Таблица 5.4. Распределение подземных взрывов ядерных устройств в промышленных целях, произведенных на территории СССР в 1965–1988 годах

Экспериментальные работы по отработке ядерно-взрывных технологий для промышленных целей

(Ответственный исполнитель – Министерство среднего машиностроения СССР)

4. НАЧАЛО ПРОГРАММЫ ПРОВЕДЕНИЯ ЯДЕРНЫХ ВЗРЫВОВ В МИРНЫХ ЦЕЛЯХ В СССР

Как отмечалось, различные вопросы использования ядерных взрывов в мирных целях рассматривались в СССР с начала 50-х годов. Дополнительный импульс к исследованию этих вопросов

был дан мораторием на ядерные испытания с 1958 по 1961 год. В 1961 году США провели свой первый подземный взрыв в рамках программы Plowshare. В этих условиях было необходимо принимать решение о формировании государственной политики в отношении ядерных взрывных технологий. В принципе имелись две возможности: сосредоточиться исключительно на военной программе ядерных испытаний, или же начать осваивать новую сферу деятельности использования ядерных взрывов для решения хозяйственных и научных проблем. Следует отметить, что это решение было необходимо принимать в условиях перехода на новый вид ядерных испытаний – подземный, в отношении которого в СССР был накоплен небольшой практический опыт (до 1964 года было проведено всего два подземных ядерных взрыва). Другая сторона проблемы состояла в том, что количество подземных ядерных испытаний вообще могло быть небольшим как из-за специфики технологий, так и из-за особенностей полигонов, и в этих условиях принятие решения о выделении их части на мирную тематику требовало большой смелости. Тем не менее, такое решение было принято, и выдающуюся роль в этом сыграл министр МСМ Е.П. Славский.

Для осуществления такого подхода требовалась ясная позиция ведущих специалистов ядерной отрасли, ее ключевых организаций. Мы приводим ниже письмо ведущих специалистов КБ-11 Ю.А. Трутнева и Ю.Н. Бабаева о необходимости развертывания работ по мирным ядерным взрывам, направленное ими Е.П. Славскому 21 марта 1962 года.

«О НЕОБХОДИМОСТИ РАЗВЕРТЫВАНИЯ РАБОТ ПО ИЗУЧЕНИЮ ВОЗМОЖНОСТЕЙ

ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АТОМНЫХ И ТЕРМОЯДЕРНЫХ ВЗРЫВОВ В ТЕХНИЧЕСКИХ

ИНАУЧНЫХ ЦЕЛЯХ

Втечение последних трех лет в КБ-11 изучался вопрос о возможностях использования атомных и термоядерных зарядов в промышленных и научных целях.

Ввиду большой загруженности работой по основной тематике объекта мы не могли уделять этой проблеме много внимания. Однако уже проведенная сравнительно небольшая работа показала, что количество задач, которые можно решать с помощью взрывов, весьма велико, а сами задачи выходят за рамки тематики объекта и Министерства среднего машиностроения.

Решение каждой задачи связано с широкими теоретическими и экспериментальными исследованиями. Это потребует привлечения большого числа специалистов самых разнообразных отраслей знаний.

Следует подчеркнуть, что в США, судя по сообщениям печати, работа по изучению возможностей промышленного использования взрывов проводится уже с 1957 года и вышла из теоретической и лабораторной стадии.

Американцы опубликовали некоторые сведения по разработанным у них проектам, из которых видно, что исследования по применению взрывов ведутся очень широким фронтом. По программе «Плаушер» в США намечено произвести ряд подземных взрывов и, по-видимому, частично это выполнено.

Отсутствие подобной работы в Советском Союзе вызывает у нас беспокойство, так как использование взрывов в ряде случаев позволяет решать задачи, которые другим способом решить нельзя.

По нашему мнению, было бы целесообразно для разработки программы по изучению возможностей использования ядерных взрывов в промышленных и научных целях создать правительственную комиссию, задачами которой было бы в кратчайший срок:

изучить возможности использования взрывов и определить основные направления работы; выработать предложения по организации научно-исследовательских работ, либо решением

правительства непосредственно возложить ответственность за вопросы мирного использования ядерных взрывов на МСМ или Комитет по ИАЭ.

