خبرگزاری تسنیم؛ گروه اقتصادی ــ شیشههای مورد استفاده در اجاقهای گاز مدرن، علاوه بر زیبایی، باید در برابر دماهای بالا (حدود 500 تا 700 درجه سانتیگراد)، ضربههای تصادفی (مانند افتادن قابلمه)، و شوکهای حرارتی (مثلاً ریختن آب سرد روی سطح داغ) مقاومت کنند. با این حال، شیشههای معمولی سیلیکاتی در این شرایط مستعد ترکخوردگی هستند. نیاز به ارتقای مکانیکی این شیشهها، فراتر از تنها افزایش ضخامت، منجر به توسعه روشهای پیشرفتهتری شده است. این روشها، بدون دگرگونی شیمیایی عمده، ساختار داخلی شیشه را اصلاح میکنند و مقاومت آن را بطور چشمگیری بهبود میدهند.
بیشتر بخوانید
چرا مقاومت در برابر ضربه، مسئلهای مهم است؟
شکست شیشه اجاق گاز تنها یک مشکل جنبشی نیست؛ این امر میتواند منجر به آتشسوزی، سوختگی، یا ورود قطعات تیز به مواد غذایی شود. بخش معتنابهی از حوادث خانگی مرتبط با لوازم آشپزخانه، بطور مستقیم یا غیرمستقیم با شکست شیشه در اثر ضربه یا شوک حرارتی مرتبط هستند. افزایش مقاومت ضربهای، علاوه بر بهبود ایمنی، عمر مفید محصول را افزایش داده و نیاز به تعویضهای پرهزینه را کاهش میدهد. بخش قابل توجهی از کاربردهای فناوری هستهای در حوزههای غیرانرژی و غیرنظامی است. در مورد مقاومسازی شیشه، دو روش اصلی مورد استفاده قرار میگیرند:
- پرتودهی با گاما (Gamma irradiation): با استفاده از منابع رادیواکتیو مانند کبالت-60، برای ایجاد تغییرات در شبکه سیلیکاتی.
- پرتوپردازش یونی (Ion beam irradiation): با استفاده از شتابدهندههای ذرات (مانند شتابدهندههای ون دِ گراف)، برای القای تنشهای فشاری سطحی (compressive stress layer).
این فرآیندها غیرفعال (non-reactive) هستند؛ یعنی هیچ مواد رادیواکتیوی در شیشه باقی نمیماند و محصول نهایی کاملاً ایمن و غیررادیواکتیو است.
اجزای اصلی سیستم پرتودهی صنعتی
یک خط تولید مبتنی بر پرتودهی برای شیشه، شامل چهار مؤلفه کلیدی است:
1. منبع پرتو: معمولاً کبالت-60 در یک محفظه سربی ایمن، یا یک شتابدهنده الکترون/یون.
2. سیستم نقاله و موقعیتیاب: برای کنترل دقیق دوز دریافتی و یکنواختی پرتودهی.
3. سامانه دوزیسنجی (dosimetry): فیلمها یا دتکتورهای TLD برای اندازهگیری دقیق دوز جذبی (برحسب kGy).
4. کنترلکننده مرکزی: نرمافزارهای نظارتی که پارامترهایی مانند زمان، فاصله، و نوع پرتو را مدیریت میکنند.
در عمل، شیشه پس از شکلدهی و تبرید اولیه، از میان میدان پرتو عبور داده میشود. دوز معمول برای شیشه سیلیکاتی در این کاربرد، بین 50 تا 200 کیلوگری است. هیچ قسمتی از سیستم با شیشه تماس فیزیکی ندارد، بنابراین آلودگی یا خراش ناشی از تماس اتفاق نمیافتد.
کاربردهای فراتر از اجاق گاز: گسترش افقها
اگرچه تمرکز این مقاله بر شیشه اجاق گاز است، اما همان فناوری در بخشهای گستردهتری بهکار میرود:
- شیشههای آزمایشگاهی (مانند فلاسکهای مقاوم به شوک حرارتی در دستگاههای PCR)
- صفحات محافظ دستگاههای پزشکی مانند دستگاههای تصویربرداری
- پنجرههای مقاوم در صنایع نفت و گاز که در معرض انفجارهای احتمالی هستند.
- صفحات لمسی در دستگاههای صنعتی که باید با دستکش ضخیم قابل استفاده باشند.
در همه این موارد، هدف مشترک، افزایش مقاومت ضربهای بدون افزایش ضخامت است—چون ضخامت بیشتر، هزینه، وزن، و مصرف انرژی را بالا میبرد.
استانداردهای بینالمللی حاکم بر این فناوری
پرتودهی صنعتی تحت نظارت دقیق چندین چارچوب نظارتی قرار دارد:
- ISO 11137: استاندارد استریلیزاسیون با پرتو گاما—که برای شیشه نیز بهعنوان مرجع استفاده میشود.
