Направленный взрыв

4.5 Направленный ядерный взрыв в мирных целях

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.

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.

Очень интересные предложения отечественных физиков. Они предлагали использовать ядерные взрывы для получения электроэнергии, при строительстве каналов и гаваней, вскрышных работах, рытье котлованов, для интенсификации добычи нефти и газа, получения больших масс негашеной извести, карбида кальция и ацетилена, а также в металлургии и азотной промышленности.

Американцев тоже трудно упрекнуть в отсутствии воображения - проект Plowshare рассматривал ядерные взрывы как весьма эффективное средство для сооружения гаваней, водохранилищ, карьеров, каналов, плотин, емкостей для отвода воды в случае наводнения, емкостей для захоронения сильно загрязненных отходов, дробления сланцев, интенсификации добычи нефти и газа и даже создания искусственных водоемов в зонах отдыха. Наиболее перспективным считался проект прокладки через Панамский перешеек нового современного канала к 1980 году «всего» тремястами ядерными взрывами.

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".

Проведенная в российских ядерных центрах 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.

Выделение огромной энергии ядерного взрыва происходит чрезвычайно быстро и с такой интенсивностью, что менее чем за миллионную долю секунды сам заряд и материал прилегающих к нему конструкций превращаются в горячую (с температурой до десятков 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 ной до десятков-сотен метров и 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 ядерного взрыва достигает миллиарда атмосфер, что может сравниться с давлением внутри звезд.

4.6 Ядерные «экскаваторы»

Первый советский промышленный ядерный взрыв 15 января 1965 года на реке Чаган должен был по многим параметрам перекрыть американский взрыв Sedan, проведенный 6 июля 1962 года. Американская воронка была «сухая», советскую же планировалось заполнить водой. К тому же советский заряд был значительно чище - уровень чистоты 94% (значит, только 6% радиоактивной начинки не «сгорало», а разносилось взрывом по окружающему пространству) против 70% у американцев.

По замыслам советских ученых, такие воронки от ядерных взрывов должны были в скором времени покрыть территорию засушливых среднеазиатских районов - только для Казахстана требовалось создать примерно сорок водоемов общим объемом до 120-140 млн. м3. Исследование показало, что для аккумуляции весенних стоков в долинах рек можно создать емкости в виде глубоких воронок, каждая из которых способна вместить до 3-5 млн. м3 воды при незначительном зеркале испарения. Задержанная с помощью воронок вода могла быть использована для нужд энергетики, орошения и предотвращения засоления Каспийского, Аральского и Азовского морей.

Технология создания водоемов в поймах рек была следующей: глубокая воронка создавалась с помощью ядерного взрыва на выброс. В образованном взрывом навале прокладывался канал, соединявший русло реки с воронкой. Канал строился или взрывами химических ВВ одновременно с ядерным взрывом, или после него обычными средствами строительной техники.

Именно так и прошел эксперимент в устье реки Чаган: 170-килотонный термоядерный заряд, взорванный на глубине 178 м образовал воронку диаметром 430 м, глубиной 100 м и объемом 10,3 млн. м3. Уровень гамма-излучения в районе воронки к концу первых суток доходил до 30 Р/ч, через 10 дней упал до 1 Р/ч, а в настоящее время составляет 2-3 мР/ч (естественный радиоактивный фон - 15-30 мкР/ч). Весной 1965 года русло реки соединили с воронкой каналом, а позднее в левобережной части была построена каменно-земляная плотина с водопропускными сооружениями. Сооружение канала, плотины и водосбросов создало условия для образования водоема общей емкостью около 17 млн. м3.

В оценках последствий создания этого водохранилища нет единодушия. Правозащитники указывают, что облако от взрыва накрыло территорию десяти населенных пунктов с населением в 2000 человек. Расчетные дозы облучения щитовидной железы у тех из них, кто проживал на наиболее загрязненных территориях, только за первые полтора года после взрыва составили более 14 бэр. Много это или мало? Нормы радиационной безопасности (НРБ-99), принятые в России, устанавливают предельный уровень облучения в 0,5 бэр в год, или 5 бэр за 50 лет.

