PDF - ABBY Fine Reader - Save As MS Word - Open
PEACEFUL NUCLEAR EXPLOSIONS
S. A. NOVIKOV
More than half a century has passed since the first nuclear explosion... At present very different opinions exist on role and prospects of explosive nuclear energy in the modern world. The basic problems of nuclear explosion applications, which have been in the focus of leading nuclear countries for the past period: nuclear explosions for industry, for scientific research, and for power engineering are considered.
Более полувека прошло с момента первого ядерного взрыва... В настоящее время существуют самые разные точки зрения на роль и перспективы взрывной ядерной энергии в современном мире. В статье рассмотрены основные вопросы мирного использования ядерных взрывов, которым за истекший период уделялось большое внимание в ведущих ядерных державах: ядерные взрывы для промышленности, научных исследований и энергетики.
МИРНЫЕ ЯДЕРНЫЕ ВЗРЫВЫ
С. А. НОВИКОВ
Филиал № 4 Московского инженерно-физического института,
Саров Нижегородской обл.
Огромная разрушительная сила ядерных зарядов издавна вызывает негативное отношение к ним у абсолютного большинства населения Земли. Страх перед возможным применением ядерных зарядов в военных конфликтах, характерных для современного, еще недостаточно стабильного мира, склоняет общественное мнение в пользу полного запрещения ядерного оружия и уничтожения всего запаса урана–235 и плутония. Средства массовой информации уже давно обсуждают роль и перспективы ядерного оружия в современном мире.
В научно-популярном журнале «Атом», созданном в 1994 году по инициативе ученых-атомщиков Российского федерального ядерного центра (РФЯЦ) Арзамас–16 (ныне Саров), достаточно часто публикуются статьи на эту тему известных российских ученых, непосредственных разработчиков самого мощного оружия XX века. Фотография обложки первого номера журнала «Атом» представлена на рис. 1. В обращении к читателям на первой странице этого номера редакция, в частности, писала:
Рис. 1. Обложка первого номера журнала «Атом»
«Мы хотим, чтобы ядерный гриб на обложке первого номера нашего научно-популярного журнала символизировал также и тот факт, что ядерный взрыв является уникальным инструментом для проведения фундаментальных исследований в современной физике. Фигуры героев Сервантеса должны символизировать подвижничество и романтику создателей отечественного атомного оружия».
Могут ли ядерные взрывы быть полезными для человечества? Этой проблеме уделяется большое внимание на страницах журнала.
В настоящей статье автор, будучи главным редактором журнала «Атом», свидетелем и участником ряда таких работ, попытался кратко обобщить эти публикации. Не будем касаться политических вопросов типа: является ли ядерное оружие стабилизирующим фактором сохранения мира и т. п.? Рассмотрим три направления в мирном использовании ядерных взрывов: для промышленности; для научных исследований; для энергетики.
В работе использованы материалы опубликованных в журнале «Атом» статей известных ученых ядерных центров России (Саров и Снежинск) Б. В. Литвинова, В. Н. Мохова, С. Н. Холина, А. К. Чернышева, Е. К. Бонюшкина, Н. П. Волошина, Р. Ф. Тру – нина, Е. Г. Малыхина и др., а также материалы, опубликованные в 1997 году [1].
МИРНЫЕ ЯДЕРНЫЕ ВЗРЫВЫ ДЛЯ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Огромная энергия, выделяющаяся при ядерных взрывах, с самого начала работ над ядерным оружием приводила к мысли о ее использовании в мирных целях. Каждый килограмм термоядерного топлива способен в составе термоядерного устройства выделить энергию, эквивалентную взрыву 30 тыс. т взрывчатого вещества. Ядерный взрыв (ЯВ) такой мощности стоит около миллиона долларов. При дальнейшем увеличении мощности ядерного устройства в десятки и сотни раз его стоимость растет незначительно. Термоядерный взрыв сегодня – это самый мощный и в то же время самый дешевый источник энергии на Земле. Существующие возражения против технического применения ЯВ достаточно серьезны и обоснованны. В первую очередь они связаны с опасностью радиоактивного заражения окружающей среды и большим энерговыделением при ЯВ. Ведь ошибки при использовании ядерных зарядов (ЯЗ) даже при отсутствии радиоактивности могут привести к большим бедам именно из-за больших масштабов работ, производимых ЯВ.
