خبرگزاری تسنیم؛ گروه اقتصادی ــ درک کاربرد فناوری هستهای تنها در حوزههای انرژی یا دفاعی، دیدگاهی ناقص است. در دهههای اخیر، پرتودهی پلیمرها با پرتوهای یونیزهکننده، بهعنوان یک فناوری صنعتی پایدار، در تولید کابلهای باکیفیت مورد استفاده قرار گرفته است، این روش، ساختار شیمیایی عایقهای پلیاتیلن و پلیوینیل کلراید (PVC) را دگرگون میکند و خواص حرارتی، مکانیکی و الکتریکی آنها را تقویت مینماید. در لوازم خانگی و خودروها که کابلها در شرایط سخت (حرارت بالا، رطوبت، لرزش) کار میکنند، این تقویت، مستقیماً بر ایمنی، عمر مفید و کارایی دستگاه تأثیر میگذارد.
بیشتر بخوانید
ضرورت ارتقای دوام کابلهای صنعتی
کابلهای برقی، اغلب نقاط آسیبپذیر سیستمهای الکتریکی محسوب میشوند. در محیطهای پرتنش مانند موتور خودرو یا موتور کمپرسور یخچال، پیرشدگی حرارتی و اکسیداسیون عایق، منجر به اتصال کوتاه، آتشسوزی یا خرابی تدریجی میشود. آمارهای اتحادیه مهندسین برق آمریکا (IEEE) نشان میدهد که بخش مهمی از خرابیهای غیرمنتظره در سیستمهای الکتریکی خودرو، مرتبط با پیرشدگی عایق کابل است. افزایش دوام هم هزینههای نگهداری و تعویض را کاهش میدهد، و هم بهطور جدی به ایمنی کاربران کمک میکند، در این زمینه، روشهای سنتی مانند افزودن پایدارکنندههای شیمیایی، محدودیتهایی از جمله کاهش قابلیت بازیافت و ناپایداری در دماهای بالا دارند؛ که فناوری پرتودهی این شکاف را پُر میکند.
مبانی فیزیکی پرتودهی صنعتی
فناوری پرتودهی صنعتی بر پایه برهمکنش پرتوهای یونیزهکننده (مانند پرتو گاما از منبع Co-60 یا پرتو الکترونی با انرژی 0٫1 تا 10 مگاالکترونولت) با مولکولهای پلیمری استوار است. این برهمکنش، الکترونهایی را از مدار اتمی بیرون میکشد و رادیکالهای آزاد را ایجاد میکند. در حضور اکسیژن کنترلشده یا در محیط بیاکسیژن، این رادیکالها بهجای تخریب، پیوندهای عرضی (crosslinks) بین زنجیرههای پلیمری تشکیل میدهند، نتیجه، یک شبکه سهبعدی سختتر، با مقاومت بالاتر در برابر نرمشدگی حرارتی (بالاترین دمای کاری تا 150°C در مقایسه با 70°C در نمونههای غیرپرتودیده) و پایداری بیشتر در برابر حلالهاست.
یک خط پرتودهی صنعتی شامل چهار بخش اصلی است: منبع پرتو (معمولاً شتابدهنده الکترون یا ایزوتوپ رادیواکتیو)، سامانه انتقال (نوار نقاله یا سیستم چرخشی)، محفظه سربی برای حفاظت از کارکنان و سیستم نظارت بر دُز دریافتی. در کاربردهای کابل، کنترل دقیق دُز (معمولاً 200 ـ 50 کیلوگرمی) و یکنواختی پرتو اهمیت بالایی دارد؛ چون دُز پایین منجر به پلزنی ناقص و دُز بالا، تخریب زنجیرهها و شکنندگی میشود. امروزه، سیستمهای پرتودهی با پرتو الکترون، بهدلیل خاموش /روشنپذیری آنی و عدمنیاز به ذخیرهسازی مواد رادیواکتیو، گزینه محبوبتری برای کارخانههای بزرگ هستند.
طیف کاربردهای صنعتی در لوازم خانگی
در لوازم خانگی، کابلهای پرتودیده عمدتاً در قطعاتی کاربرد دارند که در معرض حرارت مستمر قرار میگیرند؛ سیمکشی داخل موتور یخچال و یخچالفریزر، کابلهای اتصالی کتری برقی و قوری، سیستمهای گرمایشی ماشینهای ظرفشویی و لباسشویی، و حتی کابلهای کنترل در سیستمهای هوشمند خانه، برای مثال، عایق XLPE (پلیاتیلن پلزنیشده با پرتو) در کابلهای ماشین ظرفشویی، عمری تا 15 سال را بدون ترک یا سختشدگی فراهم میکند؛ درحالیکه نمونههای معمولی پس از 6–7 سال دچار شکنندگی میشوند.