С другой стороны, руководивший взрывом Иван Турчин вспоминал: «Дозиметрическая служба полигона вела систематический контроль радиационной обстановки в воронке и водоеме. Вода в водоеме была чистая: мы неоднократно купались в нем, ловили и ели карасей (я здоров, чувствую себя хорошо, хотя мне уже 75 лет, а тогда не было и пятидесяти)».

4.7 Переброска рек взрывом

Все помнят про пресловутые проекты переброски северных рек, но мало кто знает, какими методами планировалось их осуществлять. Одним из самых эффективных считался метод ядерных взрывов. 21 октября 1968 года на Семипалатинском полигоне был проведен промышленный взрыв «Телькем», целью которого было изучение экскавационного действия ядерного взрыва в целях прокладки канала. Для проведения взрыва был выбран ранее разработанный во ВНИИТФ заряд небольшой мощности в 0,24 кт, заложенный на глубину 31 м. Взрыв привел к образованию воронки диаметром 80 м и глубиной 20 м. 12 ноября 1968 года в этих же целях был проведен второй взрыв «Телькем-2» с одновременным подрывом уже трех ядерных зарядов, аналогичных использованному в опыте «Телькем», заложенных через каждые 40 м. В результате взрыва образовалась выемка в виде траншеи длиной 140 м, шириной 70 м и глубиной 16 м. «Телькем-2» был модельным взрывом для прокладки реального канала «Печора-Колва» с целью переброски вод Печоры в Каспийское море. Настала пора переходить от экспериментов к практике.

23 марта 1971 года на проектируемой трассе Печоро-Колвинского канала в Пермской области в 100 км северо-западнее города Красновишерска раздался мощный строенный взрыв - это сработали три ядерных заряда мощностью 15 кт каждый (напомним, такая же мощность была у бомбы, сравнявшей с землей Хиросиму), закопанных на расстоянии 162-167 м друг от друга на глубине 127 м. В результате взрыва образовался канал длиной 700 м, шириной 340 м и глубиной от 10 до 15 м с устойчивыми бортами с углом откоса 8-10 градусов. С инженерной точки зрения результат был блестящим. Проблемы пришли из-за границы.

Несмотря на то, что использовались новые ядерные заряды с очень малой мощностью по делению, образовался след радиоактивного загрязнения длиной примерно 25 км. Но самое главное, радиоактивные продукты были обнаружены также за пределами СССР - в Швеции и США, руководство которых направило протесты СССР, ссылаясь на нарушение Московского договора 1963 года, запрещающего проведение мирных ядерных взрывов, если продукты радиоактивного распада попадают на территории соседних государств. Рытье канала таким экзотическим способом было приостановлено.

Аналогичные эксперименты несколько ранее проводились и в США. Например, 12 марта 1968 года был проведен мирный ядерный эксперимент Buggy, который представлял собой одновременный подрыв цепочки из 5 ядерных зарядов по 1,1 кт каждый, заложенных на глубину 41 м. В результате взрыва образовалась траншея длиной 262 м, шириной 85 м и глубиной 21 м. В программе Plowshare значительное место занимали проекты по созданию искусственных гаваней. Эти идеи восходят к результатам наземных испытаний мощных термоядерных зарядов Mike и Bravo на атоллах Эниветак и Бикини, в результате которых в коралловом грунте образовались огромные выемки диаметром около 2 км. Как отмечалось, одним из первых проектов Plowshare был проект создания искусственной гавани на побережье Аляски. Для его реализации предполагалось провести одновременный взрыв четырех зарядов в 20 кт и пятого заряда в 200 кт. В качестве международного проекта рассматривался вопрос о возможности создания искусственной гавани на северо-западном побережье Австралии. В одном из вариантов для этого предусматривалось размещение цепочки из пяти зарядов 200 кт каждый на расстоянии около 300 м друг от друга и на глубине в 240 м под морским дном. Одновременный взрыв должен был создать гавань длиной около 2 км, шириной в 400-500 м и глубиной в центре около 60-120 м. По краям траншеи образовалась бы линия навала, которая, на несколько десятков метров возвышаясь над уровнем моря, должна была защищать гавань от штормов.

