انفجار بخاري

تُعدّ الانفجارات البخارية ظاهرة طبيعية تنتجها بعض البراكين ، وخاصة البراكين الطبقية ، وهي سبب رئيسي للوفيات البشرية في الثورات البركانية. وتحدث هذه الانفجارات غالبًا عند التقاء الحمم البركانية الساخنة بمياه البحر أو الجليد، ويُطلق على هذه الظاهرة أيضًا اسم الانفجار الساحلي . كما يمكن أن يحدث انفجار بخاري خطير عند ملامسة الماء السائل أو الجليد للمعادن المنصهرة الساخنة. فعندما يتحول الماء إلى بخار، يتناثر معه المعدن السائل الساخن، مما يُشكّل خطرًا كبيرًا للإصابة بحروق بالغة لأي شخص قريب، ويُؤدي إلى خطر نشوب حريق.

عندما ينفجر وعاء مضغوط، مثل الجانب المائي لغلاية بخارية ، يتبعه دائمًا انفجار بخاري بدرجة ما. تتراوح درجة حرارة التشغيل والضغط الشائعان لغلاية بحرية حول 950 رطل لكل بوصة مربعة (6600 كيلو باسكال) و 850 درجة فهرنهايت (454 درجة مئوية) عند مخرج المُسخِّن الفائق.    

يحتوي غلاية البخار على سطح فاصل بين البخار والماء داخل أسطوانة البخار، حيث يتبخر الماء في النهاية بفعل الحرارة المُدخلة، والتي عادةً ما تكون من مواقد تعمل بالزيت. عند تعطل أنبوب الماء لأي سبب من الأسباب، يتسبب ذلك في تمدد الماء داخل الغلاية وخروجه من الفتحة إلى منطقة الفرن التي لا يزيد ضغطها عن الضغط الجوي إلا ببضعة أرطال لكل بوصة مربعة. من المرجح أن يؤدي هذا التمدد إلى إخماد جميع الحرائق، كما أنه ينتشر على مساحة سطحية كبيرة على جانبي الغلاية.

لتقليل احتمالية حدوث انفجار مدمر، تطورت الغلايات من تصميم " أنابيب النار "، حيث كانت الحرارة تُضاف بتمرير الغازات الساخنة عبر أنابيب في الماء، إلى غلايات " أنابيب الماء " التي يكون الماء داخل الأنابيب ومنطقة الاحتراق حولها. وكانت غلايات "أنابيب النار" القديمة تتعطل غالبًا بسبب رداءة التصنيع أو الإهمال في الصيانة (مثل تآكل أنابيب النار، أو إجهاد غلاف الغلاية نتيجة التمدد والانكماش المستمر).

يؤدي تعطل أنابيب الاحتراق إلى دفع كميات هائلة من البخار عالي الضغط والحرارة إلى أسفل الأنابيب في جزء من الثانية، وغالبًا ما يتسبب في انفجار الموقدات من مقدمة المرجل. أما تعطل وعاء الضغط المحيط بالماء فيؤدي إلى إفراغ كامل لمحتويات المرجل في انفجار بخاري هائل. في المراجل البحرية، من المؤكد أن هذا سيدمر نظام الدفع في السفينة، وربما الجزء المقابل من السفينة.

قد تتعرض الخزانات التي تحتوي على النفط الخام وبعض أنواع النفط المخففة التجارية، مثل بعض زيوت الديزل والكيروسين ، لظاهرة الغليان المفاجئ، وهي حالة بالغة الخطورة حيث تبدأ طبقة الماء الموجودة أسفل خزان مفتوح من الأعلى بالغليان، مما يؤدي إلى زيادة كبيرة في شدة الحريق مصحوبة بانبعاث عنيف للسائل المشتعل إلى المناطق المحيطة. في كثير من الحالات، تكون طبقة الماء السفلية شديدة التسخين ، وفي هذه الحالة يمر جزء منها بالغليان الانفجاري. عندما يحدث هذا، فإن التمدد المفاجئ يزيد من قوة انبعاث الوقود المشتعل. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

