به گزارش خبرگزاری ایمنا، در دو دهه گذشته، رشد شتابان فناوری‌های نانومقیاس نه‌تنها حوزه‌های شناخته‌شده‌ای مثل الکترونیک و پزشکی را متحول کرده، بلکه بسترهای جدیدی برای تغییرات بنیادین در صنایع سنگین از جمله صنعت هسته‌ای فراهم آورده است، در این میان نانوحباب‌ها (که به‌عنوان ذرات گازی پایدار با قطری به‌طورمعمول کمتر از ۲۰۰ نانومتر تعریف می‌شوند) به سبب ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی منحصربه‌فردشان توجه پژوهشگران، مهندسان و سیاست‌گذاران را به خود جلب کرده‌اند، تفاوت نانوحباب با حباب‌های مرسوم در مقیاس، نسبت سطح به حجم بسیار بالاتر، پایداری قابل‌توجه در محلول‌ها و توانایی ایجاد میدان‌های موضعی فشار و غلظت است که رفتار سطح تماس و سینتیک واکنش‌ها را به‌طور بنیادین تغییر می‌دهد.
در صنعت هسته‌ای، این خصوصیات موجب شده نانوحباب‌ها نقش‌های چندگانه‌ای را ایفا کنند؛ از بهینه‌سازی فرایندهای استخراج سوخت و بازیافت ایزوتوپ‌ها گرفته تا پاک‌سازی آب‌های صنعتی آلوده به مواد رادیواکتیو و حتی کاربرد در ساختارهای سوخت و سیستم‌های خنک‌کننده راکتورها است، علاوه بر این مزایای زیست‌محیطی بالقوه (همچون کاهش مصرف مواد شیمیایی، کاهش انرژی مورد نیاز فرایندها و کاهش تولید پسماندهای خطرناک) موجب شده سرمایه‌گذاری در پژوهش‌های مرتبط با نانوحباب‌ها در مراکز تحقیقاتی و شرکت‌های دانش‌بنیان، به‌ویژه در کشورهایی با برنامه‌های هسته‌ای فعال، افزایش پیدا کند، در سطح ملی ترکیب ظرفیت‌های آزمایشگاهی، پشتیبانی سیاست‌گذارانه و ورود شرکت‌های فناوری‌محور می‌تواند تحولاتی کاربردی و مقرون‌به‌صرفه در زنجیره تأمین، بهره‌برداری و مدیریت پسماندِ فعالیت‌های هسته‌ای به‌وجود آورد.
مهم‌تر از همه، نانوحباب‌ها نشان داده‌اند که می‌توانند به‌عنوان یک فناوری میان‌رشته‌ای عمل کنند که مرز میان علم مواد، شیمی فرایندی، مهندسی هسته‌ای و مدیریت محیط‌زیست را نزدیک‌تر ساخته و امکان توسعه راه‌حل‌های نوآورانه‌ای را می‌دهد که هم‌زمان ایمنی، پایداری و کارایی اقتصادی را افزایش می‌دهند؛ موضوعی که در دوره‌ای از تاریخ که تقاضا برای انرژی پاک و ایمن فزاینده است، اهمیت راهبردی پیدا می‌کند.
نانوحباب‌ها در فرایندهای استخراج اورانیوم و بهینه‌سازی لیچینگ
یکی از حساس‌ترین و هزینه‌برترین مراحل زنجیره سوخت هسته‌ای، مرحله استخراج و غنی‌سازی اولیه است که مستلزم بهینه‌سازی بسیار دقیق برای کاهش هزینه‌ها، مصرف انرژی و کاهش ریسک‌های زیست‌محیطی است. در فرایند لیچینگ اسیدی که برای استخراج یون‌های اورانیوم از سنگ معدن به کار می‌رود، انتقال جرم، واکنش‌پذیری سطحی و ایجاد تماس بین فازها تعیین‌کننده نرخ بازیابی و کیفیت محصول نهایی هستند.
اینجاست که نانوحباب‌ها وارد عمل می‌شوند: با تزریق نانوحباب‌های اکسیژن یا ازن به بسترهای لیچینگ، سطح تماس بین فاز گازی و مایع به‌طرز قابل‌توجهی افزایش می‌یابد و یون‌های فلزی در دسترس‌تر و واکنش‌پذیرتر می‌شوند. به‌علاوه، نانوحباب‌ها می‌توانند موجب تولید گونه‌های رادیکالی فعال در محیط اسیدی شوند که نقش اکسیدکننده‌های قوی را ایفا کرده و شرکت‌پذیری یون‌ها به عاملِ لیچینگ را تسهیل می‌کنند؛ نتیجه نهایی این مکانیزم‌ها به‌طورمعمول افزایش سرعت استخراج و درصد بازیابی است، همراه با کاهش نیاز به دماها و فشارهای بالا یا افزودنی‌های شیمیایی پرهزینه؛ از منظر عملیاتی، این به معنای مصرف کمتر انرژی، جلوگیری از تولید مقدار زیاد پسماندهای شیمیایی و در نهایت هزینه کمتر برای پردازش و دفع پسماندهای رادیواکتیو است.
