Бизнес

Яндекс.Метрика

Мирные взрывы

ПРОМЫШЛЕННОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ ЯДЕРНОГО ВЗРЫВА 

РФЯЦ – ВНИИТФ принимал активное, а по некоторым направлениям и определяющее, участие в разработке и реализации советской государственной программы N 7 «Ядерные взрывы для народного хозяйства». Из проведенных в СССР 124-х мирных взрывов в 75 случаях было использовано 80 ядерных зарядов, разработанных во ВНИИТФ.

Пионерскими в 1965-67гг. были промышленные взрывы ядерных зарядов ВНИИЭФ. Мирные взрывы своих зарядов ВНИИТФ начал проводить с мая 1968г. Но к разработке мирных ядерно-взрывных устройств (ЯВУ), обладающих специфическими характеристиками, соответствующими условиям применений, принципиально отличающимся от условий эксплуатации изделий оборонного назначения, ВНИИТФ приступил в 1966 г. В процессе разработки таких ЯВУ приходилось проводить предварительные проверки их на испытательном полигоне. Таких экспериментов с новыми ЯВУ у ВНИИТФ было двадцать. Иногда удавалось совместить отработку новой конструкции с промышленным применением соответствующего устройства.

Все разработки ЯВУ мирного назначения возглавлялись, осуществлялись, поддерживались и курировались во ВНИИТФ академиками Е.И. Забабахиным, Е.Н. Аврориным и Б.В. Литвиновым. Производство и обеспечение применений ядерно-взрывных устройств непосредственно курировал Г.П .Ломинский, работавший директором ВНИИТФ с 1964 по 1988г., т.е. в период реализации программы мирных взрывов. Всего для промышленных применений в институте было разработано 14 типов ЯВУ, девять из которых обладали оптимальными эксплуатационными характеристиками и фактически применялись при проведении ядерных взрывов в народно-хозяйственных целях.

Государственная программа N 7 «Ядерные взрывы для народного хозяйства» была, естественно, сложной и комплексной работой многочисленных заказывающих ведомств, проектных организаций и предприятий, обеспечивающих разработку и применение ЯВУ. Наш институт тесно и эффективно взаимодействовал с ВНИИ промтехнологии и КБ автотранспортного оборудования Министерства среднего машиностроения, а также с рядом других Министерств бывшего СССР.

Ядерно-взрывные устройства ВНИИТФ использовались в следующих направлениях:

  • глубинное сейсмозондирование земной коры в целях поиска структур, перспективных для разведки полезных ископаемых (22 взрыва). Заказчик - Министерство геологии СССР;
  • создание подземных емкостей (22 взрыва). Заказчик - Министерство газовой промышленности СССР;
  • интенсификация добычи нефти и газа (16 взрывов). Заказчики - Министерство нефтяной промышленности СССР, Министерство геологии СССР, Министерство газовой промышленности СССР;
  • отработка ядерно-взрывных технологий (6 взрывов). Заказчик - Министерство среднего машиностроения СССР;
  • перекрытие скважин газовых фонтанов (4 взрыва). Заказчик - Министерство геологии СССР;
  • дробление руды (2 взрыва). Заказчик - Министерство по производству минеральных удобрений СССР;
  • захоронение биологически-опасных промышленных стоков нефтехимических производств (2 взрыва). Заказчик - Министерство нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности СССР;
  • создание траншеи-выемки в аллювиальных грунтах (1 взрыв). Заказчик - Министерство мелиорации и водного хозяйства СССР.

Использование ядерно-взрывных технологий в промышленных целях целесообразно только в тех случаях, когда:

  • ожидаемый результат не может быть достигнут никакими иными средствами, либо оправдывается высокой экономической эффективностью по сравнению с альтернативными способами;
  • отсутствует значимое побочное вредное воздействие на персонал, население и окружающую среду;
  • обеспечивается минимальное возможное радиоактивное загрязнение окружающей среды, в частности, недр;
  • выполняются требования Московского Договора (1963г.) о запрещении испытаний в трех средах и Договора о мирных ядерных взрывах (1976г.).

