Ядерные взрывы в мирных целях

Мы привели  здесь лишь некоторые из известных  примеров использования ЯВ в промышленности. К числу проблем, решаемых с помощью  ЯВ и имеющих (подобно астероидной  безопасности) общечеловеческое значение, могут быть отнесены, в частности, такие, как ликвидация высокоактивных отходов ядерной энергетики и ядерных силовых установок, а также ликвидация химического оружия и особо опасных химически токсичных материалов и отходов.

В рамках этих задач  ЯВ будут направлены на решение фундаментальных  экологических проблем и использованы для ликвидации различных видов оружия массового поражения. Разработка этих видов мирных ядерных технологий ведется в Российском федеральном ядерном центре с 1989 года.

ЯДЕРНЫЙ ВЗРЫВ - УНИКАЛЬНЫЙ ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

В ФИЗИКЕ

Излучение ЯВ для  накачки лазерных сред

Ядерный взрыв - это прежде всего гигантский импульсный источник проникающих ядерных излучений, в котором даже при самом скромном выделении энергии (не более 1 кт т.э.) за очень короткое время (10- 8-10- 7 с) рождается 1023-1024 нейтронов и гамма-квантов. В таких полях излучений могут проводиться исследования, недоступные ни для одной из современных лабораторных установок, например: изучаться ядерные реакции (в том числе на микроколичествах редких искусственных изотопов), проводиться эксперименты по образованию далеких трансурановых элементов. Огромная концентрация энергии при ЯВ позволяет проводить уникальные исследования в области физики высоких давлений и плотностей, также недоступные в лабораторных условиях.

Одно из интересных направлений - исследования лазерного  термоядерного синтеза. Для таких  исследований в некоторых странах  построены и действуют уникальные установки с лазерной энергией до нескольких десятков килоджоулей: "Искра-5" (ВНИИЭФ, Россия, Саров), "NOVA" (LLNL, США, Ливермор), "Gekko XII" (Япония), разрабатываются новые, более совершенные установки. Основная проблема - получение лазерной энергии в области сотен килоджоулей и даже мегаджоулей и, наконец, для воспламенения термоядерных мишеней, на которых сфокусировано излучение нескольких лазеров. При исследовании этой проблемы ЯВ может оказаться незаменимым источником импульсного гамма-излучения для накачки мощных газовых лазеров. Имеется в виду небольшой ЯВ - не более 1 кт, реализуемый с соблюдением существующих экологических норм. Высокие плотности гамма-излучения ((1-5) " 1016 гамма/см2 на расстоянии 5-10 м от источника) позволяют делать такой взрыв источником накачки больших объемов лазерных сред с высокой удельной мощностью (10-100 МВт/см3). Сравнительно малые размеры источника излучения обеспечивают высокую пространственную и временную симметрию. Это чрезвычайно важный фактор при конструировании многоканальных лазерных систем. Нетрудно убедиться, что при таких благоприятных условиях даже при весьма скромных значениях КПД (3-5% по вложенной энергии) представляется возможным создавать лазерные системы для исследования термодинамического синтеза с энергией в импульсе 105-106 джоулей.

Исследование  сжимаемости веществ

при высоких давлениях в ударных волнах

Изучение поведения  веществ при больших давлениях  при ударно-волновом сжатии имеет  большое научное и практическое значение. Теоретическая обработка  результатов таких исследований дает сведения об уравнении состояния  веществ при высоких давлениях, что весьма важно для решения некоторых проблем геофизики, астрофизики и других разделов науки. При воздействии сильных ударных волн в веществах происходят сложные физические процессы: сжатие кристаллической решетки, сопровождаемое тепловым возбуждением ядер и электронов, плавление, переход электронов на внутренние орбиты атома и т.п. Дальнейшее увеличение давления вызывает ионизацию атомов, возбуждение и обобществление электронов. Устанавливается некоторое осредненное состояние, при котором слабо проявляются индивидуальные свойства кристаллов. В этих работах особую роль приобретают экспериментальные методы исследования конденсированного вещества в сжатом состоянии. Широкие исследования в этом направлении были начаты в России и за рубежом в 40-х годах применительно к созданию ядерного оружия. Были разработаны специальные взрывные устройства, позволившие достигать в лабораторных экспериментах давлений до 2000 ГПа. Данные о поведении веществ при высоких давлениях, создаваемых с помощью этих устройств, получают при обработке результатов измерений параметров ударных волн в образцах из исследуемых материалов. Дальнейшее значительное увеличение давлений на фронте ударной волны (до 10 000 ГПа) было достигнуто при подземных ядерных испытаниях.

