Ядерные взрывы в мирных целях

Ядерные взрывы в мирных целях

Промышленное, управляемое использование могучих  сил, высвобождающихся при ядерных  взрывах, играет важную роль в осуществлении  планов глубокого преобразования природы. В природе немало явлений, которые  нам хотелось бы изменить. Но мы не станем расходовать ядерную энергию на то, что можно сделать динамитом или толом,- ее применение начинается там, где кончаются возможности классических взрывчатых веществ.  
Чтобы проложить железнодорожное полотно или автомобильную дорогу в скалистой местности, требуются тысячи взрывов, сотни тысяч рабочих часов и целый арсенал современных землеройных машин и методов. Атомная энергия здесь может помочь лишь в преобразованной в электрический ток форме. Но для прокладки трассы через горный массив, сооружения гаваней и каналов нужны ядерные взрывы.  
Количество энергии, выделяющейся при ядерном взрыве, зависит от величины заряда, которая выражается так называемым тротиловым эквивалентом. Этот эквивалент позволяет сравнить энергию ядерного взрыва с энергией взрыва определенного количества тротила (он же тол, тринитротолуол, или ТНТ), которым во время второй мировой войны снаряжали авиационные бомбы.  
Ядерное взрывчатое вещество эффективнее самых сильных химических веществ на несколько порядков: так, 25 килотонн (кт) ядерного заряда (тротиловый эквивалент 25000 т) можно поместить в цилиндре диаметром меньше 1 м, впрочем, даже 1 мегатонна (Мт) ядерного заряда займет немногим больше места], тогда как для 25 000 т тротила потребовался бы цилиндрический резервуар диаметром 30 м.  
Ядерные взрывчатые вещества относительно дешевы. Согласно отчету Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ), 10 кт ядерного ВВ стоят 350 тыс. долл., а 2 Мт - 600 тыс. долл. Эквивалентные количества тротила стоили бы соответственно 4 млн. и 800 млн. долл. Отсюда видно, насколько экономически выгоднее ядерные взрывчатые вещества.  
Стремление использовать ядерные взрывы в мирных целях зародилось еще во время первого атомного взрыва в Аламогордо, укрепилось при взрывах на атолле Бикини и нашло подчеркнутое выражение после первого ядерного взрыва в СССР. Еще в 1949 г. советский представитель в ООН заявил: "Мы хотим использовать атомную энергию для реализации великих планов мирного строительства, чтобы перемещать горы, менять течение рек, орошать пустыни, чтобы создать условия для жизни даже там, где редко ступала нога человека". В Советском Союзе тщательно изучали перспективы использования чудовищной энергии ядерных взрывов как средства воздействия на природу и преобразования ее.  
Первый научный анализ перспектив промышленного использования ядерных взрывов был опубликован в СССР в 1956 г. В 1970 г. в Москве состоялись советско-американские технические переговоры о промышленном использовании ядерных взрывов, в ходе которых ученые пришли к общему мнению об их эффективных возможностях.  
По расчетам специалистов, "взрывная сила" ядерных арсеналов великих держав составляет 100 млрд. т ТНТ. Иными словами, на каждого жителя планеты приходится 30 т взрывчатки. Эта невообразимая разрушительная сила (накопленная в виде ядерного оружия) может стать созидательной, если к понятию "взрыв" человечество добавит слово "мирный".  
Испытания, проведенные в СССР и США, позволили подробнее описать процессы, происходящие при подземном ядерном взрыве. Ядерный заряд помещают на глубине до 1000 м в шахтах диаметром 0,7-1 м. Темперам  
тура в центре взрыва достигает миллиона, градусов Цельсия, а давление - миллионов мегапаскалей. Породы, залегающие непосредственно вблизи заряда, испаряются.  
Проведенные испытания позволяют дать качественную оценку преимуществ и экономически" аспектов ядерных взрывов при строительстве каналов и портов, создании подземных резервуаров. Для точной же количественной оценки технологических приемов и влияния внешних факторов требуются дальнейшие исследования. Но даже если придерживаться явно заниженных, слишком осторожных оценок, можно сделать вывод, что некоторые проекты вполне реализуемы уже сегодня. За прошедшие годы советские специалисты не раз сообщали на международных конгрессах и в печати об усилиях, направленных на мирное использование ядерных взрывов в народном хозяйстве. Опубликованы результаты 16 экспериментальных и промышленных взрывов, произведенных для добычи полезных ископаемых и расширения водных ресурсов.  
Два взрыва осуществили для создания аккумуляционных водохранилищ в полученных кратерах. Взрыв  
мощностью свыше 100 кт, произведенный рядом с руслом реки (с тем, чтобы краевой вал кратера перегородил реку), образовал кратер диаметром 204 м и глубиной 100 м.  