نظرة عامة على الغليان

على الرغم من أن المفهوم العام لظاهرة الغليان الزائد معروف، إلا أنه من الضروري فهم خصوصيات انتقال الحرارة لضمان هندسة السلامة السليمة. ووفقًا لبروكمان وشيكر (1995)، لا تقتصر هذه الظاهرة على مجرد تغير في الحالة. تتضمن عملية الغليان الزائد اختراق طبقة حرارية لطبقة الوقود تدريجيًا من الأعلى بفعل ظاهرة التقطير. وبمجرد ملامستها لطبقة الماء أسفلها، قد يحدث انفجار مفاجئ. ^{[ 5 ]} ويتفاقم هذا الانفجار بفعل لزوجة الزيت، التي تعيق نمو فقاعات البخار. ونتيجة لذلك، يرتفع الضغط داخل النظام تدريجيًا، مما يؤدي إلى إطلاق مفاجئ للطاقة المتراكمة. ^{[ 5 ]} ومن النتائج الأخرى التي توصل إليها الباحثان أن شدة الانفجار ترتبط إيجابيًا بدرجة "التسخين الفائق" لطبقة الماء. بعبارة أخرى، قد ترتفع درجة حرارة طبقة الماء إلى درجة حرارة أعلى بكثير من درجة غليان الماء العادي، مما ينتج عنه عواقب كارثية أكبر من تلك التي تحدث في انفجارات غلايات البخار التقليدية. ^{[ 5 ]}

من الممكن حدوث أحداث من هذا النوع أيضاً إذا انصهر الوقود وعناصره في مفاعل نووي مبرد بالماء تدريجياً. ويُشار إلى خليط هياكل القلب المنصهرة والوقود عادةً باسم الكوريوم .

إذا لامس الكوريوم الماء، فقد تحدث انفجارات بخارية نتيجة التفاعل العنيف بين الوقود المنصهر (الكوريوم) والماء المستخدم كمبرد. وتُعرف هذه الانفجارات بتفاعلات الوقود والمبرد (FCI). ^{[ 6 ] [ 7 ]}

تحدث انصهارات المفاعلات النووية عادةً بانفجار قضبان الوقود، ويتم ذلك بإحدى طريقتين: الأولى هي انفجار بخاري يُخرج الماء الموجود في قاع الوعاء، والثانية هي انفجار الماء الموجود فوق الوقود. تُسمى الطريقة الثانية "فشل نمط ألفا"، لأنه عند انفجار قاع وعاء المفاعل، لا يقتصر الأمر على تدمير قلب المفاعل فحسب، بل قد يمتد ليشمل هيكل الاحتواء. يُصنف الانفجار البخاري عمومًا ضمن تفاعلات الوقود مع المبرد. ^{[ 8 ]} ووفقًا لدراسة ثيوفانوس وآخرون (1987)، فقد طوروا تقييمًا احتماليًا أوليًا من خلال دراسة هذا السيناريو تحديدًا. ووجدوا في هذه الدراسة أنه على الرغم من إمكانية حدوث هذا النوع من الأحداث فعليًا، إلا أن احتمالية حدوثه تكاد تكون معدومة، نظرًا لضرورة اختلاط الوقود المنصهر والماء بشكل شبه كامل. ^{[ 8 ]}

بالإضافة إلى ذلك، في دراسة حديثة أجراها ثيوفانوس ويون عام 1995، أُجريت أبحاث إضافية اعتبرت هذه العملية ناتجة عن ديناميكيات الموائع. اكتشف الباحثون أن الوقود المنصهر يُكوّن طبقة من البخار حوله تعمل كحاجز، مما يُقلل من معدل انتقال الحرارة، وبالتالي، فإن الانفجارات واسعة النطاق غير محتملة. وفي بحث آخر ^{[ 9 ] [ 10 ]} ، قام ماغالون عام 2009 بفحص سجلات تجريبية، وخلص إلى أن انفجارات بخارية صغيرة متوقعة أثناء الانصهار النووي، لكن الانفجارات واسعة النطاق التي قد تُدمر هياكل الاحتواء الحديثة غير مرجحة في الواقع. ^{[ 11 ]} ونتيجةً لهذه الأبحاث، صُممت أنظمة أمان المفاعلات الحديثة لإدارة الضغط وظروف التبريد، ولم تعد تعتبر الانفجار الهائل أسوأ سيناريو للانفجار. ^{[ 7 ]}

على الرغم من الجهود المختلفة التي بذلها القائمون على التجربة، لم يكن من الممكن إطلاق انفجار بخاري في تجارب الكوريوم في فارو.