Успешному применению ядерно-взрывных устройств способствовали их такие уникальные характеристики, как компактность конструкции, возможность регулировки мощности, высокая плотность и низкая удельная стоимость энергии.

Специфические условия применения ЯВУ предъявляют к ним особые требования, заключающиеся в следующем:

  • остаточная радиоактивность после взрыва должна быть минимальной;
  • реализовавшаяся мощность (энергия) взрыва должна наиболее полно обеспечивать достижение целей проекта;
  • конструкция и эксплуатационные характеристики ЯВУ должны с запасом отвечать условиям его применения.

Чаще всего ЯВУ размещаются в глубоких скважинах достаточно малого диаметра. Отсюда возникли требования минимизировать диаметр конструкции, обеспечить её герметичность и термостойкость, а также - управление автоматикой подрыва и получение информации о параметрах срабатывания ЯВУ.

Максимальные требования предъявляются к конструкции устройств в случаях гашения газовых фонтанов пережатием стволов аварийных скважин на больших глубинах. Ярким примером такой аварии было газовое месторождение Памук в Кашкадарьинской области Узбекистана. Здесь требовалось заложить ЯВУ на глубине (по вертикали) 2440 м, доставить его на проектную отметку по стволу скважины, обсаженной трубой с внутренним диаметром 274 мм; давление газа в пласте составляло 585 кг/см2 и температура породы в зоне заложения ЯВУ была +105oС.

Ядерное взрывное устройство промышленного назначения Ядерные промышленные заряды

Разработка ядерного заряда для такого ЯВУ была начата во ВНИИТФ в мае 1966г. и велась с огромным энтузиазмом всех её участников.

В выборе физической схемы и основных параметров заряда непосредственное участие принимали Е.И. Забабахин и Л.П. Феоктистов. Расчеты проводились Н.В. Птицыной, В.А. Бехтеревым и А.К .Хлебниковым. Позже к расчетно-теоретическим работам подключился А.П. Васильев. Выбором и обоснованием конструкции ЯВУ руководили А.Д. Захаренков и Б.В. Литвинов, разработка конструкции велась в отделе П.А. Есина группами конструкторов, возглавляемыми Ю.А. Ивановым, А.С. Красавиным и И.С. Путниковым. Газодинамическая отработка первичного узла проводилась М.М. Русаковым, В.П. Ратниковым, И.И. Евгеньевым под руководством И.В.Санина; разработкой специального запала для инициирования ядерного взрыва занимался С.В. Самылов. Для такого уникального заряда потребовалась разработка новой автоматики подрыва и системы контроля её задействования. Этими разработками занимались группы специалистов испытательного сектора под руководством А.А. Соколова, В.Ф. Прохоркина, Ю.И. Рыбакова. Возглавляли подготовку к эксперименту В.И. Жучихин, Е.И. Парфенов. Отработка конструкции велась в НИИКе под руководством А.В. Бородулина.
Одной из главных задач разработчиков было подтверждение взаимосоответствия реализовавшейся и требуемой по проекту мощности взрыва, так как возможное невыполнение проекта легче всего было бы отнести к её занижению по сравнению с расчетом. Это потребовало выбора надежного метода контроля мощности и разработки соответствующей аппаратуры. В 1965-67гг. при подземных испытаниях боевых ядерных зарядов проходил отработку и освоение метод грунтового шара, позволяющий по измеренным параметрам ударной волны в ближней зоне ядерного взрыва определять его энергию (мощность). Было принято решение применить этот метод при гашении фонтана на месторождении Памук, где взрыв проводился в пласте каменной соли. Понадобились исследования ударноволновых свойств этой породы (отдел К.К.Крупникова, группа М.М.Горшкова), расчеты движения ударной волны (отдел В.А. Симоненко) и проведение измерений волнового годографа (закон движения фронта ударной волны во времени) вблизи взорвавшегося ЯВУ.

