مقايِس تسارع تداخلي فابري–بيرو بالألياف الضوئية مع تجويف مركب ومعايرة حرارية للتطبيقات عالية الحرارة والضغط

مراقبة نبض محطة نووية

داخل محطة للطاقة النووية، تنقل آلاف الأنابيب المعدنية بهدوء مياهًا وبخارًا محمومين يدفعان التوربينات. إذا اهتزت أي من هذه الأنابيب بقوة زائدة، فقد تتآكل أو تتشقق أو حتى تتمزق، مما يعرض المحطة لإيقافات مكلفة ومخاطر تتعلق بالسلامة. تصف هذه الورقة نوعًا جديدًا من حسّاسات الحركة التي تعتمد على الضوء، والتي يمكن تركيبها مباشرة على هذه الأنابيب، وتتحمل درجات الحرارة والضغط الشديدين، وتلتقط اهتزازات دقيقة قبل وقوع الأضرار بفترة طويلة.

لماذا تهم اهتزازات الأنابيب

تعتمد المفاعلات النووية الحديثة على مولدات بخار محشوة بأنابيب نقل حرارة رقيقة. يمكن أن يتسبب سريان السائل المبرد في اهتزاز هذه الأنابيب، مما يؤدي إلى احتكاكها ببطء مع الدعامات والأنابيب المجاورة. على مدار سنوات التشغيل، قد يؤدي هذا «الاهتزاز الناجم عن التدفق» إلى ترقق الجدران أو فتح شقوق، مهدداً الحاجز الذي يفصل الماء المشع عن بقية المحطة. يرغب المهندسون في قياس هذه الاهتزازات بشكل مستمر ودقيق، لكن مقاييس التسارع الإلكترونية الشائعة تكافح في بيئة القسوة المتمثلة في درجات حرارة عالية وضغط مرتفع وإشعاع قوي وضوضاء كهرومغناطيسية داخل نظام المفاعل.

قياس الحركة بالضوء بدلاً من الأسلاك

اتجه المؤلفون إلى تقنيات الألياف الضوئية—خيوط زجاجية رفيعة جدًا تحمل الضوء—لبناء مقياس تسارع محصّن من التداخل الكهربائي ومناسب لدرجات الحرارة العالية. يعتمد جهازهم على تجويف فابري–بيرو، وهو فجوة دقيقة ينعكس فيها الضوء بين سطوح عاكسة. يتغير نمط الألوان للضوء المنعكس عندما يتغير طول الفجوة بمقدار أجزاء من المليار من المتر. في هذا المستشعر، تدعم كتلة مركزية صغيرة بواسطة مجموعة من العوارض المصممة بعناية والمنحوتة من السليكون. عندما يتسارع الأنبوب، تتحرك الكتلة قليلاً، مغيرة طول تجويف مملوء بالهواء وبالتالي الإشارة الضوئية العائدة عبر الليف.

فصل الحرارة عن الحركة

أحد التحديات الرئيسية في مثل هذه البيئات هو أن الحرارة نفسها يمكن أن تحاكي الحركة: تتوسع المواد، ويظهر زحف في الألياف، وينجرف طول التجويف البصري، مما يربك الاهتزاز الحقيقي مع التغيرات الحرارية. للتعامل مع ذلك، أنشأت الفِرِيق «تجويفًا مركبًا» مكوَّنًا من طبقتين من الزجاج مع غشاء سليكوني بينهما. يستجيب أحد التجاويف، المصنوع من الزجاج، بشكل أساسي لدرجة الحرارة؛ بينما يستجيب الآخر، المملوء بالهواء والقريب من الكتلة المتحركة، للتسارع. والأهم من ذلك أن نهاية الليف البصري لم تعد مرآة داخل التجويف، لذا فإن التمدد الحراري لليف لا يزعج القياس مباشرة. من خلال تحليل الطيف العائد بأدوات رياضية سريعة، يستخرج النظام طولي كل تجويف بشكل منفصل ويستخدم قاعدة معايرة لتحويلهما إلى قراءات دقيقة للحرارة والتسارع في الزمن الحقيقي.

