CC BY
11
УДК 614.876 : 621.039.«
САНИТАРНО-РАДИОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ
ПОДЗЕМНЫХ ЯДЕРНЫХ ВЗРЫВОВ
(По материалам зарубежной печати)
Л. А. Перцов (Ленинград)
Использование атомной (внутриядерной) энергии в целях увеличения общественного богатства страны, предусмотренное директивами XXII съезда КПСС, обусловливает небывалое развитие производительных сил, дальнейший технический и культурный прогресс.
Предвидя, какие широкие перспективы раскрываются перед человеком, овладевшим энергией, заключенной в атомном ядре, советские ученые достигли многого в разработке технологии контролируемого высвобождения внутриядерных сил, создали атомные электростанции,
атомный ледокол.
Сейчас ведутся поиски новых сфер применения управляемой цепной реакции расщепления тяжелых ядер, интенсивно внедряются в различные отрасли производства методы эффективного потребления внутриатомной энергии. В связи с этим высказываются предположения, что, кроме энергии, получаемой в реакторах, в определенных условиях для решения ряда промышленных задач можно без проявления опасных последствий радиологического характера экономически весьма эффективно утилизировать и энергию, выделяемую в ходе мгновенной цепной
реакции при ядерном взрыве.
Каждый ядерный взрыв наряду с выделением кинетической энергии сопровождается образованием большого количества радиоактивных веществ. Общая активность осколочных радиоизотопов, возникающих при взрыве ядерного заряда, по мощности эквивалентного взрыву 1 кг тротила, соответствует примерно 100 000 000 000 (Iе 10й) кюри.
Работы, проведенные в последние годы, позволили выяснить, что при ядерном взрыве, осуществленном на достаточно большой глубине в грунте, можно соблюдать многие требования, ограничивающие свободное распространение радиоактивных продуктов в биосфере. Подземные ядерные взрывы могут быть применены для производства крупномасштабных экскавационных работ на строительстве плотин или искусственных водохранилищ, для размельчения мощных пластов руды, для орошения засушливых приморских территорий путем дистилляции соленой морской воды. Серьезно оценивается возможность использования таких взрывов для добычи нефти из битуминозных сланцев, для получения электроэнергии и радиоизотопов, для стимуляции под землей некоторых химических процессов и т. п. Правомерность отдельных допущений была проверена в экспериментах.
Так, в результате произведенного в США в 1957 г. подземного ядерного взрыва мощностью 1,7 кт под кодовым названием «Райньер» произошло размельчение не менее 200 000 т силикатной породы, которая стала к тому же проницаемой для воды и, следовательно, доступной для выщелачивания на месте. Измерения распределения температуры, произведенные через 3 месяца после взрыва, показали, что в центральной зоне она все еще достигала 90°. Было также определено, что первоначально в месте взрыва около 700 т горной породы было нагрето до температуры плавления (1200—1500°). Контуры радиоактивной зоны в целом соответствовали распределению образовавшегося при взрыве
стекловидного вещества. Практически, как было найдено в этом опыте, распространение радиоактивных веществ под землей было ограничено областью радиусом около 10 м.
Интенсивность ^-излучения отобранных образцов радиоактивного стекловидного вещества через год после взрыва составляла примерно 0,4 р/час. Наиболее высокой радиоактивностью обладали образцы красного и черного цвета, что указывало на неравномерное распределение радиоактивных веществ в стекловидном теле.
Взрыв «Пайнот», произведенный в США в 1960 г. в битуминозных сланцах, позволил определить, что радиоактивные газы и другие продукты взрыва по образовавшимся в горной породе трещинам распространяются в сравнительно небольшом объеме. В итоге изучения последствий подземного взрыва «Гном», произведенного в США в 1961 г. в соляном пласте на глубине около 400 м, мощность которого соответствовала 5 кт, было найдено, что этот взрыв привел к расплавлению большого количества породы и образованию перегретого пара. Этот пар, как полагают, обладал такой высокой температурой, что мог бы успешно использоваться в паровой турбине.