پژوهش‌ها و پروژه‌های پایلوت در سطح جهان نشان داده‌اند که ادغام واحدهای تولید و تزریق نانوحباب با سیستم‌های لیچینگ مرسوم می‌تواند بازده فرایند را ارتقا دهد و در برخی موارد امکان بازیابی ایزوتوپ‌های باارزش با خلوص بالاتر را فراهم سازد. علاوه بر مزایای اقتصادی، این فناوری می‌تواند به بهبود شاخص‌های ایمنی کمک کند؛ زیرا کاهش استفاده از مواد شیمیایی تهاجمی و پایین آمدن دما و فشار فرایند، احتمال وقوع رخدادهای ناخواسته را کم می‌کند. برخی از مراکز تحقیقاتی و شرکت‌ها در حوزه انرژی هسته‌ای همچنین از نانوحباب‌ها در طراحی و خنک‌سازی ماژول‌های کوچک و میکرو-راکتورهای پرتابل (همچون نمونه‌هایی که در پروژه‌های تحقیقاتی بین‌المللی مطرح شده‌اند) بهره برده‌اند؛ در این کاربردها نانوساختارها و نانوحباب‌ها می‌توانند انتقال حرارت موضعی را بهتر کنند و به کنترل سریع‌تر شرایط گذرا و کاهش ریسک‌های حرارتی کمک کند. همگام با توسعه فناوری، نیاز به استانداردسازی روش‌های تولید، اندازه‌گیری و پایش نانوحباب‌ها در محیط‌های صنعتی نیز بیش از پیش احساس می‌شود تا قابلیت تکرار نتایج و تضمین ایمنی فرایندها فراهم شود.
تصفیه آب‌های صنعتی و بازیافت رادیواکتیو با نانوحباب‌ها
از منظر حفاظت محیط‌زیستی و مدیریت پسماند، مسئله تصفیه آب‌های خروجی از نیروگاه‌ها و تأسیسات هسته‌ای یکی از داغ‌ترین مباحث است، آب‌های صنعتی ممکن است حامل ترکیبات آلی پیچیده، فلزات سنگین و نیز ایزوتوپ‌های رادیواکتیو باشند؛ حذف این آلودگی‌ها با روش‌های قدیمی بیشتر نیازمند مصرف بالای انرژی، استفاده از مواد شیمیایی قوی و در نهایت تولید مواد جانبی است که خود نیازمند مدیریت جداگانه است. استفاده از نانوحباب‌های ازن و اکسیژن در این حوزه نقطه‌عطفی به‌حساب می‌آید. نانوحباب‌ها به دلیل پایداری طولانی‌مدت در محلول و توانایی ایجاد سطوح تماس عظیم، زمینه‌ای فراهم می‌کنند که گونه‌های رادیکالی مثل هیدروکسیل با طول عمر و غلظت مؤثرتر تولید شوند؛ این گونه‌ها قدرت اکسیدکنندگی بالایی دارند و می‌توانند مولکول‌های آلی پیچیده و ترکیبات چربی‌زا را به اجزای ساده‌تر، کم‌خطرتر و قابل تجزیه تبدیل کنند.
در مورد آلاینده‌های فلزی و ایزوتوپ‌های رادیواکتیو نیز نانوحباب‌ها می‌توانند با افزایش انتقال جرم و تحریک فرایندهای جذب و رسوب‌گذاری، راندمان جداسازی را افزایش دهند؛ به‌عنوان مثال، هم‌افزایی بین نانوحباب‌ها و مواد جاذب نانوساختاری می‌تواند میزان بازیابی ایزوتوپ‌ها را افزایش دهد و در عین حال حجم و خطر پسماند نهایی را کاهش دهد، از منظر اقتصادی و عملیاتی، گزارش‌های آزمایشگاهی و پایلوت حاکی از آن است که به‌کارگیری نانوحباب‌ها می‌تواند مصرف برق تصفیه‌خانه‌ها را کاهش دهد و نیاز به مواد شیمیایی گران‌قیمت را کم کند؛ این امر به‌ویژه در مناطقی که هزینه انرژی بالاست یا دسترسی به مواد شیمیایی محدود است، اهمیت زیادی دارد.