Для таких измерений физиками-экспериментаторами (Л.П.Волков, Н.П. Волошин, В.П. Кручинин) совместно с конструкторами испытательного сектора (отделы А.С. Федорова и А.П. Зверева) были разработаны миниатюрные системы контактных датчиков, размещаемых вблизи ЯВУ и соединяемых с регистраторами на дневной поверхности каротажными кабелями. Это было первое применение длинных (~3000 м) нерадиочастотных кабелей для регистрации быстропротекающих процессов.
Ещё одной немаловажной заботой института была расчетно-экспериментальная проверка действия ядерного взрыва по пережатию фонтанирующей скважины.

Е.И. Забабахин привлёк расчетчиков (В.А. Симоненко, Н.И. Шишкин) и экспериментаторов-газодинамиков (В.К. Орлов, Ю.М. Корепанов) к модельным исследованиям этого процесса.

Обсадная труба имитировалась тонкими капиллярами для медицинских шприцев, а ядерный взрыв - навеской малых количеств ВВ: опытная сборка размещалась в массиве каменной соли одной из шахт Соликамска.

За полгода до взрыва на Памуке прототип заряда был проверен при взрыве в штольне Семипалатинского полигона. Непосредственно на площадке в районе фонтанирующей скважины за полмесяца до эксперимента были проведены критмассовые измерения с опусканием собранного ЯВУ через имитатор оголовка скважины, состоящий из такого же количества обсадных труб и иных металлических деталей, что и настоящий оголовок скважины. Эти исследования пришлось провести в дополнение к ранее проведенным лабораторным, чтобы гарантированно убедиться в соблюдении требований ядерной безопасности при спуске заряда в скважину. Измерения проводились физико-экспериментальным сектором ВНИИТФ (Ю.А. Зысин, Л.Б. Порецкий).

     Ядерные взрывы для сейсмозондирования территории СССР.
     Прямоугольником обозначены названия проектов, выполненных с использованием ЯВУ ВНИИТФ.

Затем ЯВУ вместе с измерительными устройствами было доставлено на колонне спускных труб по наклонной скважине на проектную отметку, наиболее приближенную к стволу фонтанирующей скважины. После забивки боевой скважины жидким цементом и определённой технологической выдержки для его затвердения 21-го мая 1968г. был проведён взрыв ядерного устройства мощностью в 47 кт. После него выход газа из аварийной скважины начал на глазах прекращаться и периодически булькающие (почти 32 месяца!) над поверхностью озера возле её устья пузыри газа стали уменьшаться в размерах и пропадать совсем. Буровики оперативно подсоединили трубопроводы от нескольких десятков тампонажных машин к оголовку аварийной скважины и прочно зацементировали её ствол. Фонтан с дебетом газа (по оценкам) от 0,5 до 3 млн м3/сутки был перекрыт.

Для подобных случаев (перекрытие фонтанов, или интенсификация добычи нефти, газа) ВНИИТФ разработал спектр узкомидельных ядерно-взрывных устройств диаметром 182 и 260 мм, способных работать при температуре +120oС и давлении до 750 атм. Эта работа была удостоена Государственной премии СССР.

Если для камуфлетных мирных взрывов не предъявлялись особые требования к «чистоте» зарядов, то для взрывов на выброс (образование плотин, траншей) были необходимы ЯВУ с минимальным количеством радиоактивных осколков деления. В этих случаях более подходящими являются термоядерные устройства, в которых основное энерговыделение обязано реакциям синтеза. Такие заряды так же вошли в серию мирных ЯВУ, разработанных во ВНИИТФ, и были применены для создания траншеи на участке Печоро-Колвинского канала (Пермская область) - составной части разрабатывавшегося в 70-е годы прошлого столетия проекта переброски вод северных рек в Волгу. Эксперимент по созданию этой траншеи назывался «Тайга». Его проведению предшествовали модельные взрывы маломощных (0,2 кт) ядерных зарядов в скважинах на Семипалатинском полигоне (1968г.) «Телькем-1» и «Телькем-2», где проверялось образование воронки выброса (одиночный взрыв, Т-1) и короткой траншеи (групповой взрыв трех зарядов, Т-2). Анализ результатов этих взрывов был использован при проектировании основного эксперимента «Тайга».