Таким образом, в принципе подземные ядерные взрывы могут быть источником получения большого количества энергии.
Подземным ядерным взрывом принято считать любой взрыв, местоположение центра которого находится ниже уровня почвы. Однако по характеру радиологических последствий, наблюдавшихся при различных подземных взрывах, все они условно могут быть разделены на 2 группы. К 1-й группе следует отнести взрывы, осуществленные на небольшой глубине. Для них типично образование кратера, загрязненного радиоактивными продуктами, зона распространения которых зависит от мощности и глубины взрыва, характера грунта и метеорологических условий. Ко 2-й группе следует отнести герметизированные подземные взрывы. При этих взрывах, осуществленных на большой глубине, целостность земного покрова не нарушается, а радиоактивные продукты на дневную поверхность не выбрасываются
Основная особенность подземных взрывов 1-й группы состоит в том, что при падении на землю породы, выброшенной в виде столба пыли вверх, во многих случаях образуется расширяющееся облако, состоящее из мелких частиц грунта и во многом подобное базисной волне, наблюдавшейся при подводном взрыве у атолла Бикини. Такая базисная волна, состоящая из пыли и содержащая радиоактивные продукты деления и индуцированные нейтронами радиоизотопы, относительно быстро распространяется от центра взрыва к периферии. Увеличиваясь в высоту и в стороны, базисная волна вскоре соединяется с радиоактивным облаком, которое постепенно перемещается под влиянием ветра. Образующийся в результате взрыва кратер также интенсивно загрязняется радиоактивными продуктами.
Использование в этих целях ядерных устройств, действие которых основывается только на реакции синтеза, также не предупредит от радиоактивного загрязнения кратера и прилегающей к нему местности, от образования следа радиоактивного облака и появления в атмосфере так называемых горячих частиц.
Даже если допустить, что со временем будет достигнута возможность осуществления ядерного взрыва исключительно только за счет высвобождения энергии при синтезе легких ядер без участия расщепляющихся материалов, то и при этом под воздействием нейтронного потока будет образовываться большое количество индуцированных в грунте и в воздухе радиоактивных изотопов. Поэтому следует считать, что проведение взрывов на небольшой глубине во всех случаях будет сопровождаться остаточным радиоактивным загрязнением местности, заражением биосферы.
Иные данные были получены в опытах с герметизированными подземными взрывами. В результате взрыва в грунте образуется полость, размеры которой определяются следующим уравнением:
Я
14,3 №0,3,
где Я
радиус полости (в м),
мощность взрыва (в кт).
Эта полость сохраняется в течение непродолжительного времени (от нескольких секунд до 2—3 мин.), так как образующиеся своды быстро разрушаются и она заполняется обломками пород.
л
о^с.. о; О-.,-' О •
• о. . о ■ чу о ; ^ '
Го'.*. /
• , • и ^ • , • #
#:о.-. V/ о
• л • _ • I •
• • • * . * •
о .. О
.;/; л: о/ --.Л о:. -
£
Схемы отдельных стадий развития герметизированного подземного взрыва.
А — стадия образования первичной полости: 1 — первичная полость; 2 — радиоактивная
капсула из расплавленных горных пород; 3 — зона раздробления горных пород. Б — стадия промежуточного разрушения: 4 — первичная полость, заполненная обвалившейся горной породой; 5 — основная радиоактивная зона. В — стадия конечного разрушения: 6 — зона раздробления горной породы, не проницаемая для воды; 7 — зона раздробления горной породы, проницаемая для воды; 8 — вторичная, образовавшаяся после обвала грунта полость, заполненная радиоактивным газом.