КБ-11 может взять на себя разработку специальных зарядов, их испытание, а также принять участие в работе по задаче локализации многократных взрывов.

Просим Вашего содействия в решении поставленных вопросов.

ПРИЛОЖЕНИЕ. О ПРИМЕНЕНИИ АТОМНЫХ И ТЕРМОЯДЕРНЫХ ВЗРЫВНЫХ УСТРОЙСТВ В ПРОМЫШЛЕННЫХ ЦЕЛЯХ

Кроме военного применения в качестве оружия, атомные и термоядерные заряды, специальным образом сконструированные, могут быть использованы в технических и научных целях. Ниже приводим примерный перечень возможных применений.

I. Энергетика, производство электроэнергии.

II.Производство делящихся и радиоактивных материалов:

•плутоний-239;

•уран-233;

•трансурановые элементы (Сm-245 и Сf-251);

•тритий;

•большие массы радиоактивных изотопов любых элементов.

III.В химической промышленности – там, где требуются высокие температуры и большое количество энергии:

•азотная промышленность;

•получение карбида кальция и затем ацетилена;

•получение больших масс негашеной извести;

•металлургия и т.д.

IV. Горнодобывающая промышленность и строительство, связанное с перемещением больших масс грунта.

•вскрышные работы;

•строительство каналов и гаваней;

•создание необходимых котлованов;

•добыча нефти из пропитанных нефтью песков и густой нефти;

•вывод на поверхность подземных вод и т.д.

Уже из этого перечня видно, какое количество задач можно решать с помощью ядерных взрывов. Наиболее заманчивым нам представляется использование ядерных взрывов для производства

электроэнергии и делящихся активных веществ: Pu-239, U-233 и трансурановых элементов. Следует отметить, что сама по себе идея применения атомных и термоядерных взрывов для

получения энергии и активных веществ не является новой. Начиная с 1949 года и позже, Флеров Г.Н. и Франк-Каменецкий Д.А. (в то время сотрудники КБ-11) предлагали производить под землей атомные и термоядерные взрывы для получения энергии и активных веществ Pu-239 и U-233. При этом предполагалось, что большая часть энергии взрыва остается в расплавленной породе, нагретой до 2000°-3000°. Отбор энергии, по мысли авторов, производится путем охлаждения расплава водой, нагнетаемой через пробуренные скважины. Нейтроны, образующиеся при взрыве, предполагалось поглощать в U-238 или Th-232, которые помещались вблизи заряда. При поглощении нейтронов уран238 переходит в плутоний-239, а торий-232 – в уран-233. После полного охлаждения место взрыва можно рассматривать как искусственное месторождение активных веществ.

Как нам кажется, проведение взрывов в замкнутой камере, стенки которой достаточно прочны, чтобы выдержать ударное воздействие многих взрывов, позволяет по-другому решить проблему использования ядерной энергии и нейтронов в промышленности. Энергия взрыва при этом концентрируется в специальном газе-теплоносителе, который заранее помещается в полость камеры. Количество этого вещества должно быть таково, чтобы возникающие в нем температуры не приводили к плавлению стенок камеры. Возможно охлаждение стенок камеры снаружи, например, водой.

Не представляет трудностей создать конструкцию заряда, в которой выделившиеся при взрыве нейтроны практически полностью будут поглощаться ураном-238 или торием-232, специально помещенным в заряд.

Образующиеся плутоний-239 или уран-233, а также плутоний, не испытавший деления, первоначально распределяются по всей массе газа-теплоносителя. Вместе с горячим газом активные вещества поступают в аппаратуру, где происходит их выделение. Затем газ проходит через теплообменник и подается в компрессор, который непрерывно нагнетает охлажденный газ-теплоноситель, во взрывную камеру в период между взрывами. Таким образом, после охлаждения газа и извлечения из него активных веществ в камере можно производить новый взрыв. Такого рода установка даст возможность осуществить непрерывное производство электроэнергии и делящихся веществ путем проведения следующих один за другим взрывов.

