التحليل النظائري الموضعي لحبيبة حاملة لليورانيوم من داخل مفاعل فوكوشيما داييتشي الوحدة 2 باستخدام SIMS عالي الدقة

لماذا تهم حبة صغيرة من فوكوشيما

داخل المفاعلات المتضررة في فوكوشيما داييتشي ذاب جزء كبير من وقود المفاعل، واختلط بالصلب وبُنى أخرى، ثم تشكّل وتصلّب إلى «حطام وقود» معقّد. وإزالة هذه المادة بأمان تعد من أكبر العقبات أمام إتمام أعمال التنظيف. تركز هذه الدراسة على جسيم ميكروسكوبي واحد من ذلك الحطام وتبيّن كيف يمكن لتقنية تصوير قوية أن تكشف بتفصيل مذهل مما تتكوّن هذه الحبيبة وكيف تشكلت — معلومات تساعد في نهاية المطاف على جعل الأعمال المستقبلية حول المفاعلات أكثر أمانًا وقابلة للتوقع.

تفحّص دقيق لحبيبة من الحطام

فحص الباحثون جسيمًا عرضه نحو 50 ميكرومتر — أي تقريبًا بعرض شعرة إنسان رفيعة — جُمِع من داخل مبنى المفاعل للوحدة 2. يُعتقد أن هذه الحبيبة الصغيرة جزء من الخليط المتصلّب للوقود المذاب ومكونات المفاعل الذي تكوّن أثناء حادث 2011. حتى الآن، كانت معظم الدراسات على مثل هذه المواد تذيب العينات وتقيس التركيبات المتوسّطة فقط، مما يفقد أي بُنية دقيقة المقياس. هنا، أراد الفريق أن يرى كيف تترتب العناصر المختلفة، لا سيما اليورانيوم من الوقود والبورون من قضبان التحكم، داخل الجسيم، وكيف تختلف «نكهات» الذرات تلك، أي النظائر، من مكان لآخر.

قص وتخطيط الجسيم في ثلاثة أبعاد

للقيام بذلك، استخدموا جهازًا مخصصًا يجمع بين شعاع أيوني مركّز — وهو في الأساس أداة نحت على مقياس النانو — وطيف كتلة عالي الدقة. قام الشعاع أولًا بقطع طبقات رقيقة من الجسيم، مما أتاح للعلماء مشاهدة مقاطع عرضية ناعمة بتصوير إلكتروني. أظهرت هذه الصور داخليًا متكاثفًا وخاليًا من الفقاعات، ما يوحي بأن الغازات هربت أو كانت غائبة عندما بردت القطرات المنصهرة وتصلّبت. والأهم أن نفس الجهاز مسح بعد ذلك كل سطح جديد لصنع خرائط تركيبية، كاشفًا عن أماكن تجمع عناصر رئيسية مثل اليورانيوم والزركونيوم والحديد والكروم والبورون والليثيوم داخل الحبيبة.

فك خيوط خليط الوقود والصلب وقضبان التحكم

أظهرت الخرائط الكيميائية أن الحبيبة ليست متجانسة بل مقسمة إلى مناطق بحجم ميكرومتر ذات خلطات مميزة. منطقة واحدة تحتوي على كل من اليورانيوم والزركونيوم، ما يتوافق مع التحام أقراص الوقود المنصهرة وغطاءها معًا عند التصلب. منطقة أخرى غنية بالحديد والبورون والليثيوم، مما يشير إلى مساهمة من هياكل الصلب وقضبان التحكم من بوريد البورون. أما منطقة ثالثة فتسيطر عليها عناصر الكروم، ما يعكس على الأرجح تفاعلات وفصلًا مختلفًا عند درجات حرارة عالية أثناء تبريد المصهور. ينتشر اليورانيوم في معظم الداخل، بينما يتركّز البورون أكثر قرب الأجزاء الخارجية، مما يوحي أن المصهور الغني باليورانيوم تبلور أبكر بينما هاجر مادّي ذو بورون إلى الخارج قبل أن يتجمّد. معًا، تسجل هذه الأنماط تاريخًا متدرجًا للانصهار والتبريد بين الوقود والمكونات المحيطة.

قراءة الذاكرة الذرية للحبيبة

إلى جانب رسم خرائط العناصر، قيَس الفريق النظائر — وهي أشكال من نفس العنصر ذات كتل مختلفة — داخل الجسيم. أظهر اليورانيوم مستوى تثري بين اليورانيوم الطبيعي والوقود الطازج الذي حُمل في الأصل إلى الوحدة 2، ما يعني أنه جاء من وقود استخدم في المفاعل لكنه لم يُحرق بالكامل. وأكثر ما كان مكشوفًا هو نظائر البورون والليثيوم. يمكن للبورون-10 في قضبان التحكم التقاط النيوترونات والتحول إلى ليثيوم-7. في الجسيم، كان للبورون حصة منخفضة قليلاً من البورون-10 مقارنة بالطبيعة، بينما ازداد ليثيوم-7 بشكل كبير. هذا الاقتران المميز هو بصمة لتفاعل التقاط النيوترونات تلك، ما يثبت أن مادة قضبان التحكم المدمجة في الحبيبة كانت قد امتصت النيوترونات أثناء التشغيل الاعتيادي للمفاعل.

ما معنى ذلك لأعمال التنظيف والسلامة

من خلال فك بنية وتركيب نظائري لحبيبة ميكروسكوبية واحدة، تقدّم الدراسة نافذة جديدة على ما حدث داخل لبّ مفاعل فوكوشيما أثناء ارتفاع حرارته وذوبانه ثم تبرده. تُقدّم هذه النتائج الدليل المباشر الأول على أن الوقود والصلب الهيكلي وقضبان التحكم انتهى بهم المطاف ملتحمين معًا داخل جزيئات حطام مفردة، وأن سجل امتصاص النيوترونات لا يزال مكتوبًا في نظائرها. يمكن تطبيق نهج التصوير عالي الدقة هذا على مزيد من العينات، ما يساعد المهندسين على تقييم أفضل لكيفية توزيع الوقود ومدى اختلاطه بمواد ماصة للنيوترونات مثل البورون وكيف تشكّل. هذه المعرفة تدعم تقييمات أكثر موثوقية لمخاطر الحرج النووي وتوجه استراتيجيات القطع والاسترجاع والتخزين الآمن المتبقية لحطام الوقود.

الاستشهاد: Yoshida, T., Maeda, K., Sekio, Y. et al. Spatially resolved isotopic analysis of a uranium-bearing particle from inside the Fukushima Daiichi unit 2 reactor using high-resolution SIMS. Sci Rep 16, 9865 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40875-y

الكلمات المفتاحية: حطام وقود فوكوشيما, تصوير SIMS, نظائر اليورانيوم, قضبان تحكم بورون, نزع فتيل المفاعلات النووية