صُنع لتحمُّل الظروف القاسية

تصنع رقاقة المستشعر بتقنيات تصنيع ميكروي مشابهة لتلك المستخدمة في رقائق الحاسوب، مما يسمح بالتحكم الدقيق في شكل وسماكة العوارض التي تدعم الكتلة. توجه المحاكاة التصميم لتحقيق توازن بين الحساسية—مقدار تحرك الكتلة لتسارع معين—ومتردد الرنين، الذي يحدد نطاق التردّد القابل للاستخدام. يضمن تصميم متماثل لعدة عوارض ألا تؤدي الصدمات الجانبية إلى إمالة أو التواء كبيرين للكتلة، مما يحافظ على أخطاء «المحور المتقاطع» منخفضة جدًا. تُختتم الرقاقة النهائية بين طبقات زجاجية، وتُركب في حزمة معدنية مدمجة، وتُقرن بمرآة بزاوية 45 درجة وعدسة صغيرة تطوي مسار الضوء بحيث يتناسب الجهاز مع المساحة الضيقة حول أنابيب المفاعل مع حماية الليف من الانحناءات الحادة.

كيف أداءه

تبين الاختبارات المخبرية أنه عند درجة حرارة الغرفة، يمكن للمستشعر الكشف عن تسارعات بحساسية تقارب 4.53 نانومتر من تغير طول التجويف لكل وحدة g (قوة الجاذبية)، ونطاق قابل للاستخدام يصل تقريبًا إلى ±238 g دون تشوه. يظهر رنينه الرئيسي حول 7.45 كيلوهرتز، أي فوق نطاق ترددات العشرات من الهرتز النموذجي لاهتزازات أنابيب المولد البخاري، لذا يمكنه تتبع حركتها بوضوح. تَمثّل مساهمة المحور المتقاطع—الإشارات الخاطئة الناتجة عن الحركة الجانبية—أقل من نصف بالمئة. والأهم أنه عند وضعه في 350 °م و17.5 ميغاباسكال من الضغط، وهي ظروف مشابهة لتلك داخل مفاعل ماء مضغوط، عمل الجهاز لمدة 60 ساعة مع انحراف في التجويف يقل عن عُشر نانومتر. تزداد الحساسية في الواقع بعض الشيء مع ارتفاع الحرارة، لكن تجويف الحرارة المدمج ونموذج المعايرة يسمحان بتصحيح تلك التأثيرات.

ما الذي يعنيه هذا لأمن النووية

بعبارة بسيطة، بنى المؤلفون «مِسمَاعًا» صغيرًا وصلبًا يستمع إلى اهتزاز الأنابيب المعدنية الحيوية داخل المحطة النووية دون أن يخدعَه الحرارة أو الصدمات الجانبية. عن طريق الجمع بين تصميم بصري ثنائي التجاويف، وبنية ميكانيكية متماثلة، وتغليف متين عالي الحرارة، يمكن لمقياس التسارع هذا تقديم قراءات حركة دقيقة وطويلة المدى حيث تفشل الحساسات التقليدية. يجعل هذا رصد صحة أنابيب مولد البخار المستمر أكثر واقعية، مما يساعد المشغلين على اكتشاف علامات التآكل المبكرة وحماية أداء المحطة والسلامة على مدى عقود من التشغيل.

الاستشهاد: Qin, F., Tan, J., Guo, J. et al. Fiber-optic Fabry–Pérot interferometric accelerometer with composite cavity and temperature calibration for high-temperature and high-pressure applications. Microsyst Nanoeng 12, 155 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01250-z

الكلمات المفتاحية: مقياس تسارع بالألياف الضوئية, مراقبة محطات الطاقة النووية, أجهزة استشعار عالية الحرارة, تجويف فابري–بيرو, اهتزاز ناجم عن التدفق