Особенно интересным является использование в этой схеме термоядерных зарядов. В них в качестве «горючего» материала используется дешевый дейтерий. Делящиеся вещества употребляются только в качестве «запала» для термоядерных реакций. Такие системы являются мощными источниками термоядерной энергии и термоядерных нейтронов, причем на единицу мощности количество выделяющихся нейтронов в 6–10 раз больше, чем то, которое выделяется при делении, а количество радиоактивных осколков может быть сделано раз в 10 меньше, чем в зарядах, основанных на делении.

Внастоящее время в СССР поиски путей использования термоядерных реакций в промышленных целях происходят, в основном, в направлении создания систем типа магнитного термоядерного реактора (МТР). В таких системах дейтериевая плазма, в которой протекают термоядерные реакции, нагретая до высоких (порядка сотни миллионов градусов) температур, удерживается от разлета магнитным полем.

Подобного рода системы, в случае их реализации, могут дать возможность получения управляемой термоядерной реакции и, также, будут являться источниками термоядерной энергии и нейтронов.

До сих пор осуществление систем типа МТР наталкивается на ряд принципиальных трудностей, и в настоящее время невозможно сказать, когда такие системы будут представлять промышленный интерес.

Использование термоядерных взрывов является наиболее прямым путем в проблеме овладения термоядерной энергией. Этот путь обладает тем преимуществом, что в зарядах уже решена задача высвобождения термоядерной энергии и нейтронов. Задача же дешевой локализации многократных взрывов хотя и является трудной, но трудности не носят принципиального характера.

Получение активных веществ с помощью ядерных и, особенно термоядерных, взрывов обладает рядом преимуществ по сравнению с котельным способом на быстрых нейтронах. Коэффициент воспроизводства делящихся веществ (отношение образовавшегося активного вещества к сгоревшему) составляет по атомным зарядам 1,9, а по термоядерным – 5–6 и растет до бесконечности с увеличением мощности заряда. Термоядерные взрывы позволяют осуществить получение урана-233 из то- рия-232 с таким коэффициентом воспроизводства, который никогда не может быть достигнут в размножающих котлах на быстрых нейтронах. В случае использования термоядерных взрывов мощностью 20 килотонн на 1 кг плутония или урана-233, содержащегося в газе, будет приходиться всего 0,07 кг (вместо 1,2 кг в обычном котельном способе) радиоактивных веществ.

Следовательно, время выдерживания извлеченного из газа материала перед переработкой уменьшается в 10 раз.

Вприлагаемой таблице приведены ориентировочные параметры установки для различных значений энерговыделения термоядерных зарядов, характеризующие масштаб сооружения.

Врассматриваемой схеме предполагается, что стенки камеры выполнены из стали с пределом упругости ~ 35 кг/мм2. В качестве теплоносителя взят инертный газ гелий. Инертный газ выбран по следующим соображениям:

•он химически не взаимодействует со стенками камеры;

•предполагается, что извлечение активных веществ в этом случае проще.

При оценках принималось, что температура газа после взрыва не превышает ~ 1300оС. Вопрос о выборе наиболее подходящего материала для стенок камеры и теплоносителя требу-

ет специального изучения. Не исключено, что в качестве теплоносителя можно использовать воду.

Обозначения таблицы:

E – энергия отдельного заряда в тысячах тонн тротила и в миллионах кВт-часов;

М – количество стали в миллионах тонн, необходимое для того, чтобы стенки камеры выдержали ударное воздействие взрыва;

А1 – количество плутония или урана-233 в кг, образующегося при одном взрыве;

W – мощность электростанции в млн.квт при частоте взрывов один взрыв в час и КПД ~ 40%; А – полное количество плутония или урана-233 в тоннах, получаемое в результате работы ус-

тановки в течение года, с учетом того, что часть этих веществ идет на изготовление зарядов;

ΣW – полное количество электроэнергии в млрд.квт-час, вырабатываемое установкой в течение

года;

ΣВВ – полное количество взрывчатки в тоннах, расходуемое за год в зарядах.

Приведенную схему установки нужно рассматривать как приблизительную, основанную только на оценках, так как проблема дешевой локализации многократно производимых ядерных взрывов является по существу совершенно неизученной. Неясными являются пока и проблема отделения получаемых активных веществ от газа, возможные потери их за счет осаждения на стенки камеры и в коммуникациях.