Требования к мирным ЯЗ существенно отличаются от требований к боевым зарядам. С одной стороны, эти требования мягче, так как нет жестких условий на массу ЯЗ, форму (размещение в носителях), срок службы. А с другой – некоторые требования являются более высокими, например: по допустимому количеству образующихся при взрыве осколков деления, количеству остающихся несгоревшими плутония и трития, химическому составу конструкционных материалов и т. п. В боевых термоядерных зарядах примерно половина энергии выделяется в реакциях деления ядер урана и плутония с образованием соответствующего количества радиоактивных осколков деления. Это и является главным препятствием для использования таких зарядов в промышленности. Если бы вся энергия взрыва получалась в реакциях синтеза, то радиоактивность в основном определялась бы несгоревшим тритием и активацией нейтронами различных материалов заряда и окружающей среды. Такая наведенная радиоактивность могла бы стать в сотни раз меньшей, чем при взрыве боевого заряда. Делать ЯЗ, при взрыве которого будут полностью отсутствовать осколки деления, пока никто не умеет. Чистыми мирными термоядерными зарядами называют заряды, в которых основная доля энергии выделяется в термоядерных реакциях (>90%). Степенью чистоты такого заряда называют выраженное в процентах отношение энергии, полученной в реакциях синтеза, к полной энергии взрыва. Если, например, полная энергия составляет 100 кт тротилового эквивалента (т. э.), количество сгоревшего делящегося вещества равно 100 г, чему соответствует энерговыделение примерно 1,6 кт т. э., то чистота заряда
1 0 0 00 '6 = 0,984 = 98,4%.
Проведенная в российских ядерных центрах (ВНИИЭФ, Саров и ВНИИТФ, Снежинск) огромная работа больших коллективов теоретиков, математиков, конструкторов, экспериментаторов позволила создать чистые промышленные заряды, приступить к разработке проектов по их мирному применению и осуществить некоторые эксперименты.
Не менее важной проблемой для промышленного использования ЯВ является исследование его воздействия на окружающую заряд среду. Неопределенности знаний свойств веществ, окружающих ЯЗ, погрешности в их математическом описании могут привести к заметным ошибкам в прогнозировании действия ЯВ. Выделение огромной энергии ЯВ происходит чрезвычайно быстро и с такой интенсивностью, что менее чем за миллионную долю секунды (10"6 с) сам заряд и материал прилегающих к нему конструкций превращаются в горячую (с температурой до десятка миллионов градусов) плотную плазму. При подземном взрыве этот раздувающийся шар с гигантским давлением обрушивается на окружающую взрывную камеру горную породу, превращая ее в плотный, но менее горячий газ. Сжатие вещества достигает 4–5 раз. От центра взрыва распространяется мощная сферически расходящаяся ударная волна со скоростью десятков километров в секунду. Амплитуда ударной волны в горной породе столь велика, что на расстоянии нескольких сот метров от центра взрыва происходит интенсивное дробление горных пород. При выходе на земную поверхность ударная волна откалывает целые плиты горной породы толщиной до десятков-сотен метров шириной до нескольких километров. За тысячи километров от места взрыва, даже на противоположной стороне земного шара, эхо взрыва может быть зафиксировано как сейсмическое колебание земной коры. Давление вблизи ЯВ (речь идет о ЯЗ мощностью в несколько десятков килотонн тротилового эквивалента) достигает миллиарда атмосфер, что может сравниться с давлением внутри звезд. Поведение веществ при таких давлениях описывается численно квантово-меха – ническими закономерностями. Для теоретического описания свойств веществ при меньших давлениях (при удалении ударной волны от центра взрыва) требуется привлечение экспериментальных данных. Исследованиями ученых российских и американских ядерных лабораторий получены достоверные данные об уравнениях состояния1 многих веществ в широком диапазоне давлений.
Заявления официальных представителей СССР
0 необходимости исследования ЯВ в мирных целях прозвучали в 1949 году. В США на это обратили внимание в 1956 году. В течение 1957–1958 годов там была сформирована обширная программа проведения ЯВ в научных и промышленных целях «Project Plowshare» – «Плуг». В число грандиозных проектов с применением ЯВ входили прокладка еще одного Панамского канала, строительство огромной гавани на побережье Аляски и т. п. В интересах программы «Плуг» на полигоне в Неваде была проведена серия ядерных взрывов в разных грунтах, осуществлены широкие исследования по численному моделированию заглубленных ЯВ.
В СССР первый опытно-промышленный ЯВ на выброс был произведен на глубине 178 м 15 января 1965 года у реки Чаган, вблизи границы Семипалатинского ядерного полигона. Мощность взрыва была эквивалентна 140 кт т. э. Образовалась гигантская воронка глубиной до 100 м, диаметром ~ 410 м. Целью проведения взрыва было строительство водоема в засушливом районе. Этот водоем существует до сих пор. В нем появилась рыба, вода из водоема полностью пригодна для питья.