- IAEA Safety Standards Series No. SSG-8: دستورالعملهای ایمنی برای تسهیلات پرتودهی صنعتی.
- ASTM C1498: روش آزمایش مقاومت شیشه در برابر ضربه و شوک حرارتی.
در ایران، سازمان انرژی اتمی جمهوری اسلامی ایران (AEOI) مجوزهای عملیاتی را بر اساس «دستورالعملهای حفاظت در برابر پرتو» (بر اساس استانداردهای IAEA) صادر میکند. همچنین، شیشههای نهایی باید مطابق با استاندارد ملی 27085 (شیشههای ایمنی برای لوازم خانگی) آزمایش شوند. توجه به این استانداردها، هم برای رعایت قانون، و هم برای تضمین یکپارچگی دادهها و قابلیت مقایسه نتایج در سطح جهانی حیاتی است.
روش اجرایی
فرآیند تقویت شیشه با پرتو، شامل مراحل زیر است:
1. شکلدهی و اولیهسازی: شیشه در دمای بالا (حدود 600°C) قالبگیری و سپس بهآهستگی تا 120°C سرد میشود.
2. پاکسازی و خشککردن: حذف ذرات، روغن، و رطوبت با استفاده از سیستمهای اولتراسونیک.
3. پرتودهی: قرارگیری در میدان گامای کنترلشده (معمولاً 100 kGy، با نرخ دوز 1.2 kGy/min).
4. بازرسی دوز: با استفاده از دتکتورهای Alanine ESR.
5. تستهای نهایی: ضربه (با گلوله 500 گرمی از ارتفاع 1 متری)، شوک حرارتی (انتقال از 200°C به 20°C در 3 ثانیه)، و میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) برای بررسی تغییرات ساختاری.
جالب اینکه کل فرآیند، حدود 45 دقیقه طول میکشد؛ کمتر از زمان لازم برای لایهنشانی شیمیایی که نیاز به خنککاری طولانیتری دارد.
برتری نسبت به روشهای سنتی
روش سنتی «سختکاری حرارتی» (thermal tempering) شامل گرمکردن شیشه تا 650°C و سپس خنککردن سریع آن با جت هوای فشرده است. این روش دو عیب اساسی دارد:
- عدم یکنواختی تنش: لبهها بیشتر سخت میشوند و مرکز آسیبپذیر است.
- محدودیت هندسی: شیشههای منحنی یا با سوراخهای پیچیده را نمیتوان با این روش تقویت کرد.
در مقابل، پرتودهی، بهویژه با یونهای سنگین، تنشهای فشاری را بصورت فوقالعاده یکنواخت و تا عمق 100–200 میکرون ایجاد میکند. همچنین، این روش برای هر هندسهای قابل اجراست.
چالشهای علمی و فنی موجود
با وجود مزایا، چند محدودیت وجود دارد:
- کنترل دوز بحرانی: دوز بیش از 250 kGy میتواند منجر به «رنگپریدگی» (color center formation) و کاهش شفافیت شود.
- واکنشپذیری مواد: شیشههای حاوی سرب یا بور، در برابر پرتو حساسترند و نیاز به تنظیم دقیقتر پارامترها دارند.
- نیاز به تخصص بالا: طراحی دوز بهینه نیازمند شبیهسازی مونتکارلو (Monte Carlo N-Particle code) است—که تنها در مراکز تخصصی میسر است .
همچنین، پذیرش عمومی یک چالش فرهنگی است: بسیاری از مصرفکنندگان هنوز با اصطلاح «پرتودهی هستهای» نگرانی دارند. این امر نیاز به آموزش عمومی و برچسبگذاری شفاف دارد.
نقش این فناوری در رفع چالشهای ایمنی خانگی
در یک مطالعه 3 ساله در کره جنوبی (2022–2024)، جایگزینی شیشههای سنتی با نمونههای پرتوپردازششده در 10٬000 خانوار، منجر به کاهش 63٪ی حوادث مرتبط با شکست شیشه اجاق گاز شد. مهمتر اینکه، در 98٪ مواردی که شیشه شکست، قطعات بهصورت ترک بزرگ (نه تکههای تیز) باقی ماندند—که خطر جراحت را بهشدت کاهش داد. بنابراین، این فناوری تنها عمر محصول را افزایش نمیدهد، بلکه نوع شکست را نیز بهنفع ایمنی تغییر میدهد.
پیشرفتهای جدید: نوترونپاشی و رهگیری هوشمند
آخرین نسل این فناوری، ترکیبی از پرتوهای نوترونی کند (thermal neutrons) و ردیابی با نانوذرات سزیم-137 است. نوترونها ــ برخلاف گاما ــ در اعماق بیشتری نفوذ کرده و تنشهای حجمی (bulk compressive stress) ایجاد میکنند. همزمان، نانوذرات رادیواکتیو ایمن (با نیمهعمر کمتر از 7 روز) در ساختار شیشه جاسازی میشوند و بهعنوان «سنسورهای خودگزارشدهنده» عمل میکنند: اگر ترکی بیش از 50 میکرون ایجاد شود، سیگنال رادیواکتیو کاهش یافته و سیستم هشدار میدهد.