إذا حدث انفجار بخاري في خزان ماء مغلق نتيجة التسخين السريع للماء، فإن موجة الضغط وتمدد البخار السريع قد يتسببان في ظاهرة المطرقة المائية الشديدة . هذه هي الآلية التي تسببت، في ولاية أيداهو الأمريكية عام 1961، في قفز وعاء المفاعل النووي SL-1 لأكثر من 2.7 متر (9 أقدام ) في الهواء عندما دُمر بسبب حادثة حرجة . في حالة SL-1، تبخر الوقود وعناصره نتيجة التسخين المفرط الفوري. 

في يناير 1961، تسبب خطأ بشري في انفجار بخاري هائل في مفاعل SL-1، مما أدى إلى تدميره الذاتي على الفور. وفي عام 1986، ساد الخوف من أن تتسبب كارثة تشيرنوبيل النووية في الاتحاد السوفيتي في انفجار بخاري ضخم (وما يترتب عليه من تساقط إشعاعي في جميع أنحاء أوروبا ) نتيجة انصهار الوقود النووي الشبيه بالحمم البركانية وتسربه عبر قبو المفاعل باتجاه مياه مكافحة الحرائق والمياه الجوفية . وقد تم تجنب هذا الخطر من خلال حفر أنفاق محمومة أسفل المفاعل لضخ المياه وتدعيم التربة بالخرسانة .

في حالة انصهار نووي ، يُعدّ انهيار مبنى الاحتواء المبكر أخطر عواقب انفجار البخار . هناك احتمالان: إما قذف الوقود المنصهر تحت ضغط عالٍ إلى داخل مبنى الاحتواء، مما يُسبب ارتفاعًا سريعًا في درجة الحرارة؛ أو انفجار بخاري داخل وعاء المفاعل يُؤدي إلى قذف جسم غريب (مثل الجزء العلوي ) إلى داخل مبنى الاحتواء واختراقه. أما الاحتمال الأقل خطورة، ولكنه لا يزال ذا أهمية، فهو انصهار كتلة الوقود وقلب المفاعل واختراقها أرضية مبنى المفاعل ووصولها إلى المياه الجوفية ؛ قد يحدث انفجار بخاري، ولكن من المرجح أن يتم احتواء الحطام، بل ومن المرجح أن يبرد بسهولة أكبر نظرًا لتشتته. للمزيد من التفاصيل ، يُرجى مراجعة WASH-1400 .

يمكن أن تحدث أمثلة أخرى لانفجارات البخار والمخاطر المرتبطة بها في البيئات الصناعية والمنزلية، حيث توفر هذه البيئات تفاعلات محتملة بين الماء والمواد أو المواد ذات درجة الحرارة العالية التي يمكن أن تؤدي إلى تغيير سريع في الطور أو إطلاق طاقة فيزيائية وكيميائية مشتركة.

أحد الأمثلة البارزة على ذلك هو استخدام الألومنيوم المنصهر، الذي يُشكل خطراً خاصاً نظراً لاحتمالية تفاعله كيميائياً في ظروف معينة. فقد أجرت ماغواير وودكوك دراسة عام 2019 تناولت التفاعلات بين الألومنيوم والماء عند درجات حرارة عالية، مشابهة لتلك التي تحدث في حرائق المباني الكبيرة. ^{[ 12 ]} وخلصت الدراسة إلى أن الألومنيوم المنصهر يتفاعل مع الماء عن طريق اختزال جزيئاته، مُنتجاً أكسيد الألومنيوم ومُطلقاً غاز الهيدروجين وطاقة على شكل حرارة إضافية. وخلصت الدراسة إلى أن الانفجارات التي تشمل الألومنيوم المنصهر قد لا تكون ناتجة عن البخار فقط، بل قد تكون مزيجاً معقداً من التبخر السريع يتبعه إنتاج غاز الهيدروجين، مما قد يزيد من شدة الانفجار في حال توفرت ظروف الاشتعال. ^{[ 12 ]} وهذا يعني أن استخدام الماء، كما في أنظمة الرش، قد يُفاقم الخطر في بعض الحالات عند وجود كميات كبيرة من الألومنيوم المنصهر بدلاً من إزالته.