Несомненно, что в результате серьезной научно-исследовательской работы появится проект, в котором задача использования взрывов в указанных целях будет решена более рациональным способом и в меньших масштабах сооружения. Эту работу необходимо начинать.

Особо стоит остановиться на проблеме получения с помощью термоядерных взрывов трансурановых элементов кюрия-245 и калифорния-251. В настоящее время кажется ясным, что это единственный реальный путь изготовления трансуранов в количествах, пригодных для практического использования.

Ряд данных о свойствах трансуранов позволяет ожидать, что критическая масса кюрия в 3– 4 раза, а калифорния в 10 раз меньше критмассы плутония-239. Если бы в нашем распоряжении имелись бы макроскопические количества этих веществ, то это открыло бы новые возможности в конструировании атомного и термоядерного оружия и, вероятно, привело бы к изобретениям, которые сейчас трудно предугадать.

Возникновение трансурановых элементов в ядерном взрыве происходит за счет последовательного присоединения нейтронов к исходному веществу, которым могут служить уран-238 или плутоний-240. Многократное присоединение нейтронов обеспечивается плотным нейтронным полем, образовавшимся в результате интенсивной термоядерной реакции. В ходе присоединения нейтронов при взрыве, в отличие от котельных установок, последовательно образующиеся изотопы урана не успевают подвергнуться β-распадным процессам. Поэтому процесс присоединения нейтронов заключается в последовательном образовании изотопов урана (или плутония). Процессы β-распада происходят после взрыва, причем цепочки распадов обрываются на β-стабильном изотопе.

Взрывная схема получения трансуранов обладает существенным преимуществом перед котельной схемой, в которой успевают протекать β-процессы. Дело в том, что изотопы урана, начиная с урана-240, не делятся под действием медленных нейтронов. В котле эти изотопы за счет β-распада успевают превратиться в делящиеся изотопы плутония, америция и кюрия. Таким образом появляется конкурирующий с захватом процесс деления, причем вероятность деления больше, чем вероятность захвата. Во взрывной схеме этого удается избежать, за исключением звена уран-239.

Схему взрывной установки для получения плутония или урана-233 можно использовать и для получения трансуранов. Оценки и модельные расчеты показывают, что при взрыве термоядерного заряда мощностью ~ 30 тыс. тонн ТЭ возможно получение около 100 г калифорния и нескольких сотен граммов изотопов кюрия. При увеличении мощности взрыва выход трансурановых элементов растет сильнее, чем пропорционально мощности.

В настоящее время трудно оценить, какую абсолютную стоимость будут иметь плутоний, уран-233, кюрий и калифорний, получаемые с помощью взрывной промышленной установки с непрерывным циклом. По самым ориентировочным оценкам, плутоний-239 и уран-233, получаемые с помощью взрывов при большом масштабе производства и при условии удачного решения проблемы дешевой многократной локализации взрывов и проблемы выделения активных веществ из теплоносителя, по-видимому, будут стоить в несколько раз дешевле котельного плутония. Есть соображения, на основании которых можно ожидать, что стоимость сплава трансуранов с такой же критической массой, как и у кюрия-245, будет относиться к стоимости «взрывного» плутония как 20–30:1.

Заметим, что, кроме калифорния, в термоядерных взрывах возможно получение новых, более далеких элементов, таких как еще неоткрытый нобелий и т.д. С научной точки зрения, это представляет большой интерес.

Мы не будем останавливаться на подробном рассмотрении других возможных применений ядерных взрывов, хотя они имеют значение не меньше, чем получение активных веществ. Этим делом должны заняться соответствующие специалисты. Укажем только, что, по американским данным, использование взрывов для добычи нефти из пропитанных нефтью песков и густой нефти позволяет увеличить во много раз мировые запасы нефти, поддающиеся извлечению. На каждую килотонну мощности взрыва можно будет получать около 1600 тонн нефти. Если эти оценки справедливы для геологических условий СССР, то указанный способ добычи нефти может иметь исключительно важное значение.

Судя по опубликованным данным, в США еще в 1957 году комиссия по атомной энергии начала осуществление так называемой программы «Плаушер» по изучению потенциальных возможно-