Здесь три ядерных заряда энерговыделением 15 кт каждый были размещены в трёх линейно расположенных скважинах на глубине 127 м. Расстояния между скважинами составило 163-167 м. Заряды были подорваны одновременно 23 марта 1971г. В результате взрыва образовалась траншейная выемка длиной 700 м, шириной 340 м и глубиной от 10 до 15 метров. Оконтуривавший траншею навал пород был образован, в основном, за счет вспучивания поверхности земли. Мощность дозы гамма-излучения на гребне навала спустя 15 лет после взрыва составляла 60-600 микрорентген в час, над поверхностью заполнившей траншею воды - до 50 мкр/час.

Через год после этого эксперимента на Семипалатинском полигоне был испытан усовершенствованный «чистый» заряд с уменьшенной в 5 раз величиной осколочной активности по сравнению с применённым в операции «Тайга». Однако в дальнейшем в целях безусловного соблюдения положений Московского договора (1963г.) было принято решение взрывов на выброс не проводить.

Из основных участников эксперимента «Тайга» от ВНИИТФ следует отметить Е.Н. Аврорина, Б.В. Литвинова, Ю. Погодина, Е.И. Парфенова, Л.П. Волкова, Е.И. Виноградова, Ю.Ф. Григоровича, Н.Г. Костецкого, А.А. Соколова, Б.А. Андрусенко, В.Ф. Прохоркина, Г.А. Новикова, А.В. Филатова.

В октябре 1971 года с использованием ЯВУ ВНИИТФ был проведен эксперимент по созданию подземной емкости для хранения газоконденсата на Дедуровском газоконденсатном месторождении. Специально сконструированное устройство малого калибра было взорвано в солевом пласте на глубине 1140 м. В результате образовалась необходимая емкость, что и решило проблему сбора и хранения ценного химического сырья с последующей его переработкой.

Промышленные ядерные взрывы на территории СССР.
Прямоугольником обозначены названия проектов, выполненных с использованием ЯВУ ВНИИТФ.

Опыт предыдущих работ позволил осуществить в 1973 и 1974 годах создание на глубине 2000 м подземных емкостей-хранилищ биологически вредных отходов Стерлитамакского содово-цементного и Салаватского нефтехимического комбинатов. Созданные более 35 лет назад емкости эксплуатируются и в настоящее время. Комплекс этих работ так же отмечен присуждением Государственной премии СССР.

Среди всех мирных применений ядерно-взрывных технологий, пожалуй, самыми яркими по рисунку проекта были два опытно-промышленных подземных взрыва полного камуфлета, проведенные в 1972 и 1984 гг. в горном массиве Куэльпорр близ Кировска (Кольский п-ов) с целью дробления апатитовой руды (проект «Днепр»).

Как известно, одной из трудных задач подземной добычи ископаемых руд повышенной прочности является дробление рудного тела на фрагменты, размеры которых позволяли бы производить нормальную загрузку кусков породы в транспортные устройства (транспортеры, вагонетки), обеспечивающие традиционную «выдачу на гора» добываемого сырья. Приемлемые габариты кусков породы обусловлены размерами горных выработок и упомянутых устройств, а также ограничены параметрами дробилок, находящихся в начале технологической цепи обогатительной фабрики.

В конце 60-х годов прошлого столетия специалистами Всесоюзного НИИ промтехнологии было выдвинуто предложение об использовании ядерного подземного взрыва для дробления крупного массива апатитовой руды.

В основе предложения лежит известное в теории и практике распространения ударных волн явление отражения фронта ударной волны от границы раздела сред с резко отличающимися значениями плотностей. Совместное действие прямой и отраженных волн дает поразительный результат дробления твердого вещества на мелкие фрагменты. Организовать необходимую границу раздела можно, изготовив, так называемую, «отрезную щель» в породе, которая отделяла бы дробимый блок от остальной части рудного тела и представляла бы собой воздушную прослойку. Оконтурив дробимый блок такими щелями и создав источник сильной ударной волны в нем, можно за миллисекундные промежутки времени раздробить составляющую этот блок горную породу до состояния, пригодного для извлечения на дневную поверхность с минимальными операциями по дополнительному дроблению некоторых крупных кусков.

