В1961 году эти исследования были продолжены и на Семипалатинском полигоне было проведено еще 13 гидроядерных экспериментов (восемь экспериментов с использованием оружейного урана и пять экспериментов с использованием плутония).

Следует отметить, что помимо решения своих основных задач, эти эксперименты предоставили важную информацию о диспергировании делящихся материалов при подрыве ядерных зарядов и вызванном этим радиоактивном загрязнении местности. Полученные в ходе этих и последующих экспериментов данные послужили основой для оценок различных типов аварийных ситуаций с диспергированием делящихся материалов при взрыве ВВ. В дальнейшем гидроядерные эксперименты систематически проводились в СССР.

1.7.Обеспечение ядерной взрывобезопасности ядерного оружия

1.7.1.Проблема ядерной взрывобезопасности

Всостав основных компонентов ядерного боеприпаса (ЯБП) входят взрывчатые вещества (ВВ), делящиеся материалы (ДМ), радиоактивные вещества (РВ), а также токсичные материалы и химически активные соединения. Совокупность этих компонентов в одной конструкции определяет потенциальную опасность ЯБП, которая может возникнуть при аварийных воздействиях на ЯБП (аварийное воздействие – событие, вызванное попаданием в аварийную ситуацию, которая приводит или может привести к аварии).

Не все аварии с ЯБП приводят к последствиям, связанным с диспергированием плутония. Прямые данные говорят, что в условиях обращения с ЯЗ и ЯБП, принятых в нашей практике, вероятность радиационной аварии весьма мала, поскольку такой аварии фактически не было для среднего количества 30000 ЯБП и ЯЗ в течение 30 лет. Поэтому эти аварии классифицируются как гипотетические.

Согласно нормативным документам, ситуация, связанная с воздействием радиационных факторов на персонал, население, окружающую среду с превышением установленных допустимых уровней, классифицируется как радиационная авария.

Ядерная авария – разновидность радиационной аварии, связанная с несанкционированным развитием цепной реакции деления ядер.

Отметим, что ядерная авария может развиваться только в условиях процессов, происходящих в ЯЗ, которые приводят к радиационной аварии с диспергированием ДМ. Таким образом, класс ядерных аварий по условиям возможности своего возникновения составляет подобласть в классе радиационных аварий с диспергированием ДМ.

Установленные стандарты определяют вероятность реализации ядерной аварии в условиях, эквивалентных одноточечному подрыву ВВ на уровне, близком к принятому в США.

Первоначально безопасность ядерного оружия обеспечивалось раздельным хранением делящихся материалов и остальной части ядерного заряда, включая ВВ. В таких условиях аварийный взрыв, хотя и мог приводить к негативным последствиям (разрушениям, пожарам и т.д.), он не был связан с радиационными или ядерными авариями.

Одним из следующих решений обеспечения ядерной взрывобезопасности было использова-

ние специальных механических способов. Известно, что в ядерных зарядах США с большим количеством делящихся материалов в полость левитирующей системы вводились (с возможностью их обратного извлечения) элементы из инертных материалов. Аналогичные возможности рассматривались и в ядерных разработках Великобритании. В этом случае взрыв ВВ мог приводить к радиационной аварии, но ядерная авария могла быть исключена. Недостатком обоих способов являлось усложнение эксплуатации боеприпасов и уменьшение уровня их боеготовности.

Радикальным способом, повысившим степень ядерной взрывобезопасности стал переход на внешний источник нейтронного инициирования, который привел к уменьшению вероятности возникновения ядерного взрыва в условиях аварии на несколько порядков.

Один из основных вопросов безопасности ядерного оружия связан с поведением ядерного боеприпаса в условиях случайного, нецеленаправленного подрыва взрывчатого вещества, входящего в состав боеприпаса. Как правило, многие виды подобных возникающих ситуаций могут моделиро-

ваться работой боеприпаса при подрыве ВВ в одной точке («одноточечная безопасность»). При этом рассматриваются два круга вопросов:

•гарантии отсутствия ядерного взрыва (собственно «ядерная взрывобезопасность» ЯЗ);

•последствия аварийного взрывного нагружения блока активных материалов и их диспергирования с последующим рассеянием в окружающей среде (радиационная взрывобезопасность).

Аварийная ядерная взрывобезопасность для каждого ЯЗ характеризуется вероятностным распределением, определяющим, с какой вероятностью при одноточечном подрыве ВВ ядерное энерговыделение взрыва превысит соответствующий уровень.

Эта величина в существенной степени определяется двумя характеристиками: параметрами источника нейтронов в среде делящихся материалов и параметрами надкритичности блока делящихся материалов при его аварийном взрывном нагружении.

Качественно понятно, что в отсутствии источника нейтронов надкритичная система будет пребывать в потенциально взрывном состоянии, но не взорвется, поскольку отсутствует возможность инициирования процесса цепной реакции (при этом необходимо помнить, что естественный нейтронный источник, связанный с природным нейтронным фоном, процессом спонтанного деления радионуклидов и т.д., существует всегда). С другой стороны, действие типичных нейтронных источников на подкритичную систему не приводит к ядерному взрыву.

