خبرگزاری تسنیم؛ گروه اقتصادی ــ دانه‌بندی یا گرانولومتری، یعنی تعیین توزیع اندازه ذرات در یک نمونه جامد یا نیمه‌جامد، یکی از پارامترهای کلیدی در کنترل کیفیت مواد معدنی است. در صنایع استخراجی و پردازشی، این شاخص به‌طور مستقیم بر کارایی فرآوری، مصرف انرژی و بازیابی فلزات تأثیر می‌گذارد. فناوری‌های هسته‌ای، به‌ویژه روش‌های مبتنی بر پراکندگی و جذب پرتوهای گاما و نوترون، امکان سنجش دانه‌بندی را بدون تماس فیزیکی و در زمان واقعی فراهم کرده‌اند. این سیستم‌ها در جریان خط تولید نصب می‌شوند و با تحلیل تغییرات شدت و انرژی پرتوهای عبوری یا پس‌تابیده، نقشه‌ای دقیق از توزیع اندازه ذرات ترسیم می‌کنند. استفاده از این فناوری‌ها، که در دهه‌های اخیر به‌طور چشمگیری پیشرفت کرده‌اند، تبدیل به یک استاندارد عملیاتی در معادن پیشرفته شده است.

بیشتر بخوانید

هسته‌ای در صنعت ــ 73  |بهبود مقاومت شیشه اجاق گاز با فناوری هسته‌ای

هسته‌ای در صنعت ــ 74 |افزایش استحکام پلاستیک بدنه لوازم خانگی

ضرورت دانه‌بندی دقیق در صنعت معدن

توزیع اندازه ذرات تأثیر مستقیمی بر راندمان آسیاب‌ها، میزان مصرف آب و مواد شیمیایی در فرآوری، و نهایتاً درصد بازیابی فلزات دارد. ذرات بسیار ریز ممکن است در سیکلون‌ها گیر کنند و ضایعات را افزایش دهند، درحالی‌که ذرات درشت، نیاز به آسیاب مجدد دارند. در عملیات آزادسازی کانی‌ها ــ مانند جدایش طلا از کوارتز ــ دانه‌بندی بهینه شرط لازم برای اتصال مؤثر معرف‌های شیمیایی است. بدون کنترل دقیق این پارامتر، تا 15 تا 20 درصد از فلزات ارزشمند ممکن است در باطله‌ها باقی بمانند. این ضایعات نه‌تنها از نظر اقتصادی چشمگیرند، بلکه از دید زیست‌محیطی نیز فشار قابل توجهی بر سیستم‌های مدیریت پسماند وارد می‌کنند. بنابراین، نیاز به یک روش سریع، غیرمخرب و قابل اعتماد برای پایش مداوم دانه‌بندی، بیش از پیش ضروری شده است.

اصول فیزیکی کاربرد پرتوهای هسته‌ای در دانه‌بندی

پایهٔ فناوری هسته‌ای در دانه‌بندی، تعامل پرتوهای یونی‌ساز ــ به‌ویژه گاما و نوترون‌های حرارتی ــ با ماده است. وقتی پرتوی گامایی از یک منبع مانند سزیم-137 بین یک جریان مواد معدنی عبور کند، میزان جذب و پراکندگی آن به چگالی، ضخامت و ساختار فضایی ذرات بستگی دارد. ذرات ریز‌تر باعث پراکندگی کامپتون بیشتری می‌شوند، درحالی‌که ذرات درشت‌تر، به‌ویژه اگر فلزی باشند، جذب فوتوالکتریک را افزایش می‌دهند. این تفاوت در طیف انرژی پرتوی عبوری، با استفاده از آشکارسازهای سوسوز (Scintillation Detectors) ثبت می‌شود و با مدل‌های تحلیلی برگشتی (Inverse Modeling)، توزیع اندازه ذرات بازسازی می‌گردد. روش‌های نوترونی نیز در مواردی که ذرات حاوی عناصر سبک (مانند H، B، Cl) هستند، دقت بالاتری ارائه می‌دهند.