Для того чтобы существенно снизить радиоактивное загрязнение дробимой породы в экспериментах «Днепр» использовался, так называемый, «чистый» ядерный заряд и применялась система направленного вывода и захоронения активных продуктов взрыва в «пустой» породе, окружающей рудное тело. Система вывода и захоронения радиоактивных продуктов представляет собой комбинацию из воздушного канала вывода активности (труба КВА) и камеры захоронения (КЗ). Труба КВА соединяет собой концевой бокс с камерой захоронения. Длина КВА выбрана с учетом мощности ядерного заряда такой, чтобы камера захоронения находилась вне образующейся при взрыве зоны трещиноватости породы. Диаметр трубы КВА выбирался тоже с учетом мощности взрыва таким образом, чтобы, с одной стороны, обеспечить максимально возможный вывод осколков деления в камеру захоронения, а с другой, чтобы деформируемая взрывом окружающая порода надежно пережала трубу на участке, прилегающем к камере захоронения и, тем самым, предотвратила бы обратный выход активности из КЗ в котловую полость взрыва.

Наличие полого КВА в непосредственной близости к концевому боксу с ядерным зарядом вызывает опасение следующего характера: а не сработает ли, так называемый, пушечный эффект, при котором, наряду с полезным делом - выводом активности, «вылетит в трубу» и большая часть механической энергии взрыва, что отрицательно скажется на дроблении руды?
Расчеты показали, что такого эффекта не стоит опасаться, однако, наряду с измерениями доли активности, выведенной по КВА, в эксперименте были поставлены и измерения доли механической энергии взрыва, отвлеченной на стенки КВА и в камеру захоронения.

Первый опыт был проведен 4-го сентября 1972 г. Полный камуфлет взрыва был обеспечен. Мощность взрыва составила 2,1 кт. Экспериментальные данные были получены по всем методикам измерений. В последующем был осуществлен отбор радиохимических проб и проконтролирован уровень активности раздробленной руды и воды из ручья с горы Куэльпорр.
Анализ совокупности всех данных показал, что около 85% активных продуктов взрыва было выведено и надежно захоронено в камере захоронения вне раздробленного блока породы; отток энергии по КВА не превысил единиц процентов от всей механической энергии взрыва; раздробленную руду можно извлекать по штольне нижнего горизонта и направлять на обогатительную фабрику.

Последующий систематический контроль радиационной обстановки в районе эксперимента, осуществлявшийся специалистами Радиевого института имени В.Г.Хлопина и ВНИПИ промтехнологии, подтвердил сохранение безопасных уровней радиации на дневной поверхности, внутри горных выработок и в воде ручьев, стекающих с горного массива.

Успех первого эксперимента позволил предложить и через 12 лет после него осуществить второй, отличающийся применением двух ядерных зарядов меньшей мощности (1,7 кт) для дробления блока руды, намного большего размера.

Такая редакция эксперимента с заданной разновременностью подрыва и пространственной разделенностью мест установки зарядов обеспечивает более сильный эффект дробления из-за усложненной динамичной картины распространения прямых и отраженных ударных волн.

Геометрия горных выработок на этот раз, конечно, была более сложной. В частности, применялись две трубы КВА с выходом в одну общую камеру захоронения, предприняты особые меры по обеспечению целостности сигнальных кабелей в течение всего промежутка времени измерений и т.п.

Эксперимент был проведен 27-го августа 1984 года в том же горном массиве Куэльпорр. Исход опыта удачный, радиационная обстановка в районе испытаний была нормальной. Данные всех методик измерений получены полностью, обработка их результатов подтвердила достижение целей опытно-промышленного взрыва.

Следует хотя бы назвать участников проведения обоих экспериментов.