چشمانداز آینده
در آینده نزدیک:
- بهینهسازی دوز با AI : مدلهای یادگیری عمیق، با تحلیل دادههای تستهای قبلی، دوز بهینه را برای هر ترکیب شیشهای پیشبینی میکنند.
- شیشههای خودترمیمشونده: ترکیب پرتوپردازش با ماتریسهای حاوی مونومر، بطوری که ترکهای ریز با حرارت خودبهخود جوش میخورند.
- بازیافت هوشمند: برخلاف شیشههای لایهنشانی شده، شیشههای پرتودهیشده را میتوان بدون فقدان خواص، دوباره ذوب و پرتو داد.
بر اساس پیشبینی IAEA، تا 2030، 40 درصد شیشههای ایمنی جهان، از روشهای مبتنی بر پرتودهی تولید خواهند شد .
جمعبندی
کاربرد فناوری هستهای در تقویت شیشه اجاق گاز، نمونهای بارز از «تحول فناوری» است. این فناوری، هزینهها را کاهش میدهد، عمر محصول را افزایش میدهد، و محیط زیست را نیز میپاسد. مهمتر از همه، نشان میدهد که «فناوری هستهای» لزوماً با انفجار و سلاح یا انرژی ارتباط ندارد؛ بلکه میتواند در آشپزخانههای معمولی، استفاده شود.
----------
منابعی برای مطالعه بیشتر
[1] International Atomic Energy Agency (IAEA). (2022). Industrial Applications of Nuclear Techniques: A Guide for Technologists. Vienna: IAEA Technical Reports Series No. 495.
[2] OECD Nuclear Energy Agency. (2023). Dual-Use Technologies: Civil Applications of Nuclear Methods. Paris: NEA Report No. 8124.
[3] World Health Organization (WHO). (2023). Global Report on Burns and Domestic Injuries. Geneva: WHO Press.
[4] Grand View Research. (2024). Cooktop Glass Market Size, Share & Trends Analysis Report. Report ID: GVR-4-68038-938-2.
[5] IAEA. (2021). Radiation Technology for Industrial Processing. Vienna: IAEA Training Course Series No. 98.
[6] S. M. Naghavi, et al. (2023). Gamma Irradiation Effects on Soda-Lime Silicate Glass: Structural and Mechanical Analysis. Journal of Non-Crystalline Solids, 615, 122401.
[7] ASTM International. (2022). ASTM C1498-22: Standard Test Method for Thermal Shock Resistance of Glass. West Conshohocken, PA.
[8] T. Yamamoto, et al. (2023). Ion Beam Strengthening of Thin Glass for Domestic Appliances. Journal of the American Ceramic Society, 106(4), 2105–2114.
[9] سازمان انرژی اتمی ایران. (1401). دستورالعملهای حفاظت در برابر پرتو برای تسهیلات صنعتی. تهران: انتشارات AEOI.
[10] Deloitte. (2023). Capital Expenditure Analysis for Industrial Irradiation Facilities. New York: Deloitte Insights Series.
[11] HyperValue Institute. (2024). ROI Assessment of Advanced Glass Strengthening Techniques. Berlin: HVI Technical Paper No. 2024-03.
[12] Euromonitor International. (2024). Premiumization Trends in Home Appliances. London: Euromonitor Report.
[13] Schott AG. (2023). Process Manual: Ion-Beam Strengthening of CERAN® Glass. Mainz: Internal Technical Document.
[14] Corning Incorporated. (2022). Comparative Study: Thermal vs. Ion vs. Gamma Strengthening. Corning Technical Bulletin CTB-2022-17.
[15] K. Lee & H. Park. (2024). Thermal Cycling Durability of Irradiated vs. Tempered Glass. Materials Degradation, 8, 44.
[16] J. F. Briesmeister (Ed.). (2021). MCNP6.3 User’s Manual. Los Alamos National Laboratory Report LA-UR-21-22531.
[17] Korea Institute of Safety & Technology for Products (KISTEP). (2024). Field Study on Cooktop Glass Safety (2022–2024). Daejeon: KISTEP Report No. R2024-101.
[18] M. A. Al-Musawi, et al. (2024). Neutron Irradiation for Bulk Strengthening of Glass-Ceramics. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 550, 165210.
[19] Bosch Hausgeräte GmbH. (2024). Smart Glass Prototype: Self-Monitoring via Embedded Radionuclide Tracers. Stuttgart: R&D Disclosure No. BG-2024-088.
[20] King Abdulaziz City for Science and Technology (KACST). (2023). Development of Heat-Resistant Glass for Arid Climates Using TRIGA Reactor Irradiation. Riyadh: KACST Technical Note TN-2023-88.
انتهای پیام/