انواع روش‌های هسته‌ای در دانه‌بندی

دو روش اصلی وجود دارد: (1) پایش عبوری (Transmission-based) که برای جریان‌های ضخیم و پیوسته (مانند خطوط سیمان) مناسب است و (2) پایش پس‌تاب (Backscatter) که در شرایطی که دسترسی دوطرفه ممکن نیست (مثلاً در لایه‌های سطحی انبارها) به‌کار می‌رود. روش سوم، تحلیل نوترون-گامای القایی (PGNAA) است که علاوه بر دانه‌بندی، ترکیب شیمیایی را نیز تعیین می‌کند. این روش در سنگ‌آهن و بکسیت کاربرد بالایی دارد، چرا که تغییرات دانه‌بندی و عیار اغلب هم‌زمان هستند. هر سه روش می‌توانند در یک سکوی یکپارچه ترکیب شوند تا دقت کلی را افزایش دهند.

فرآیند اجرایی پایش دانه‌بندی

اجرای این فناوری در چهار مرحله انجام می‌شود: (1) ارزیابی نیاز عملیاتی ــ تعیین نقاط حیاتی برای نصب (مثلاً خروجی آسیاب)، (2) طراحی سیستم ــ انتخاب نوع پرتو، توان منبع و هندسهٔ نصب، (3) کالیبراسیون اولیه ــ با استفاده از نمونه‌های مرجع با دانه‌بندی شناخته‌شده، و (4) یکپارچه‌سازی با سامانه‌های کنترل فرآیند (PCS). در مرحلهٔ کالیبراسیون، معمولاً از روش‌های ماشین‌یادگیری مانند شبکه‌های عصبی برای تطبیق داده‌های پرتوزایی با داده‌های لیزری یا تصویربرداری استفاده می‌شود. پس از راه‌اندازی، سیستم به‌صورت خودکار هر 10 تا 30 ثانیه یک بروزرسانی ارسال می‌کند.

مزایای روش هسته‌ای نسبت به روش‌های سنتی

روش‌های سنتی مانند الک‌کردن، سایزینگ لیزری یا تصویربرداری، یا مخرب هستند، یا نیاز به توقف خط تولید دارند، یا تحت تأثیر شرایط محیطی (غبار، نور، رطوبت) قرار می‌گیرند. در مقابل، روش‌های هسته‌ای غیرمخرب، غیرتماسی، و مقاوم در برابر شرایط سخت هستند. سیستم‌های گاما حتی در دمای بالای 200°C و در حضور غبار شدید، عملکرد مستقیمی دارند. همچنین، دقت آن‌ها مستقل از رنگ یا شفافیت ذرات است ــ مزیتی که در معدن کرومیت یا زغال‌سنگ حیاتی است. بعلاوه، امکان پایش بلادرنگ، امکان کنترل حلقه‌بسته (Closed-loop Control) را فراهم می‌کند، چیزی که روش‌های آزمایشگاهی هرگز نمی‌توانند ارائه دهند.

چالش‌ها و محدودیت‌های فنی

با وجود مزایا، چند چالش جدی وجود دارد: (1) محدودیت قانونی ــ در برخی کشورها، استفاده از منابع پرتوزا در معادن سطح باز ممنوع یا تحت محدودیت شدید است، (2) حساسیت به تغییرات چگالی کلی جریان ــ اگر عیار مادهٔ معدنی نوسان شدیدی داشته باشد، تفکیک اثر چگالی از اثر دانه‌بندی دشوار می‌شود، (3) هزینهٔ نگهداری ــ الزام به بازرسی‌های دوره‌ای و جایگزینی منبع (با نیمه‌عمر Cs-137 معادل 30 سال)، هزینه‌های بلندمدت را افزایش می‌دهد، و (4) نگرانی‌های اجتماعی ــ واکنش منفی جامعه به وجود «مواد رادیواکتیو» حتی در مقدار بسیار کم.

نقش این فناوری در رفع چالش‌های زیست‌محیطی

کنترل دقیق دانه‌بندی منجر به کاهش مصرف آب در فرآیندهای شست‌وشو و فلوتاسیون می‌شود. در معدن‌های مس، بهینه‌سازی اندازه ذرات با پایش هسته‌ای، مصرف آب را تا 10 درصد کاهش داده است. همچنین، کاهش ضایعات فلزی در دمپ‌ها، فشار بر دامنه‌های باطله‌باری را کم می‌کند ــ که این خود احتمال نشت فلزات سنگین به آب‌های زیرزمینی را پایین می‌آورد. در پروژه‌های بازیافت مواد، این فناوری به جداسازی مؤثرتر پلاستیک‌ها و فلزات در جریان ضایعات شهری کمک می‌کند، که گامی در جهت اقتصاد چرخشی است. بنابراین، این تکنولوژی یک راهکار زیست‌محیطی است.