Схема развития отдельных стадий герметизированного подземного ядерного взрыва приведена на рисунке. Из этого рисунка видно, что вначале стены полости покрываются слоем расплавленной породы, содержащей радиоактивные продукты взрыва. При взрыве «Райньер» толщина этого слоя достигала 10 см, а количество радиоактивных веществ, смешавшихся с расплавленной горной породой, соответствовало примерно 80% общей активности продуктов взрыва. Пространство полости было заполнено паром, находившимся под большим давлением. При взрыве «Гном» полость была заполнена расплавленной солью и перегретым паром. Часть расплавленной горной породы, образовавшей радиоактивную капсулу еще до ее разрушения, успела стечь на дно
полости.
Разрушение первичной полости протекает в вертикальном направлении сверху вниз. В результате обвала грунта в верхней части разрушенной зоны образуется вторичная полость, заполненная радиоактивным газом. Если взрыв произведен на такой глубине, при которой не исключено образование трещин, выходящих на дневную поверхность, то в этом случае может произойти выброс радиоактивных газов в атмосферу. Подобное явление наблюдалось, например, при взрыве «Гном». Радиоактивные газы, смешанные с паром, проникли по трещинам в шахту, а затем на дневную поверхность, образовав радиоактивное облако. Мощность у-излучения от этого облака вначале достигала 10 000 р/час. но затем быстро снизилась, так как в составе облака в основном находились короткоживущие радиоизотопы.
стигала 10 000 р/час, но затем быстро снизилась, так как в составе облака в основном находились короткоживущие радиоизотопы.
Выброс радиоактивных веществ на дневную поверхность наблюдался и при других подземных взрывах, осуществленных на сравнительно небольшой глубине (табл. 1).
Из табл. 1 следует, что проникновение радиоактивных веществ на дневную поверхность может быть практически полностью исключено более глубокой закладкой ядерного заряда. Экспериментальными ис-
Таблица 1
Выброс радиоактивных веществ на дневную поверхность при подземных взрывах
Название взрыва Глубина закладки заряда (в м) Мощность взрыва (в кТ) Доля активности, попавшей на дневную поверх-н ость (в %)
Джангл-S...... — 1 1,2±0,1 >65
Джангл-V..... 5 1.2 ЮЛ >80
Типот-S..... 20 1,2+1 90
Нептун....... 30 0,9+0,2 1-4-2
Блэнка ....... 255 1,9+1,5 <0,5
Логам ...... 253 5±0,2 0
Ранньер ..... 2 ¡2 1.7+0,1 0
Тамэльпис ..... 100 0,072+0,1 0
Эванс ....... 250 0,055+0,3 0
следованиями установлено, что гарантирующей глубиной является такая глубина (в м), при которой слой горных пород, покрывающих ядерный заряд, будет превышать 150 IF0'3. Однако задержка радиоактивных продуктов в недрах земли еще не является полным решением санитарно-ра-диологических вопросов. Последующие мероприятия, связанные с извлечением из недр материалов, ради которых производились эти взрывы, могут потребовать разработки специальных санитарно-
радиологических правил, обеспечивающих безопасность производственного процесса с радиоактивным сырьем.
Но тем не менее, как показывают радиологические исследования, осуществленные после ряда подземных взрывов, основное количество (60—85%) радиоактивных веществ оказывается надежно замурованным в небольшом объеме рекристаллизованной горной породы, по форме напоминающем чашу (см. рисунок, Б, 5).
Размеры этой радиоактивной зоны зависят от мощности взрыва и геологической структуры пород. Найдено, что в среднем при взрыве мощностью 1 кт расплавляется около 500zb 150 т горной породы. Зависимость между мощностью взрыва и размером радиоактивной зоны хорошо иллюстрируется цифрами, приведенными в табл. 2.