Руководителем первого эксперимента («Днепр-1») в 1972 году был работавший в то время главным инженером ВНИИТФ Владислав Антонович Верниковский. Позже он был Главным конструктором ВНИИТФ.

Научным руководителем эксперимента был автор разработки использовавшегося ядерного заряда физик-теоретик Леонид Иванович Шибаршов.

В подготовке и проведении эксперимента участвовали еще три теоретика института - Евгений Николаевич Аврорин, работавший тогда начальником отдела, Евгений Гамалий, перешедший через несколько лет после 1972 года на другую работу в Москву, и молодой специалист Борис Константинович Водолага.

Начальником экспедиции был Николай Никитьевич Капустин; его заместителем по режиму и охране - Евгений Иванович Виноградов. Бригаду подготовки и установки заряда в концевом боксе возглавлял Владимир Леонидович Саушкин; ответственным за аппаратуру подрыва был Борис Тимофеевич Рыбин, а за контроль работы первичного узла - Альберт Иванович Макаров.

Технология подготовительных работ была таковой, что многие из состава групп, возглавляемых вышеперечисленными руководителями, выполнив свои задачи возвращались домой, не дожидаясь проведения эксперимента.

Более длительным было пребывание на месте эксперимента специалистов, ответственных за физические измерения. Заместителем руководителя опыта по физизмерениям был Николай Павлович Волошин. Под его началом работали группы: Виктора Павловича Чечеткина, Юрия Александровича Шойдина, Вадима Сергеевича Безденежных.

Вторым экспериментом 1984 года руководил главный инженер 5 Главного управления МСМ СССР Владимир Иванович Карякин.

Научным руководителем в этот раз был Борис Павлович Мордвинов - научный сотрудник теоретического отделения ВНИИТФ. Ему помогали Л.И. Шибаршов и молодой теоретик Николай Григорьевич Михальков. Приезжал на довольно длительный период подготовительных работ и Евгений Николаевич Аврорин, бывший тогда уже начальником теоретического отделения и заместителем научного руководителя ВНИИТФ. Начальником экспедиции был Николай Георгиевич Костецкий.
Рабочую бригаду с изделиями возглавлял Василий Юрьевич Абрамов, за автоматику подрыва вновь отвечал Борис Тимофеевич Рыбин, за контроль работы первичного узла - группа Николая Серафимовича Воронова.

Заместителем руководителя эксперимента по физизмерениям, как и в 1972 году, был Н.П. Волошин. Группой измерений параметров ударной волны и давления газов в камере захоронения руководил Вячеслав Александрович Попов. Дозиметрией газовой струи занималась группа Алексея Васильевича Филатова.

В целом, оба эксперимента достигли основной цели. Дробление рудного тела оказалось весьма эффективным: в первом опыте было раздроблено около 125000 м3 лопарита (один из видов апатитовой руды), во втором - более 560000 м3. Общие затраты на выполнение эквивалентной задачи обычным способом по оценкам ВНИПИ промтехнологии были бы намного больше.

Результаты измерений в обоих экспериментах о распространении продуктов в каналах, прилегающих к взрывной камере, и об эффекте захоронения активности в удаленной от места взрыва камере имеют самостоятельное физическое значение и являются хорошей практической проверкой разработанных расчетно-теоретических моделей.

В заключении отметим, что ВНИИТФ, по существу, является единственной в мире организацией по разработке специализированных ядерно-взрывных устройств для промышленных применений. Опытно-промышленные взрывы таких устройств составили более 60% всех мирных ядерных взрывов, проведенных в СССР в 1965-1988 годах; при этом доля использования зарядов ВНИИТФ при взрывах для интенсификации нефте- и газодобычи превысила 75%, а для образования подземных емкостей достигла почти 90%. География проведенных мирных взрывов приведена на рисунках.

 

  

© РФЯЦ – ВНИИТФ. Настоящий сайт поддерживается информационной службой РФЯЦ – ВНИИТФ и является официальным источником информации
о ФГУП «РФЯЦ – ВНИИТФ имени академика Е.И. Забабахина».
За недостоверную информацию, представленную на других сайтах, информационная служба ответственности не несет.