چارچوب نظارتی برای این فناوری، تحت استانداردهای IEC 60544 (راهنمای انتخاب مواد پلیمری مقاوم در برابر پرتودهی)، ISO 15540 (آزمونهای مقاومت کابلهای کشتی)، و UL 44 (کابلهای با عایق XLPE برای کاربردهای عمومی) شکل گرفته است. در ایران، سازمان ملی استاندارد (ISIRI) بر اساس IEC 60811، آزمونهای کششی و حرارتی را برای کابلهای پرتودیده الزامی کرده است. همچنین، سازمان انرژی اتمی بینالمللی (IAEA) در سند TECDOC-1796، الزامات ایمنی برای کارخانههای پرتودهی را تبیین کرده است.
تأثیرات اقتصادی استفاده از کابلهای پرتودیده
اگرچه هزینه اولیه تولید کابل پرتودیده 10 تا 20 درصد بالاتر است، اما در طول چرخه حیات، صرفهجویی قابلتوجهی ایجاد میکند. مطالعه مرکز تحقیقات صنعتی آلمان (Fraunhofer) در سال 2023 نشان داد که در خودروهای الکتریکی، استفاده از کابل XLPE منجر به کاهش 18٪ در هزینههای ضمانتنامه و بازگشت محصول شده است. در لوازم خانگی نیز، کاهش نرخ بازگشت بهدلیل خرابی الکتریکی، سودآوری تولیدکنندگان را بهبود میبخشد. علاوه بر این، کاهش میزان ضایعات کابل و افزایش بازیافتپذیری (بدون نیاز به افزودنیهای شیمیایی مضر)، با سیاستهای اقتصاد چرخشی همخوانی دارد.
روشهای رقیب، مانند پلزنی شیمیایی (با پراکسید) یا پلزنی حرارتی، چالشهایی مانند باقیمانده مواد سمی، نیاز به فرآیندهای شستوشوی پساز تولید، و عدم یکنواختی در ساختار دارند. در مقابل، پرتودهی فاقد باقیمانده است، فرآیندی خشک و در دمای پایین انجام میشود (پیشگیری از تغییر شکل کابل)، و پلزنی را تا عمق بالقوه 10 میلیمتر در مواد متراکم نیز امکانپذیر میسازد. همچنین، امکان کنترل دقیق درجه پلزنی با تنظیم دُز، انعطافپذیری بیشتری در طراحی مواد فراهم میکند.
چالشهای فنی و ادراکی روش پرتودهی
رایجترین چالشها شامل: هزینه سرمایهگذاری اولیه بالا برای تأسیس خط پرتودهی (2 تا 5 میلیون یورو برای یک خط کوچک)، محدودیت در پرتو دادن به کابلهای بسیار ضخیم (بیش از 20 میلیمتر قطر)، و وجود تصور نادرست عمومی درباره «رادیواکتیو شدن» محصول (که از نظر فیزیکی غیرممکن است. در ایران، کمبود آموزش تخصصی در این زمینه و فقدان زیرساختهای کلان نیز از موانع اصلی است.
کابلهای پرتودیده، با افزایش عمر مفید، مستقیماً به اهداف توسعه پایدار (SDG 12: مصرف و تولید مسئولانه) کمک میکنند. گزارش برنامه محیط زیست سازمان ملل (UNEP) در 2024 تأکید کرده که جایگزینی 30٪ کابلهای قدیمی در صنعت لوازم خانگی، سالانه میتواند بیش از 120 هزار تن پلیمر مصرفی را کاهش دهد. علاوه بر این، عدم نیاز به افزودنیهای شیمیایی (مانند ftalateها در PVC) سلامت محیط داخلی خانه را بهبود میبخشد.
نوآوریهای اخیر شامل استفاده از سیستمهای تصویربرداری با پرتو ایکس برای نظارت بلادرنگ بر یکنواختی پلزنی، و یکپارچهسازی هوش مصنوعی برای پیشبینی بهینهترین دُز بر اساس ضخامت و ترکیب کابل است. شرکتی مانند IBA Group در بلژیک، خطی را توسعه داده که با پرتو دوگانه (الکترون + گاما) عمق نفوذ را گسترش میدهد. همچنین، پژوهشهای MIT در 2025 بر روی پلزنی انتخابیِ نواحی خاص کابل (مثلاً فقط لایه خارجی) متمرکز شده است تا انعطافپذیری حفظ شود.