Радиохимические анализы стекловидных материалов показывают, что при застывании горной породы значительная часть газообразных и летучих элементов успевает выделиться и поэтому их содержание в стекловидной массе в 100 раз меньше. Все это свидетельствует о том, что в процессе остывания расплавленной горной породы многие газообразные радиоизотопы по трещинам распространяются в грунте и частично накапливаются во вторичной 'полости. Таким образом, за пределами радиоактивного тела оказывается диффузно распространенной около 20% всей активности, образующейся при взрыве. Но ввиду того что в состав газообразных и летучих радиоизотопов в основном входят нуклеиды с коротким периодом полураспада, вызываемое ими радиоактивное загрязнение не имеет достаточно стойкого характера и может быть существенно ослаблено в некоторых случаях таким простым мероприятием, как задержка извлечения полученных материалов на дневную поверхность.
Однако полного очищения добываемых материалов от этого радиоактивного загрязнения произойти не может, поскольку такие коротко-живущие радиоактивные газы, как криптон-90 и ксенон-137, распада-
7 Гигиена и санитария, Nt 8
97
ясь, образуют долгоживущие и биологически опасные радиостронций и радиоцезий. Поэтому выпуск их в атмосферу через соответствующую скважину в грунте следует считать противопоказанным, так как это обусловит возникновение тех же явлений, которые наблюдались в виде последствий воздушных ядерных взрывов, т. е. к глобальному загряз-
Таблица 2
Размеры радиоактивной зоны, установленной для ряда подземных
взрывов
Название взрыва Радиус радиоактивной зоны (в м) Мощность взрыва (в кТ)
Нептун1 . . . -3 0,9±0,2
Блэнка . . . • — 20 19±1,5
Логан .... -12,5 5±0,2
Райньер . . . —9,3 1,7±0.1
Тамальпис2 . . -4,5 0,072±0,1
1 Взрыв с образованием кратера.
2 Взрыв в старой шахте
нению биосферы стронцием-90 и цезием-137.
Таким образом, при глубоких герметизированных ядерных взрывах основное количество радиоактивных веществ заключено в сравнительно небольшом объеме застывшей стекловидной массы, являющейся достаточно надежным образованием, препятствующим распространению радиоизотопов в окружающей среде. Значительно меньшее количество радиоизотопов мигрирует по образовавшимся трещинам обусловливая диффузное загрязнение горных пород. В этой связи основной объем и характер санитарно-радиологических мероприятий, связанных с эксплуатацией материалов, извлекаемых из недр земли, будут определяться главным образом той частью радиоактивных веществ, которые создают диффузное загрязнение горных пород.
Специальные исследования, осуществленные на Невадском испытательном полигоне (США), показали, что после ряда подземных ядерных взрывов степень радиоактивности грунтовых вод там практи-' чески не изменилась и соответствовала фоновым значениям. Это положительное обстоятельство было объяснено тем, что образующаяся при подземном ядерном взрыве радиоактивная стекловидная масса весьма устойчива к выщелачиванию, а ионообменные свойства грунта существенно препятствуют миграции радиоизотопов.
Судя по анализам, проведенным после взрыва «Райньер», даже дочерние продукты распада радиоактивных газов (криптона и ксенона), такие, как стронций-90 и цезий-137, в значительном количестве включаются в силикатное стекло, выщелачивание из которого не превышает 10%. В тех же исследованиях также установлено, что интенсивность включения в стекловидную массу радиоактивных газов находится в обратной зависимости от мощности взрыва. Чем больше его мощность, тем больше радиоактивных веществ оказывается вне пределов стекловидного вещества.
Устойчивость стекловидной массы к процессам выщелачивания не всегда одинакова и в большой мере обусловлена химическим составом исходных материалов. Обнаружено, что если среда, в которой произведен взрыв, содержит значительное количество алюминия и кремния и бедна натрием и калием, то в результате ее расплавления образуется стекловидная масса, весьма прочно фиксирующая радиоактивные вещества. Пески, нагретые до 1000°, способны удерживать при выщелачивании около 99,87% всех продуктов деления, в том числе радтце-зий и радиостронций. Но если взрыв произведен в известняках, то ре-кристаллизованный грунт будет слабо устойчивым к выщелачиванию, так как окиси кальция и магния имеют тенденцию легко вступать во взаимодействие с водой.
