة مراقبة الإشعاع التقليدية لفترة طويلة على أنابيب زجاجية مفرغة تقليدية، وهذه الأجهزة الزجاجية الضخمة سهلة الكسر، وتتطلب جهداً عالياً للتشغيل، وتتعطل عند مواجهة مجالات كهرومغناطيسية ضالة. أما أجهزة SiPMs الصلبة فتزيل هذه القيود بالكامل، فهي تحتاج إلى قدر ضئيل جداً من الطاقة، وعلى الرغم من صغر حجمها فإنها توفر إشارات قراءة قوية، والأهم من ذلك أنها قادرة على العمل بسلاسة في مجالات مغناطيسية قوية.

هذا يجعلها مناسبة جداً لمراقبة ظروف التربة مباشرة تحت مفاعلات الاندماج النووي مباشرة، لأن هذه المفاعلات تستخدم ملفات مغناطيسية ضخمة لاحتجاز البلازما.

تم تطوير هذه التكنولوجيا في مختبر توماس جيفرسون الوطني للمسرعات الواقع في ولاية فرجينيا، حيث قام المخترعون جاك ماكيون (Jack McKisson) وبراين كروس وجون ماكيون (John McKisson) بنشر أجهزة SiPMs على نطاق واسع لأول مرة في أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين. وأثناء ترقية كاشف الجسيمات "GlueX"، قام الفريق ببنائها في منشأة معجل حزمة الإلكترون المستمرة. وقبل فحص المياه الجوفية، كان الفريق قد اختبر أجهزة استشعار مماثلة، استُخدمت لتوجيه جراحات سرطان الثدي ولتصوير الجذور في علم الأحياء النباتي.

التعاون التجاري والثقة العامة

حالياً، تقوم شركة تجارية بإدخال هذه الأجهزة الحكومية إلى قطاع الطاقة. فقد وقعت شركة Canary Instruments الناشئة في ولاية ماريلاند اتفاقية بحث رسمية مع مختبر جيفرسون، وقد أسس هذه الشركة المهندس والتر شو (Walter Xu) ومحامي التنظيم عادل أحمد (Adil Ahmed)، اللذان تعاونا عبر منصة Boost التي تدفع بها مختبرات سانديا الوطنية و FedTech، لتسويق الأبحاث الفيدرالية تجارياً.

سيلعب ثقة الجمهور دوراً حاسماً في تطوير طاقة الاندماج النووي، حيث يجب على مشغلي المحطات إثبات للبلدات القريبة أن منسوب مياههم غير ملوث. وتجري شركة Canary Instruments حالياً اختبارات للتربة واختبارات لأجهزة ما قبل الإنتاج مع باحثين في المختبر، في حين تجتمع مع شركات اندماج نووي خاصة تصمم حالياً أول منشأة متصلة بالشبكة. ويوفر الكشف تحت الأرض في الوقت الفعلي إنذارات فورية للمشغلين، مما يساعد في الحفاظ على سلامة المجتمعات في الوقت الذي تقترب فيه طاقة الاندماج النووي النظيفة بشكل متزايد من الشبكة الكهربائية.

أهمية تكنولوجيا المراقبة في الوقت الفعلي لتطوير الاندماج النووي

مع تطور تكنولوجيا الاندماج النووي، تصبح حماية سلامة مصادر مياه الشرب أمراً حاسماً. إن قدرة أجهزة المراقبة البيئية المستمرة للنظائر المشعة تحت الأرض على المراقبة في الوقت الفعلي لا تكتشف تسرب التريتيوم فحسب، بل تعزز أيضاً ثقة الجمهور في محطات الطاقة الاندماجية النووية. ومن خلال التعاون مع الشركات الخاصة، ستتمكن هذه التكنولوجيا من التسويق التجاري بشكل أسرع، مما يضمن سلامة المجتمعات، ويعزز التطبيق الواسع لطاقة الاندماج النووي. ومع نضج التكنولوجيا، ستصبح عمليات محطات الطاقة الاندماجية النووية المستقبلية أكثر شفافية، مما يضع الأساس لتطوير الطاقة المستدامة.