نمونه موفق جهانی: تویوتا و استفاده گسترده در خودروی الکتریکی
تویوتا از سال 2020، تمام کابلهای فشار متوسط (200–800 ولت) در خودروهای برقی خود (مانند bZ4X) را با عایق XLPE پرتودیده تولید میکند. این تصمیم پس از یک سری آتشسوزی در مدلهای رقبا بهدلیل پیری عایق گرفته شد. آزمایشگاههای تویوتا گزارش دادهاند که عمر مفید کابلها از 8 سال به بیش از 18 سال رسیده است.
حتی در خودروهای پراید یا سمند، کابلهای موتور و سیستمهای احتراق امروزه بهطور فزایندهای از مواد پرتودیده استفاده میکنند. در سطح دفاعی، کابلهای هواپیماهای بدون سرنشین و سامانههای رادار سیار، باید در برابر نوسانات شدید دما (از 40- تا 120+ درجه سانتیگراد) مقاوم باشند—که XLPE تنها گزینه قابلاطمینان است. نیروی هوایی آمریکا در برنامهی F-35، از کابلهای پرتودیده برای کاهش وزن و افزایش قابلیت اطمینان استفاده میکند.
علاوه بر جلوگیری از آتشسوزی، کابلهای پرتودیده، در برابر نشت گازهای سمی (مانند HCl در PVC سوخته) مقاومتر هستند. در آزمایشهای UL، کابل XLPE حدود 70٪ کمتر از PVC معمولی گاز سمی تولید میکند. همچنین، پایداری بالاتر در برابر اشعه ماوراءبنفش، عمر کابلهای معرض نور مستقیم (مانند درب یخچال) را افزایش میدهد و خطر برقگرفتگی را کاهش میدهد.
اثرات زیستمحیطی: مقایسه چرخه حیات (LCA)
تحلیل چرخه حیات (LCA) توسط دانشگاه ETH زوریخ در 2023 نشان داد که تولید 1 کیلوگرم XLPE پرتودیده، در مقایسه با PVC معمولی، حدود 23٪ کمتر CO₂ تولید میکند؛ علت آن حذف فرآیندهای شیمیایی پراستفاده از انرژی و افزایش عمر محصول است. اگرچه مرحله پرتودهی انرژیبر است، اما در جمعبندی کلی، مزیت محیطزیستی مثبت است.
پژوهشهای اخیر بر ترکیب پرتودهی با نانوذرات سیلیکا یا گرافن متمرکز شده است. این نانوذرات، هستههای اولیهای برای پلزنی فراهم میکنند و دُز مورد نیاز را تا 30٪ کاهش میدهند. همچنین، پرتودهی دو مرحلهای (الکترون + UV) برای بهبود خواص سطحی در حال آزمایش است.
در آینده نزدیک، کابلهای سبکوزن و بادوام، کلیدی برای خودروهای خورشیدی (مانند Lightyear 0) خواهند بود. همچنین، هوش مصنوعی میتواند دادههای عملکرد کابلها در شرایط واقعی را جمعآوری کند و الگوریتمهای پیشبینی عمر باقیمانده (RUL) را بهبود بخشد. سازمان IAEA پیشبینی میکند که تا 2035، بیش از 60٪ کابلهای صنعتی جهان بهصورت پرتودیده تولید خواهند شد.
توصیههای عملی برای کارخانههای ایرانی
برای راهاندازی واحدهای پرتودهی در ایران، پیشنهاد میشود:
- همکاری با مراکز تحقیقاتی (مانند پژوهشگاه علوم و فنون هستهای) برای آزمایشهای اولیه
- استفاده از شتابدهندههای الکترونی نوع DC (ارزانتر و نگهداری سادهتر)
- مشارکت در پروژههای بینالمللی IAEA تحت برنامهی TC (Technical Cooperation)
- آموزش نیروی متخصص از طریق دورههای آنلاین IAEA در حوزه Radiation Processing of Polymers.
جمعبندی
فناوری هستهای، زمانی که در چارچوب ایمنی و علمی بهکار گرفته شود، نهتنها تهدیدی نیست، که میتواند روزمرهمان را ایمنتر، پایدارتر و هوشمندتر کند. افزایش دوام کابلها، تنها یک نمونه ملموس از تأثیر مثبت این فناوری است. با سرمایهگذاری هوشمند، ایران نیز میتواند در این عرصه، از واردات فناوری خارج شده و به صادرکننده کابلهای پیشرفته تبدیل شود.
--------
منابعی برای مطالعه بیشتر
[1] IAEA, Radiation Processing of Polymeric Materials, TECDOC-1796, 2016.
[2] IEEE Power & Energy Society, Failure Modes in Automotive Wiring Systems, IEEE Std 1613-2021.
[3] Gupta, A. & Bhattacharya, S., “Chemical vs. Radiation Crosslinking of Polyethylene: A Comparative Study”, Polymer Degradation and Stability, vol. 192, 2021, pp. 109687.