Влияние ионообменных процессов резко уменьшает опасность распространения этих радиоактивных веществ с подземными водами. Известно, например, что скорость перемещения катионных продуктов де-
ления обычно не превышает 1 % скорости движения грунтовых вод. Именно в результате этих явлений, как полагают, радиоактивные вещества в подземных грунтовых водах района захоронения отходов Ханфордских заводов не обнаруживаются далее 1 мили. Процессу задержки радиоактивных веществ в зоне взрыва способствует также и то, что обычная скорость движения грунтовых вод не превышает нескольких сот метров в год. В связи с этим опасность выноса грунтовыми водами короткоживущих радиоизотопов полностью исключается.
Однако имеющиеся в настоящее время данные показывают, что для получения достаточно полного представления о возможности выноса радиоактивных веществ грунтовыми водами из района взрыва необходимо произвести дополнительные исследования, характеризующие ионообменные свойства различных горных пород и влияние на этот процесс различных гидрологических режимов. По-видимому, при некоторых обстоятельствах вынос радиоактивных веществ подземными водами в зону биогенеза все же возможен.
Опасность радиоактивного загрязнения биосферы продуктами подземного ядерного взрыва может быть уменьшена не только путем предупреждения прорыва радиоактивных веществ на дневную поверхность, но и сокращением количества делящегося материала в ядерном заряде или ограниченном образовании в окружающей среде индуцированных нейтронами радиоизотопов. Существенно уменьшить количество делящегося материала можно, изменив конструкцию взрывного устройства. Использование для подземных взрывов термоядерных зарядов с модифицированным детонатором резко сократит образование осколочных радиоизотопов.
Уменьшение опасности радиоактивного загрязнения биосферы возможно также посредством применения материалов, способствующих сплавлению радиоактивных веществ в нерастворимые конгломераты породы. В качестве такого «окрепляющего» материала предлагается использовать кремний, которым необходимо будет окружать взрывные устройства. В результате действия высокой температуры кремний будет возгоняться и перемешиваться с осколочными радиоизотопами. При остывании он образует стекловидную массу, которая и локализует радиоактивные осколки.
Для уменьшения количества наведенной радиоактивности предполагается использовать бор как вещество, обладающее высокой способностью эффективно вступать во взаимодействие с нейтронами. Окружая ядерное устройство оболочкой из бора, мощный нейтронный поток, возникающий при взрыве, будет в основном поглощаться ею, отчего индукция в грунте радиоизотопов сведется к минимуму. К тому же индуцированные радиоизотопы обладают относительно коротким периодом полураспада: алюминий-28—2,31 мин., кремний-31—2,62 часа, натрий-24—14,9 часа, магний-56—2,6 часа.
Поэтому основную радиационную опасность при подземных ядерных взрывах представляют осколочные радиоизотопы. Снижение их общего количества или полная замена расщепляющегося вещества
окажется наиболее результативным защитным мероприятием.
%
ЛИТЕРАТУРА
Johnson G. W. et al., J. Geophys. Res., 1959, v. 64, p. 1457. — Johnson G W., S. A. E. J., 1961, v. 69, N 4, p. 98. — К e 1 1 y J. S., Science, 1962, v. 138, p. 50. — L a t-ter A. et al., J. Geophys. Res., 1961, v. 66, p. 943. — La sky S. G., Mining Congr. J.% 1960, v. 46, p. 48. —Lapp R. E., Science, 1962, v. 137, p. 756. — L a p p R. E., Bull. Atomic. Scient., 1955, v. 11, p. 45. — M a г t e 11 E. A., Science, 1964, v. 143, p 126. — Parkinson J., Bergbau Nissenschaften, 1960, v. 7, p. 289. — The Effects of Nuclar Weapons. New York, 1962.— Trans. Am. Geophys. Union, 1963, v. 44, p. 123. — Viole t C. V., J. Geophys. Res., 1961, v. 66, p. 3461.
Поступила 17/IV 1964 r.