1.7.2. Исследования проблемы ядерной взрывобезопасности

Экспериментальному и расчетно-теоретическому исследованию ЯВБ в СССР, а затем в России традиционно уделялось большое внимание.

По существу задача ЯВБ сводится к определению сжатия активных материалов ядерного заряда при аварийном взрыве ВВ, вероятности возникновения обрывающихся процессов цепной реакции деления и эволюции нейтронного поля в ядерном заряде. Обычно рассматривается наихудший случай, при котором реализовывается максимальное сжатие, точнее, максимальное число по-

колений в надкритической системе Λ = ∫λ dt , где λ – «постоянная» размножения числа нейтронов

N в системе, определяемая соотношением dNdt = λ N .

Конечный результат расчетов и оценок – определение количества ядерной энергии, и вероятности, с которой эта энергия может выделиться в результате аварийного подрыва. Уже с начала 50-х годов были развернуты лабораторные взрывные (гидродинамические) исследования уравнений состояния делящихся материалов в области сжатий, реализующихся при взрыве ВВ. Имеется большое количество обзорных работ с богатым фактологическим материалом, излагающих методики получения экспериментальной информации по термодинамическим свойствам веществ при высоких давлениях, развиваемых в мощных ударных волнах. В открытой печати, естественно, отсутствуют сведения по уравнению состояния плутония. Вместе с тем по урану опубликована достаточно полная информация.

Для измерений и последующей корректировки сечений взаимодействия нейтронов с делящимися материалами проводились многочисленные ядерно-физические опыты в стационарной геометрии для модельных систем, имитирующих ядерный заряд. Результаты экспериментальных исследований российских и американских ученых по критическим сборкам широко известны.

На основе библиотек элементарных сечений взаимодействия нейтронов с ядрами конструкционных материалов и экспериментальных результатов по критическим сборкам для расчетов эволюции нейтронных полей в ядерных зарядах в программы расчетов были введены элементарные и групповые (по энергиям нейтронов) сечения взаимодействия нейтронов.

Широко проводились лабораторные взрывные исследования сжатия делящихся материалов активной зоны ядерного заряда в аварийных условиях «нештатного» инициирования ВВ. Исследования проводились на внутренних взрывных испытательных площадках с использованием макетов ЯЗ. Инициирование ВВ имитировало характерную аварийную ситуацию с лидирующим возникновением одного очага развития детонации (одноточечная безопасность).

В ходе исследований вопросов ядерной взрывобезопасности расчетно исследовалось поведение различных ЯЗ при одновременном и разновременном инициировании детонации различных частей поверхности ВВ. Подобные исследования включали расчеты с дискретным инициированием детонации в двух, четырех и большем количестве точек, а также виды инициирования детонации в непрерывном режиме, например, по кольцу.

Исследовались более сложные случаи возникновения и развития детонации (возникновение очага реакции в глубине заряда ВВ, замедленное развитие реакции и т.п.).

Основным инструментом для исследования сжатия имитаторов делящихся материалов во времени служило импульсное рентгенографирование. В качестве источника рентгеновского излучения использовались импульсные бетатроны с максимальной энергией γ-квантов в пучке около 70 МэВ и просвечивающей способностью в 200 мм свинца в одном метре от мишени бетатрона. Бетатрон может работать как в моноимпульсном, так и в мультиимпульсном режиме. Последнее обстоятельство позволяет в одном эксперименте получать несколько снимков объекта, а при использовании двух бетатронов со скрещивающимися пучками – получать «стерео снимки» объектов.

При исследовании влияния более сложных режимов взрывчатого превращения, имитирующих возможные аварийные ситуации, использовались также многоканальные электрические и другие методы диагностики.

Впроцессе полигонной отработки ядерных зарядов проводились опыты по экспериментальному подтверждению ЯВБ.

Для выбора редакции натурных экспериментов по определению ядерной взрывобезопасности конкретных ЯЗ важным являлся вопрос о выборе способа обеспечения детонации ВВ. Как правило, этот выбор определялся на основе системы физико-математического моделирования и лабораторных экспериментов по исследованию сжатия в условиях различных возможностей инициирования детонации ВВ, соответствующих аварийным ситуациям. На основании этой работы определялись наиболее опасные точки (зоны) для инициирования ВВ, и в натурном эксперименте подрыв ВВ технически осуществлялся в этом месте.

Вусловиях реальной аварийной ситуации нейтронное инициирование ЯЗ, как правило, определяется собственным нейтронным фоном делящихся материалов, входящих в состав ЯЗ. Величина этого нейтронного фона такова, что вероятность инициирования цепной реакции намного меньше единицы, и проведение эксперимента с таким естественным аварийным нейтронным инициированием мало информативно. Поэтому в натурных экспериментах по определению ядерной взрывобезопасности использовались специальные системы нейтронного инициирования, надежно гарантирующие возникновение процесса цепной реакции, хотя в реальных аварийных ситуациях такие системы нейтронного инициирования отсутствуют.