پیشرفت‌های نوین: هوش مصنوعی و منابع جایگزین

امروزه، ترکیب پردازش سیگنال‌های پرتویی با شبکه‌های عصبی عمیق (DNN)، دقت پیش‌بینی دانه‌بندی را از ~85٪ به بیش از 96٪ افزایش داده است. همچنین، منابع پرتوزای مصنوعی مبتنی بر شتاب‌دهنده‌های کوچک (X-ray generators) جایگزین در حال ظهوری برای منابع رادیواکتیو هستند ــ که در صورت قطع برق، پرتویی تولید نمی‌کنند و از نظر مقرراتی سهل‌ترند. پروژهٔ EU-funded NUCLEUS نیز در حال توسعهٔ سنسورهای هیبریدی است که گاما و تصویربرداری پرسرعت را تلفیق می‌کند تا هم دانه‌بندی و هم شکل ذرات (Shape Factor) را تعیین کنند

ایمنی و مدیریت ریسک در بهره‌برداری

اگرچه سطح پرتو در این سیستم‌ها بسیار پایین است (معمولاً کمتر از 1 میکرو‌سیورت در ساعت در فاصلهٔ 1 متری)، با این حال، طراحی ایمنی چندلایه الزامی است: (1) پوشش‌های فیزیکی از جنس سرب یا تنگستن، (2) سیستم‌های قفل الکترومکانیکی که در صورت باز شدن در، پرتو قطع می‌شود، (3) نشانگرهای هشدار رادیواکتیو مطابق استاندارد ISO 361، و (4) دوره‌های آموزشی سالانه برای پرسنل. داده‌های پایش پرتودهی فردی (با دوزیمتر TLD) نیز به‌صورت الزامی ثبت می‌شوند. تاکنون هیچ حادثهٔ جدی مرتبط با این سیستم‌ها در صنعت معدن گزارش نشده است.

آموزش و توانمندسازی نیروی انسانی

استفاده مؤثر از این فناوری مستلزم ترکیبی از دانش هسته‌ای، مهندسی معدن و داده‌کاوی است. برنامه‌های آموزشی در کشورهای پیشرو (مانند آلمان و استرالیا) شامل دوره‌های عملی در شبیه‌سازهای دیجیتال، کارگاه‌های کالیبراسیون، و تمرین‌های مدیریت بحران است. در ایران، مرکز آموزش‌های تخصصی سازمان انرژی اتمی، دورهٔ «فعالیت با دستگاه‌های هسته‌ای صنعتی» را با 120 ساعت تئوری و عملی برگزار می‌کند. همکاری با دانشگاه‌ها برای طراحی دروس تخصصی در رشته‌های مهندسی معدن و هسته‌ای نیز ضروری است تا نسل جدید مهندسان بتواند این فناوری‌ها را نه‌تنها بهره‌برداری، بلکه توسعه دهند.

 روندهای دههٔ آینده

سه روند اصلی پیش‌بینی می‌شوند: (1) رویکرد چندحسگری (Multi-sensor Fusion) ــ ترکیب داده‌های پرتوزایی، لیزری، ترازویی و تصویری برای دقت بالاتر، (2) کوچک‌سازی ــ ظهور میکرو-سنسورهای هسته‌ای برای نصب در ربات‌های اکتشافی، و (3) تولید داخلی منابع ــ توسعهٔ منابع بر پایهٔ کوبالت-60 در رآکتورهای تحقیقاتی داخلی که وابستگی به واردات را کاهش دهد. پیش‌بینی می‌شود تا سال 2035، بیش از 40٪ معادن بزرگ جهان از سیستم‌های پایش دانه‌بندی هسته‌ای به‌عنوان بخشی از زیرساخت اصلی خود استفاده کنند.