Экспериментальные сборки с исследуемыми образцами  и датчиками, регистрирующими параметры  ударных волн, располагаются в  грунте или скальных породах в  специальных нишах, на разных расстояниях  от эпицентра взрыва. В условиях одного взрыва, таким образом, можно осуществить измерения сжимаемости, охватывающие огромный диапазон давлений, - от типичных для лабораторного взрывного эксперимента до величин, в десятки-сотни раз превышающих его возможности. В качестве примера полученных в описываемых экспериментах результатов можно привести зависимости, иллюстрирующие отмеченное выше явление потери индивидуальности веществ при высоких давлениях. На рис. 4 показано изменение атомных объемов некоторых металлов в зависимости от давления. При нормальных условиях (Р = 0, Т = Т0) существует хорошо выраженная периодическая зависимость атомных объемов (Vат) элементов от атомного номера Z, которая отвечает последовательным заполнениям электронами энергетических уровней атомов. Периодичность этой зависимости определяется различием в поведении рыхлых структур (щелочные и щелочноземельные элементы со слабосвязанными электронами s-уровней) и плотноупакованных структур с большим числом электронов, заполняющих d-уровни (переходные металлы). С ростом давления происходит выравнивание атомных объемов элементов. При этом наибольшие изменения происходят у элементов с рыхлой структурой. При давлении 300 ГПа периодичность Vат(Z ) проявляется уже слабо, а при Р > 1000 ГПа (подземные ядерные взрывы) она практически исчезает.

Исследование  процесса разрушения материалов при быстром объемном разогреве проникающими излучениями ядерного взрыва

В зависимости  от спектра излучения, материала  и толщины облучаемой преграды при  действии излучений ЯВ может происходить  или интенсивный разогрев (и даже испарение) тонкого поверхностного слоя преграды, или ее объемный разогрев.

В первом случае разлет испаренного поверхностного слоя приводит к образованию распространяющейся внутри преграды ударной волны сжатия, во втором случае в ней возникают  две волны сжатия и расширения, амплитуда которых в области существования твердой фазы пропорциональна концентрации поглощенной энергии. Взаимодействие двух встречных волн последнего типа создает в материале растягивающие напряжения, приводящие к разрушению преграды (разрушение при взаимодействии волн называется отколом). Разрушение подобного вида может быть вызвано и воздействием излучения других физических установок (линейный электронный ускоритель), ударом высокоскоростного ударника в виде плоской пластины и взрывом слоя ВВ в контакте с исследуемым образцом. Применение для нагружения импульсных источников излучения позволяет проникнуть в область рекордно малых интервалов времени действия нагрузок (до 10-10 с), что предоставляет уникальные возможности изучения физической природы динамического разрушения материалов, знание которой имеет большое значение для прогнозирования работы установок, работающих при большом темпе ввода энергии (импульсные ускорители, реакторы и т.п.).

Проведенные исследования позволили выявить многие тонкие детали процесса импульсного разрушения разогретых материалов. Например, на рис. 5 приведена полученная в экспериментах с электронным ускорителем и ЯВ временная зависимость для процесса разрушения в координатах lg t -E(t)/(H + + L), где t - долговечность материала, E(t) - плотность поглощенной энергии, L - теплота плавления, H - энтальпия. Экспериментальные точки на рис. 5 соответствуют различным металлам. Из представленной зависимости следует замечательный вывод, что для всех исследованных металлов отношение Е к величине H + L для одинаковых значений долговечности практически совпадает, является некоторой константой [3].

ВЗРЫВНАЯ ЯДЕРНАЯ  ЭНЕРГЕТИКА

Человечество  переживает сейчас очень сложный  период: запасы ископаемых видов топлива  кончаются, количество населения резко возрастает_ Не приходится всерьез рассчитывать на альтернативные источники энергии (солнечная, геотермальная и т.п.). Они характеризуются малой плотностью энергии, затраты на ее концентрацию слишком велики. По существу не оправдываются надежды на энергию урана. Изотоп 235U составляет всего 0,7% от 2,6 млн т запасов природного урана. Энергосодержание этого количества 235U на порядок меньше, чем достоверных запасов нефти и газа. Энергозапасы 238U на порядок больше, чем у нефтегаза, но 238U требуется предварительно преобразовать в плутоний:

Скорость такого преобразования в обычных стационарных реакторах-размножителях не превышает 1% в год от заложенного 238U, то есть отдача энергии происходит слишком  медленно.