4.8 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.

4.9 Сооружения портов, морских и речных судоходных каналов

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.

По проекту "Седан" был произведен ядерный взрыв мощностью 100 кт, образовавший огромный кратер.

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.

4.10 Термоядерное стимулирование

Вторым (если не первым) важным применением ядерно-взрывных технологий считалась нефтегазодобывающая промышленность. Первыми додумались взорвать ядерный заряд для увеличения выхода нефти и, что самое главное, взорвали его советские ученые. Произошло это в далеком 1965 году на действующем Грачевском нефтяном месторождении в Башкирии (объект «Бутан»). Здесь были проведены три взрыва небольшой мощности (от 2,3 до 8 кт).

В отличие от экскавационных взрывов «нефтегазовые» производились по так называемой камуфлетной технологии, когда продукты взрыва не попадали на поверхность, что было большим шагом вперед с точки зрения экологии. Первый же эксперимент «Бутан» дал увеличение выхода нефти в 1,5-2 раза, что считалось превосходным результатом. Мало того, в 1980 году на этом же месторождении были произведены еще два стимулирующих взрыва. Вообще же ядерные заряды взрывали на шести месторождениях вплоть до 1987 года: в 1969 году на Осинском месторождении, в 1981-1987 годах на Тяжском месторождении, в год Олимпиады-80 на Еси-Еговском нефтяном месторождении в Западной Сибири и в 1985 году на Среднебалыкском, тоже в Западной Сибири.

Ядерными взрывами месторождения не только стимулировались, но и создавались. Например, с 1976 года в Якутии на площади 400 км2 проводился широкомасштабный эксперимент по переводу запасов нефти и газа в промышленное состояние. После проведения восьми камуфлетных ядерных взрывов ожидалось образование промышленного месторождения с запасами нефти до 30 млн. т и газа до 16 млрд. м3. Сейчас здесь расположено Среднеботуобинское газоконденсатное месторождение.

Практически все заряды в упомянутых экспериментах взрывали непосредственно в толще нефтегазоносных слоев, за исключением Осинского и Среднебалыкского месторождений, где взрывы проводились под нефтяными пластами. Все ядерные взрывы были проведены без радиоактивного загрязнения атмосферы или территории промыслов. Отмечался лишь незначительный и кратковременный выход радиоактивных газов через устья двух скважин в результате их неполной герметичности. Нефть из скважин на всех месторождениях, кроме «Осинского», в течение всего периода эксплуатации не содержала следов загрязнения радионуклидами. Надо прояснить ситуацию насчет Осинского месторождения, предмета частых спекуляций. С момента проведения взрывов и до конца 1976 года радиационная обстановка на опытной площадке месторождения (объект «Грифон») не превышала фонового значения. Позднее промысловики по собственной инициативе пробурили в центральной зоне взрыва так называемую прокольную скважину, пробив нефтеносные слои и добравшись до полости под промышленными пластами, откуда и началась миграция радионуклидов по нефтяной залежи и их незначительный вынос на поверхность. Однако сегодня радиационная обстановка на опытной площадке не превышает предельно допустимых норм. Аналогичные эксперименты проводились и в США. 10 декабря 1967 года в рамках эксперимента Gasbuggy вблизи нижнего слоя газоносной породы на глубине 1,3 км был взорван заряд мощностью 29 кт, показавший высокую эффективность проведения ядерных взрывов для увеличения выхода газа из низкопроницаемых газовых пластов. Измерения показали наличие в составе газа радиоактивности, уровень которой быстро снижался. Второй взрыв (Rulison) мощностью 47 кт был проведен 10 сентября 1969 года на глубине 2580 м с целью повышения продуктивности выхода газа из сверхглубоких пластов. Третий, заключительный эксперимент Rio Blanco, проведенный 17 мая 1973 года в Колорадо, представлял собой одновременный взрыв в одной скважине трех 33-килотонных ядерных устройств.