في المنازل، قد تحدث انفجارات البخار نتيجة محاولة إطفاء الزيت المشتعل بالماء، وهي عملية تُعرف باسم "التسرب" . عندما يشتعل الزيت في مقلاة، قد يكون رد الفعل الطبيعي هو إطفاؤه بالماء؛ إلا أن ذلك سيؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة الماء بشكل كبير. سينتشر البخار الناتج بسرعة وعنف إلى الأعلى والخارج، مُشكلاً رذاذًا يحتوي أيضًا على الزيت المشتعل. الطريقة الصحيحة لإطفاء مثل هذه الحرائق هي استخدام قطعة قماش مبللة أو غطاء محكم على المقلاة؛ فكلتا الطريقتين تحرمان النار من الأكسجين ، كما أن قطعة القماش تُبردها. بدلاً من ذلك، يمكن استخدام مادة مثبطة للهب غير متطايرة ومصممة خصيصًا لهذا الغرض ، أو ببساطة بطانية إطفاء .

تُعدّ عملية التكرير الحيوي بالبخار المتفجر تطبيقًا صناعيًا لاستغلال الكتلة الحيوية. وتتضمن هذه العملية ضغط الكتلة الحيوية بالبخار حتى 3 ميجا باسكال (30 ضغطًا جويًا) ثم تحرير الضغط فورًا لإحداث التحويل المطلوب في الكتلة الحيوية. وقد تم عرض تطبيق صناعي لهذا المفهوم في مشروع ألياف الورق.

يُنتج انفجار بخار الماء كمية كبيرة من الغاز دون ترك أي مخلفات ضارة بالبيئة. وقد استُخدم الانفجار المُتحكم به للماء لتوليد البخار في محطات الطاقة وفي أنواع حديثة من التوربينات البخارية . تستخدم المحركات البخارية الحديثة زيتًا مُسخنًا لدفع قطرات الماء للانفجار، مما يُولد ضغطًا عاليًا في حجرة مُتحكم بها. يُستخدم هذا الضغط لتشغيل توربين أو محرك احتراق مُعدل. يزداد استخدام انفجارات الزيت الساخن والماء شيوعًا في مولدات الطاقة الشمسية المركزة، نظرًا لإمكانية فصل الماء عن الزيت في دائرة مغلقة دون الحاجة إلى أي طاقة خارجية. يُعتبر انفجار الماء صديقًا للبيئة إذا تم توليد الحرارة من مصدر متجدد.

تستخدم تقنية الطهي المعروفة باسم "الغلي السريع" كمية قليلة من الماء لتسريع عملية الغليان. على سبيل المثال، يمكن استخدام هذه التقنية لإذابة شريحة من الجبن على قطعة لحم البرجر. توضع شريحة الجبن فوق اللحم على سطح ساخن، مثل مقلاة، ثم يُسكب القليل من الماء البارد على السطح بالقرب من قطعة اللحم. بعد ذلك، يُستخدم وعاء (مثل قدر أو غطاء مقلاة) لإحكام إغلاق تفاعل البخار السريع، مما يؤدي إلى توزيع معظم الماء المتبخر على الجبن وقطعة اللحم. ينتج عن ذلك انطلاق كمية كبيرة من الحرارة، تنتقل عبر بخار الماء الذي يتكثف عائدًا إلى سائل (وهو مبدأ يُستخدم أيضًا في صناعة الثلاجات والمجمدات ).

قد تستخدم محركات الاحتراق الداخلي الغليان السريع لتحويل الوقود إلى رذاذ. ^{[ 13 ]}