С помощью ЯВ в нашей стране интенсифицировали добычу нефти и газа, построили в толще соляных месторождений громадные сферические емкости для хранения нефти и газопродуктов, успешно производили геофизическую сейсморазведку. Успешными были взрывы по дроблению апатитовой руды на Кольском полуострове, при этом были реализованы методы вывода радиоактивности из раздробленной руды. Извлеченная руда была абсолютно чистой. Единственный маломощный ЯВ в угольной шахте в 5 км от города Енакиево на многие годы ликвидировал выбросы газов.
В ЯЗ подобного типа на одно из первых мест выходят такие требования, как малый диаметр, позволяющий опускать заряд в глубокие скважины, повышенная термостойкость заряда, позволяющая ему работать при высокой температуре на большой глубине, и способность выдерживать большие давления. Такие заряды были созданы в ядерных центрах России. Остановимся немного подробнее на ликвидации с помощью ЯВ мощного газового фонтана в Узбекистане на Урта-Булакском месторождении. 1 декабря 1963 года в одной из разведочных скважин возник открытый газовый фонтан высотой 70 м с объемом выбрасываемого газа 18 млн м2 в сутки. Из-за содержания метана и сероводорода этот фонтан представлял собой большую опасность для окружающей среды и был зажжен во избежание отравления людей и животных. Фонтан горел три года. Ежегодно сгорало столько газа, что его хватило бы для снабжения такого промышленного центра, как Екатеринбург. Попытки ликвидировать фонтан всеми обычными известными способами не привели к успеху. Физикам-ядерщикам было дано задание в кратчайшие сроки создать ЯЗ для перекрытия скважины, выдерживающий температуру 73° С на глубине 1,5 км. Схема глушения горящего газового фонтана приведена на рис. 2. Проведению взрыва предшествовали драматические ситуации, связанные с опусканием ЯЗ в скважину. Опыт прошел успешно: через несколько секунд после взрыва факел пламени погас навсегда.
Другой пример применения ЯВ еще не реализован, но его огромное значение для всего человечества уже отмечалось в итоговых документах нескольких международных симпозиумов. Речь идет о потенциальной опасности, угрожающей Земле из космоса, – о возможности столкновения нашей планеты с двумя типами объектов Солнечной системы: астероидами и кометами. (Если они попадают в атмосферу Земли, их называют метеоритами.) Известно около 100 астероидов размерами больше километра. Считается, что их полное число на порядок больше. Такое столкновение еще не означает конца света. История знает много примеров падения астероидов на Землю. При столкновении с астероидом диаметром 20 км можно ожидать образования кратера диаметром до 200 км. Падение подобного астероида 65 млн лет назад, по гипотезе Л. Альвареса (США, 1980 год), так изменило климат на Земле, что вызвало вымирание динозавров. Во всяком случае масштаб возможной катастрофы таков, что вряд ли следует успокаивать себя невысокой степенью ее вероятности. В 1966 году появился прогноз о возможности столкновения с Землей астероида Икар диаметром 0,5 км. Тогда же появилось предложение расстрелять его с помощью ракет с ядерными боеголовками.
Рис. 2. Схема глушения газового фонтана в Узбекистане в 1966 году
Предлагаются два способа воздействия на космические объекты, угрожающие нашей планете. Во-первых, с помощью ЯВ можно изменить траекторию полета астероида. Во-вторых, при точном попадании раздробить его. (При этом угроза падения на Землю осколков астероида, правда, остается, но значительно уменьшается уровень воздействия.) Так как расстояния до точки перехвата огромны из – за требований безопасности, то это накладывает жесткие требования к своевременному обнаружению опасных небесных тел и расчету их траекторий. Даже так называемый оперативный перехват, когда опасность замечена поздно, должен, по мнению ракетчиков, происходить за 30–90 суток до предполагаемого столкновения. Естественно, что для защиты от таких глобальных катастроф необходимо объединение всех ученых мира.
Наконец, еще один нереализованный, но практически разрабатывавшийся в свое время проект использования ЯВ – ядерный взрыволет, идея которого была высказана Андреем Дмитриевичем Сахаровым в 1962 году в Федеральном ядерном центре (Саров). Идея А. Д. Сахарова состояла в использовании ЯВ для вывода в космос огромного полезного веса. В двигательной установке предполагалось использовать энергию последовательных взрывов ЯЗ. Полезная нагрузка в 1000 т и более должна была обеспечивать экипажу многолетнее пребывание в космосе. Задача разработки такого взрыволет