Но возможности  ядерной энергетики не исчерпаны. Кроме делящихся материалов, на которых работают современные АЭС, на Земле имеются практически неограниченные запасы дейтерия. Он может быть использован в термоядерных реакциях синтеза с выделением огромной энергии. Во всем мире ведутся исследования по освоению управляемого термоядерного синтеза (УТС). Но до практического использования УТС, по-видимому, еще очень далеко. Для реакции синтеза необходимы температура и плотность больше, чем на Солнце. В земных условиях из-за малого объема топлива необходимы еще большие температура и плотность, которые могут быть реализованы только в ядерном взрыве. Авторы [2] считают, что дейтериевая энергетика может быть только взрывной. Сегодня можно считать управляемыми только сравнительно мощные дейтериевые взрывы килотонного масштаба. Первые публикации и предложения о возможных испытаниях ядерных взрывов для целей энергетики появились практически одновременно с первыми испытаниями ядерных зарядов. Публикации русских ученых по вопросам энергетического применения ЯВ практически неизвестны. В 1977 году А.Д. Сахаров опубликовал в Нью-Йорке статью "Ядерная энергетика и свобода Запада", в которой он ссылался на некоторые исследования, выполненные во ВНИИЭФ (Саров). Суть предложения сводилась к "использованию термоядерных взрывов максимально малой мощности_ в большой подземной камере для наработки плутония, который затем сжигался бы в ядерных реакторах".

Во ВНИИЭФ в  начале 60-х годов были начаты расчетные  экспериментальные и конструкторские  работы, направленные на создание устройств для удержания энергии ЯВ. Автору настоящей статьи довелось участвовать в экспериментальных исследованиях по отработке замкнутых стальных камер, предназначенных для решения этой задачи. Проект не был завершен, но позволил получить уникальный экспериментальный материал о возможности осуществления достаточно мощных многоразовых взрывов в замкнутых камерах.

В последние  годы известными учеными ВНИИТФ (Снежинск) был предложен проект создания новой  установки для преобразования энергии  ЯВ, которую они назвали котлом взрывного сгорания (КВС). Предложенная концепция предполагает получение основной доли энергии за счет взрывов дейтерия, запасы которого практически неограниченны. Для зажигания дейтерия используется инициатор из плутония, который нарабатывается в реакции (1) за счет нейтронов, образующихся при горении дейтерия. Таких нейтронов образуется на два порядка больше, чем сгорает ядер плутония в инициаторе, поэтому получение делящихся материалов в количествах, значительно превышающих собственные потребности, не составит труда.

Одним из основных элементов КВС является прочный  стальной котел, в котором с определенной периодичностью производятся ЯВ. Тепловая мощность такого котла составит W = Q / t (Q - энерговыделение одного ЯВ, t - периодичность взрывов). Горячий теплоноситель (натрий, Т ї 550?С) содержится в нижней части камеры (прочный стальной цилиндр диаметром 130 м и высотой 250 м). За час ~ 200 тыс. т теплоносителя прокачивается через теплообменник, охлаждается до ~ 120?С и поступает в накопительные резервуары. Рабочее тело турбины нагревается в теплообменниках, вращает турбины, охлаждается и снова подается в теплообменник.

Объем камеры заполнен инертным газом. За несколько минут  до взрыва в нее вводится ЯЗ, за несколько  секунд натрий выпускается из накопительных резервуаров и летит вниз, образуя защитный слой между ЯЗ и корпусом камеры. После взрыва большая часть энергии передается газу в виде энергии ионизации, теплового движения и кинетической энергии массы газа. Последняя часть определяет механический импульс, воздействие которого должна выдержать стальная камера. Авторы считают, что реально спроектировать КВС с массой стали менее 1 млн т, в котором с периодичностью 1 ч можно будет проводить взрывы с энерговыделением 25 кт т.э. Мощность такой установки составит 25 ГВт.

Цитируемая книга [2] кончается словами: "Взрывная дейтериевая  энергетика возможна_ Она безопасна  экологически и экономична. В России есть научно-технический потенциал, способный, работая на старых рабочих  местах, убедить в этом мир_ Сделать это можно в первой пятилетке XXI века, если начать сегодня".

Приведенный материал должен был продемонстрировать огромные возможности ядерных взрывов  в интересах науки и промышленности. И хотя многие проекты кажутся  сегодня еще фантастическими, ясно одно: если приручить ядерные взрывы, сделать их безопасными, действительно управляемыми, многие проблемы будущего могут быть успешно решены.

ЛИТЕРАТУРА

1. Высокие плотности  энергии: Сборник. Саров: РФЯЦ, 1997. 572 с.

2. Иванов Г.А., Волошин Н.П., Ганеев А.С. и др. Взрывная дейтериевая энергетика. Снежинск: РФЯЦ, 1997. 138 с.

3. Бонюшкин Е.К., Завада Н.И., Новиков С.А., Учаев  А.Я. Кинетика динамического разрушения  металлов в режиме импульсного  объемного разогрева. Саров: РФЯЦ, 1998. 274 с. 

Фундаментальные взрывные эксперименты позволят исследовать различные аспекты поведения среды, имитирующей отдельные фрагменты астероида, в условиях их нагружения различными видами и уровнями воздействий ядерного взрыва. Эти исследования могут позволить уточнить облик и очертания проблемы, существующие и перспективные возможности предполагаемых средств защиты от астероидов.