Посредством ядерных взрывов были перекрыты две аварийные газовые скважины в Узбекистане. Ядерные взрывы применялись в СССР и для интенсификации добычи нефти (по уровню добычи и степени извлечения). В одном нефтеносном пласте был произведен взрыв на глубине 1212 м, а в другом, на расстоянии 1200 м от первого,- на глубине 1208 м. За год эксплуатации дебит семи скважин в радиусе 150-800 м от центра взрыва возрос на 30-60%. Радиоактивность нефти оказалась незначительной, так что нефть можно было использовать уже через несколько дней после взрывов.  
Образование огромных подземных емкостей для хранения воды, нефти, природного газа и т. п.- еще одна область, где можно эффективно применять ядерный взрывы: В Советском Союзе при помощи ядерного заряда 15 кт создана полость объемом 50 000 м3 на глубине 1140 м; в нее закачивают газовый конденсат, добытый из близлежащего крупного месторождения. В среднем, хранение газов в подземных емкостях, образованных ядерными взрывами, обходится в восемь раз дешевле, чем сооружение и содержание наземных газохранилищ.  
Если при ядерном взрыве на достаточной глубине (без нарушения поверхностных пластов земли - так называемый камуфлетный взрыв) продукты деления остаются под землей в виде нерастворимых соединений, а специальными приемами можно предупредить и радиоактивное заражение почвенных вод, то взрывы на меньших глубинах, тем более нескольких зарядов одновременно, всегда приводят к загрязнению биосферы. Этот нежелательный эффект можно в значительной мере ограничить различными мерами (определением оптимальной глубины взрывов, учетом метеорологических условий, эвакуацией окружающей территории и т. д.).  
Советская программа ядерных взрывов в мирных целях предусматривает весьма разностороннее их применение для развития народного хозяйства. Технические результаты успешны и вполне сравнимы с американским опытом, который гораздо более ограничен с точки зрения практических целей и геологических сред.  
В 1957 г. в стране был произведен первый экспериментальный подземный взрыв, получивший название "Рейниер". Комплексные исследования проводятся по программе "Плаушер". На первой стадии (1957-1961 гг.) предполагалось накопить и обработать экспериментальные данные, позволяющие разработать теоретическую модель ядерного взрыва. С этой целью использовали те же быстродействующие ЭВМ, что и в программе космических исследований. На второй стадии (196Г-1967 гг.) было произведено 19 ядерных взрывов.  
Американские специалисты также уделяют большое внимание добыче минерального и нефтехимического сырья. Проекты "Гэзбагги" и "Рулисон" были связаны с добычей природного газа, другие проекты - с добычей нефти, урана и меди.  
Серия экспериментальных взрывов связана с сооружением морских и речных судоходных каналов, строительством железных и шоссейных дорог в гористых местностях. Первым таким экспериментом был проект "Багги-1", который включал пять одновременных ядерных взрывов на глубине 40 м мощностью 1 кг каждый. Результатом проекта явился канал в твердой породе глубиной 20 м, шириной 75 м и длиной 260 м.  
Другой тип объектов - порты. По проекту "Седан" был произведен ядерный взрыв мощностью 100 кт, образовавший огромный кратер. Ядерные взрывы можно с успехом использовать для сооружения портов там, где глубина моря вблизи берега недостаточна для подхода больших судов. Подходящие места предложены на Аляске и в Австралии.    
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

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:

"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. Трунина, 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

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-механическими 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 состояния многих веществ в широком диапазоне давлений.

Заявления официальных  представителей СССР о 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 м3 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.

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 взрыволета оказалась очень сложной. Тем не менее в результате проектных работ все же был сделан вывод о возможности создания двигательной системы, использующей энергию ЯЗ. Принципиальная схема взрыволета в том виде, как ее первоначально предложил А.Д.Сахаров, приведена на рис. 3, а. На рис. 3, б воспроизведена конструктивная схема одного из вариантов взрыволета ПК-5000 (5000 - суммарный вес в тоннах). Кстати, по предложению А.Д. Сахарова при проработке конструкции рассматривался вопрос о размещении в его жилом отсеке плантаций с хлореллой в расчете на питание 10-20 человек.