Вопытах регистрировались нейтронное и гамма-излучения с поверхности заряда во времени,

измерялись «постоянная» размножения нейтронов λ(t) и число набранных поколений Λ = ∫λ dt .

Естественно, постановка опытов предусматривала реализацию только ядерных реакций деления. Методологические подходы к редакции подобных экспериментов состояли в том, что:

•основой обеспечения ядерной взрывобезопасности ЯО является обеспечение ядерной взрывобезопасности ЯЗ и ЯБП в условиях аварийных ситуаций, обусловленных случайными факторами и стихийными бедствиями;

•представительным способом моделирования поведения ЯЗ в таких условиях является инициирование его ВВ в одной точке с обеспечением тех или иных режимов детонации взрывчатки;

•для исследования процесса протекания цепной реакции в эксперименте необходимо использование специальных систем нейтронного инициирования, гарантирующих получение экспериментальной информации;

•вероятность инициирования цепной реакции в аварийной ситуации в существенной степени определяется характеристиками нейтронного поля в ЯЗ, соответствующими условиям аварии.

1.7.3.Сравнение программ полигонных испытаний СССР и США по исследованию вопросов ядерной взрывобезопасности

В1956 году вопрос о ядерной взрывобезопасности созданных ядерных зарядов встал достаточно остро. В 1957 году Я.Б. Зельдович и А.Д. Сахаров отмечали, что в условиях аварийного подрыва ВВ многих ядерных зарядов в случае возникновения цепной реакции может быть реализовано значительное ядерное энерговыделение. Они отмечали, что это энерговыделение будет конечно существенно меньше номинальной мощности, но может достигать десятков и даже сотен тонн ТЭ. В рамках экспериментального исследования этой проблемы 26 августа 1957 года было проведено испытание мощного тактического ядерного заряда с подрывом ВВ в одной точке, имитирующим аварийную ситуацию. В качестве источника нейтронов в заряде использовался НИ. Энерговыделение взрыва составило 95 тонн ТЭ, что подтвердило справедливость заключения, сделанного ранее руководителями КБ-11. Этот эксперимент явился началом масштабных исследований проблемы ядерной взрывобезопасности и методов его обеспечения в ядерном арсенале СССР.

Хотя первый эксперимент по исследованию «одноточечной безопасности» ЯЗ был проведен в

СССР 26 августа 1957 года, по существу программа ядерных испытаний СССР в интересах безопасности начала реализовываться с 1961 года. Всего в период атмосферных испытаний в СССР было проведено 11 экспериментов подобного типа. После перехода на подземные ядерные испытания было проведено еще 14 специальных ядерных испытаний в этих целях, а также дополнительно 17 экспериментов в составе групповых ядерных взрывов. Таким образом, полное количество ядерных испытаний (индивидуальных и в составе групповых взрывов) в интересах исследования безопасности ЯЗ составляет 42. Ниже приведено распределение таких ядерных взрывов по времени. Для сравнения здесь же приведено распределение ядерных взрывов США, проводившихся в подобных целях, полное число которых превышает количество ядерных взрывов СССР в интересах безопасности более чем в два раза и составляет 88. Программа ядерных испытаний США в интересах безопасности была начата на два года раньше опытом 1 ноября 1955 года.

Отметим, что если до августа 1963 года количество ядерных взрывов США в интересах безопасности превышало аналогичное количество взрывов СССР в 3,36 раза, то в период после августа 1963 года эта разница составляет уже 1,65 раза.

Таблица 3.1. Распределение ядерных взрывов СССР и США в интересах безопасности по годам

Примечание. В таблице 1963 год разбит на две части (до и после августа 1963 года), разделенные вступлением в силу Договора о запрещении ядерных испытаний в трех средах. В таблице приведены также: Σ – полное число ядерных взрывов в интересах безопасности; Σ1 – полное число ядерных взрывов в интересах безопасности до августа 1963 года; Σ2

– полное число ядерных взрывов в интересах безопасности с августа 1963 года.

Максимальное количество ядерных взрывов в интересах безопасности в Советском Союзе было проведено в 1962 году (6 взрывов), в то время как Соединенные Штаты провели в этих целях 21 испытание в 1958 году. В период проведения подземных испытаний максимальное количество ядерных взрывов СССР в этих целях было проведено в 1978 и 1988 годах (четыре взрыва), в то время как США провели 7 подземных взрывов в 1969 году. Можно отметить также значительную неравномерность в реализации программ ядерных испытаний в интересах безопасности. У СССР был перерыв в этих работах в 1963–1967 годах, у США – в 1976–1986 годах (за исключением двух опытов в 1978 и 1983 годах). Можно отметить определенный рост испытательных работ в этих целях у обеих стран, начиная с 1987 года.

Представляет интерес сравнить условия проведения ядерных испытаний в интересах безопасности.

Таблица 3.2. Распределение ядерных взрывов в интересах безопасности по условиям проведения (для полного числа и для числа испытаний до августа 1963 года)

Примечание. В число наземных взрывов США включен один надводный взрыв.