В США также рассматривалось применение ядерных зарядов к нефтяным месторождениям, в которых обычные способы извлечения нефти не действуют, - подземным нефтеносным сланцам. В толще нефтеносного слоя ядерным взрывом предполагалось создать зону дробления. Далее планировалось осуществить процесс частичного горения сланца с подачей в зону горения воздуха. При нагреве нефтеносных сланцев происходит разложение содержащихся в них нефтепродуктов и их переход в извлекаемые газообразные и жидкие углеводороды, откачиваемые из месторождений обычными технологиями. По предварительным оценкам, заряд с энерговыделением в 50 кт был способен перевести в состояние, пригодное для разработки, около миллиона тонн нефтеносных сланцев. Проект, к сожалению, не был реализован на практике.

4.11 Аварийные работы

Посредством ядерных взрывов были перекрыты две аварийные газовые скважины в Узбекистане.

Физикам-ядерщикам было дано задание в кратчайшие сроки создать ЯЗ для перекрытия скважины, выдерживающий температуру 73 градуса по Цельсию на глубине 1б5 км. Опыт прошел успешно: через несколько секунд после взрыва факел пламени погас навсегда.

4.12 Взрыволет

Наконец, еще один нереализованный, но практически разрабатывавшийся в свое время проект использования ЯВ -- ядерный взрыволет(рис 8), идея которого была высказана Андреем Дмитриевичем Сахаровым в 1962 году в Федеральном ядерном центре. 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.

4.13 Пока мы впереди

В рамках программы мирных ядерных взрывов Plowshare США провели 27 экспериментов, советская же программа была намного шире: 124 мирных взрыва плюс 27 взрывов для отработки промышленных зарядов. Последний промышленный взрыв в СССР был проведен 6 сентября 1988 года в Архангельской области на объекте «Рубин», после чего программа была приостановлена в связи с введением моратория на ядерные испытания.

Термоядерный взрыв сегодня -- это самый мощный и в то же время самый дешевый источник энергии на Земле. Существующие возражения против технического применения ядерного взрыва (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.

Заключение

К сожалению, взрывные, или ударные волны до сих пор погубили гораздо больше жизней, чем спасли. Но силы природы сами по себе не бывают «злыми» или «добрыми» -- все зависит от того, какое применение дает им человек.

Так и Направленный взрыв находит себе применение не только на войне, но и при больших взрывах, намного облегчающих труд на строительстве плотин и каналов, или при открытой разработке полезных ископаемых.

Направленный взрыв применяется при гашении пожаров нефтяных и газовых скважин: мощными потоками воздуха он задувает гигантское пламя, как горящую свечку. Ударные волны сопровождают полет космических ракет при пролете сквозь атмосферу. Мешая при взлете, они зато помогают приземлению. Поэтому учение об ударных волнах -- необходимая часть новой области науки и техники -- космонавтики.

Контролируемый взрыв может сыграть решающую роль в деле мирного освобождения термоядерной энергии, которая навсегда решит энергетическую проблему для человечества при любом уровне потребления.

Мы выяснили что ударная волна - сверхзвуковой скачок уплотнения, движущийся в среде и влекущий за собой изменение температуры и давления. Всеэти изменения связаны с одной характеристикой ударной волны - числом Маха

Если ударная волна распространяется в экзотермическом процессе со свехзвуковой скоростью то происходит детонация.

Направденный взрыв - контролируемая детонация, при которой основная часть ударной волны движется в определённом направлении.

Направленная детонация, «Направленный взрыв» позволяет решать большое количество мирных задач.

Список используемой литературы

1. Компанеец А.С., Ударные волны М., Физматгиз, 1963 г.

2. Новиков С.А. Соросовский образовательный журнал, N 7, 1996 г

3. Сахаров А.Д., «Мирный ядерный взрыв».

4. Черный Г. Г., Течения газа с большой сверхзвуковой скоростью, М., 1959.

5. Покровский Г. И., Федоров И. С., Возведение гидротехнических земляных сооружений направленным взрывом, М., 1971.

6. Большая Советская Эциклопедия, электронная обновляемая версия, все статьи действительны на 13.04.09; Статьи: «Направленный взрыв»; «Ударные волны»;

7. Энциклопедия - Аванта+ «Физика», Москва 2005 год часть первая.

Размещено на Allbest.ru