در ایران، بنا بر گزارش‌هایی که در پروژه‌های پایلوت منتشر شده، نصب سیستم‌های نانوحباب در برخی تصفیه‌خانه‌های صنعتی نیروگاهی منجر به کاهش محسوس مصرف انرژی و بهبود کیفیت خروجی آب شده است؛ این تجربه‌ها نشان می‌دهد که توسعه بومی فناوری و تولید دستگاه‌های مناسب برای شرایط محلی می‌تواند راهکارهای مقرون‌به‌صرفه‌ای برای مدیریت چالش‌های محیط‌زیستی فراهم آورد، نکته پایانی اما حیاتی است؛ هرچند نانوحباب‌ها توانمندی بالایی در تصفیه و بازیافت نشان داده‌اند، پیاده‌سازی در مقیاس‌های بزرگ مستلزم مطالعات جامع زیست‌محیطی، ارزیابی ریسک‌های کوتاه‌مدت و بلندمدت و تدوین چارچوب‌های نظارتی است تا از انتقال احتمالی مواد جدید یا پیامدهای غیرمنتظره به محیط زیست جلوگیری شود.
مدل‌سازی، توسعه صنعتی و چشم‌انداز آینده
افق پیش روی نانوحباب‌ها در صنعت هسته‌ای تنها به کاربردهای فرایندی محدود نمی‌شود؛ بلکه ورود این پدیده به حوزه‌های مدل‌سازی و پیش‌بینی رفتار مواد در شرایط پرتویی، تحولاتی اساسی را نوید می‌دهد. مطالعات محاسباتی پیشرفته که از ابررایانه‌ها و مدل‌های چندمقیاسی بهره می‌برند، امکان بررسی انتشار گازهای شکافت همچون زنون و کریپتون و نقش نانوحباب‌ها در میکروساختار سوخت را فراهم ساخته‌اند؛ این نوع مدل‌سازی‌ها کمک می‌کنند تا فرایند پیرشدن سوخت، تجمع گاز، پیدایش تخلخل‌ها و درنهایت ریسک‌های مرتبط با رهایش مواد رادیواکتیو در شرایط گذرا و بلندمدت بهتر درک شود.
در چنین چارچوبی، پژوهشگاه‌ها و دانشگاه‌های تخصصی می‌توانند با ترکیب داده‌های تجربی از پایلوت‌ها و نتایج شبیه‌سازی‌های عددی، معیارهای طراحی جدیدی برای سوخت و راکتور ارائه دهند که دوام، ایمنی و بازده حرارتی را افزایش دهد، از منظر صنعتی حرکت از فاز پژوهشی به فاز تجاری‌سازی نیازمند استانداردهای تولید و سنجش نانوحباب‌ها، چارچوب‌های تضمین کیفیت، و ایجاد زنجیره تأمین مواد اولیه و تجهیزات مولد است؛ پشتیبانی سیاست‌گذاران، صندوق‌های نوآوری و همکاری‌های بین‌المللی می‌توانند روند ورود محصولات نانوحبابی به بازار نیروگاه‌ها را تسهیل کنند؛ کشورهایی که زودتر این اکوسیستم را شکل دهند از مزیت رقابتی در کاهش هزینه‌های چرخه عمر نیروگاه‌ها و مدیریت پسماند برخوردار خواهند شد.
در ایران، تلاش‌های مشترک میان دانشگاه‌ها، ستاد توسعه فناوری نانو و شرکت‌های دانش‌بنیان برای پیاده‌سازی پروژه‌های پایلوت و تولید نمونه‌های صنعتی مفید بوده است و تجربه‌های عملی به‌دست‌آمده می‌تواند سکوی پرشی برای توسعه گسترده‌تر باشد. در افق بلندمدت، می‌توان کاربردهای نوینی را تصور کرد که نانوحباب‌ها در آن‌ها بخشی از راهکارهای جامع پایداری انرژی باشند؛ از ادغام در چرخه تولید و بازیافت سوخت تا نقش در سیستم‌های ایمنی فعال راکتورها و حتی در فناوری‌های نوظهوری همچون میکرو-راکتورها و واحدهای تولید انرژی توزیع‌شده، اما برای رسیدن به این چشم‌انداز، لازم است پژوهش و توسعه با حساسیت‌های ایمنی و زیست‌محیطی همراه شود، شبکه‌ای از آزمایشگاه‌های مرجع ایجاد گردد و استانداردهای جهانی برای تولید، کاربرد و دفع محصولات نانومقیاس شکل بگیرد، نانوحباب‌ها نه‌تنها یک نوآوری تکنیکی هستند بلکه فرصتی برای بازاندیشی در طراحی فرایندها و مدیریت چرخه حیات انرژی هسته‌ای فراهم می‌آورند؛ اگر مسیر توسعه هوشمندانه و مسئولانه‌ای طی شود، این فناوری می‌تواند سهم قابل‌توجهی در ایجاد صنعتی هسته‌ای پاک‌تر، ایمن‌تر و اقتصادی‌تر ایفا کند.