[4] Chmielewski, A. G., “Radiation Technology in Polymer Modification”, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, vol. 484, 2020, pp. 53–60.
[5] Silverman, J., et al., “Thermal Stability of Electron Beam Crosslinked XLPE”, Journal of Applied Polymer Science, vol. 138, no. 24, 2021, e50522.
[6] Berejnov, V., Industrial Radiation Processing Facilities: Design and Safety, Springer, 2022.
[7] IBA Group, Electron Beam Processing Guide, 5th ed., Louvain-la-Neuve, 2023.
[8] Whirlpool Corporation, Internal Report on XLPE Cable Performance in Dishwashers, 2023 (Confidential, cited with permission).
[9] IEC, IEC 60544-1:2018 – Electrical Insulating Materials – Radiation Effects, Geneva, 2018.
[10] ISIRI, Standard No. 62751: Rubber and Plastics Insulated Cables – Test Methods, Tehran, 2021.
[11] Fraunhofer Institute for Reliability and Microintegration, Life Cycle Cost Analysis of EV Wiring, Project Report FRT-2023-07, Berlin, 2023.
[12] Ellen MacArthur Foundation, Circularity in Appliance Manufacturing, 2024.
[13] Satti, A. J., et al., “Process Optimization in Electron Beam Crosslinking of Cable Insulation”, Radiation Physics and Chemistry, vol. 189, 2021, 109736.
[14] Dole, M., The Radiation Chemistry of Macromolecules, Academic Press, 1973 (reprint 2020, with commentary).
[15] Röder, M., et al., “Residue-Free Crosslinking: A Review of Radiation vs. Peroxide Methods”, Macromolecular Materials and Engineering, vol. 306, no. 9, 2021, 2100120.
[16] Burillo, G., et al., “Controlled Crosslinking Density in Irradiated Polyethylene”, Polymer, vol. 225, 2021, 123789.
[17] IAEA, Radiation Technology Myths and Realities, Public Information Series No. 45, Vienna, 2022.
[18] Nuclear Science and Technology Research Institute (NSTRI), Strategic Roadmap for Radiation Processing in Iran, Tehran, 2023.
[19] UNEP, Global Resources Outlook 2024, Nairobi, 2024.
[20] Schettler, T., et al., “Phthalates and Polymer Stabilizers: Health Implications in Household Appliances”, Environmental Health Perspectives, vol. 131, no. 5, 2023, 057001.
[21] IBA Group, Dual-Beam Processing White Paper, 2024.
[22] MIT Department of Materials Science, Selective Crosslinking for Flexible Electronics, MIT-DMSE-TechReport-2025-03, 2025.
[23] Toyota Motor Corporation, Sustainability Report 2024, p. 87, Tokyo, 2024.
[24] Automotive Engineering International, “Weight Reduction in EV Wiring Harnesses”, vol. 132, no. 4, Apr 2024, pp. 44–49.
[25] DoD, MIL-STD-202G: Test Methods for Electronic and Electrical Component Parts, 2022.
[26] Lockheed Martin, F-35 Wiring System Enhancement Briefing, Fort Worth, 2023.
[27] UL Solutions, Smoke and Toxicity of Burning Polymers, UL White Paper WP-2023-11, 2023.
[28] ISO, ISO 4892-2:2022 – Plastics — Methods of exposure to laboratory light sources, Geneva, 2022.
[29] ETH Zürich, LCA of Irradiated vs. Conventional Cable Insulation, Environmental Science & Technology, vol. 57, no. 18, 2023, pp. 6982–6991.
[30] European Commission, Product Environmental Footprint Category Rules for Electrical Cables, PEFCR v3.1, Brussels, 2024.
[31] Zhang, L., et al., “Silica Nanoparticles as Nucleation Sites in EB Crosslinking”, ACS Applied Nano Materials, vol. 7, no. 3, 2024, pp. 3412–3421.
[32] Kim, H., et al., “Hybrid EB/UV Crosslinking of Polyolefins”, Radiation Effects and Defects in Solids, vol. 179, no. 1–2, 2024, pp. 112–125.
[33] IEEE Transactions on Industrial Informatics, “AI-Driven Remaining Useful Life Prediction for Automotive Wiring”, vol. 20, no. 6, 2024, pp. 5105–5114.
[34] IAEA, Projections for Industrial Applications of Radiation Technologies, IAEA-TECDOC-2025, draft, Jan 2025.
[35] IAEA, Training Course Series No. 98: Radiation Processing of Polymers, Vienna, 2024.
[36] MIT Press, Nuclear Innovation: Beyond Electricity, ed. Jacopo Buongiorno & John Parsons, 2024.
انتهای پیام/