توصیه‌های سیاستی

برای کشورهایی مانند ایران، موارد زیر پیشنهاد می‌شود: (1) تدوین «چارچوب ملی به‌کارگیری فناوری‌های هسته‌ای صنعتی» با مشارکت وزارت کار، محیط‌زیست و انرژی، (2) ایجاد «آزمایشگاه ملی کالیبراسیون سنسورهای صنعتی» برای کاهش وابستگی به مراکز خارجی، (3) تشویق معادن دولتی به پیاده‌سازی نخستین پروژه‌های نمایشی با حمایت مالیاتی، و (4) انعقاد توافقنامه‌های همکاری با IAEA در چارچوب TC Projects (همکاری فنی) برای دسترسی به دانش و تجهیزات پیشرفته. سرمایه‌گذاری در این حوزه، تنها یک تصمیم فنی نیست؛ یک سیاست استراتژیک برای افزایش ارزش افزودهٔ مواد معدنی است.

جمع‌بندی

پایش دانه‌بندی با فناوری هسته‌ای، نمونه‌ای برجسته از «انرژی اتمی برای صلح» است، که کاربردی کاملاً غیرنظامی، اقتصادی و پایدار به شمار می‌رود. این روش، دانشی را به خط تولید می‌آورد که قبلاً تنها در آزمایشگاه‌های پیشرفته در دسترس بود. با وجود چالش‌های نظارتی و فرهنگی، مزایای آن از تراز هزینه‌ها فراتر رفته است. آینده، متعلق به سیستم‌های هوشمندی است که نه‌تنها «می‌بینند»، بلکه «درک می‌کنند» و «تصمیم می‌گیرند». و در این مسیر، فناوری هسته‌ای ــ با اخلاق، دقت و مسئولیت ــ می‌تواند نقشی محوری ایفا کند.

----------

منابعی برای مطالعه بیشتر

[1] International Atomic Energy Agency (IAEA). (2020). Nuclear Techniques for Industrial Process Optimization. IAEA-TECDOC-1897. Vienna.
[2] Wills, B. A., & Napier-Munn, T. (2021). Wills’ Mineral Processing Technology (8th ed.). Elsevier.
[3] Knoll, G. F. (2010). Radiation Detection and Measurement (4th ed.). Wiley.
[4] Gamma-Metrics. (2023). On-Belt Particle Size Analyzers: Technical Manual. San Diego, CA.
[5] Orexplore AB. (2022). GeoCore X10: PGNAA and XRF Combined Analysis. Technical White Paper.
[6] Atomic Energy Organization of Iran (AEOI). (1401). Regulatory Guide for Industrial Radiation Devices. Tehran.
[7] Mining Technology Journal. (2023). “Economic Impact of Real-Time Granulometry in Base Metal Mines.” Vol. 68, No. 4, pp. 34–41.
[8] Singh, R., & Gupta, V. (2022). “Integration of Nuclear Gauges with Process Control Systems.” Powder Technology, 401, 117328.
[9] Bellenoue, M., et al. (2021). “Robustness of Gamma Transmission Gauges in Harsh Mining Environments.” Mineral Processing and Extractive Metallurgy Review, 42(5), 320–334.
[10] U.S. Nuclear Regulatory Commission (NRC). (2022). Regulatory Guide 8.29: Use of Byproduct Material in Industrial Gauges. NUREG-1556, Vol. 14.
[11] Codelco Sustainability Report. (2023). Water Efficiency Through Process Optimization. Santiago.
[12] Zhang, L., et al. (2023). “Deep Learning for Nuclear Gauge Data Interpretation.” IEEE Transactions on Nuclear Science, 70(6), 1125–1134.
[13] European Commission. (2024). NUCLEUS Project Final Report: Hybrid Sensors for Industrial 4.0. Horizon Europe Grant Agreement No. 101008145.
[14] Codelco Technical Bulletin. (2022). Implementation of Gamma Backscatter Sizing at El Teniente Division. Internal Document No. TC-2022-089.
[15] Fars Cement Company & AEOI. (1402). Pilot Project Report: Gamma-Based Blaine Control System. Shiraz (Confidential, Summary Publicly Released).
[16] IAEA. (2018). Radiation Protection and Safety in Industrial Radiography. Safety Standards Series No. SSG-46.
[17] AEOI Training Center. (1402). Syllabus: Operation of Industrial Nuclear Devices. Course Code: IND-401.
[18] Smart Mining Network Australia. (2023). Integrated Analytics Platform (IAP) Architecture. Melbourne.
[19] McKinsey & Company. (2024). The Future of Mining Technology: 2035 Outlook. Mining Practice Report.
[20] IAEA Department of Technical Cooperation. (2023). Guidelines for Developing National Frameworks on Nuclear Applications in Industry. TC/INF/2023/1.

انتهای پیام/