Ядерные испытания в СССР

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 моделироваться 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 отсутствие 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.

Процесс имплозии в аварийном режиме существенно отличается от условий номинального режима и является, как правило, более сложным. Создание расчетных методов оценок параметров надкритичности заряда в этих условиях требует достаточной степени развития вычислительных средств и накопления результатов, полученных в конкретных экспериментах (ядерных испытаниях). Проведение таких испытаний обладает определенной спецификой.

Значительная часть гарантий ядерной взрывобезопасности многих видов ЯЗ связана с существенными различиями в параметрах нейтронного источника при аварийном подрыве ЯЗ и при боевом применении. В этом случае нейтронное поле при аварийном подрыве сводится к характеристикам естественного нейтронного фона среды и материалов, и вероятность инициирования цепной реакции при достижении блоком делящихся материалов надкритического состояния может быть существенно меньше 1. В то же время при экспериментальном исследовании в ядерном испытании параметров надкритичности, реализуемой в аварийном режиме, необходимо иметь гарантированное обеспечение инициирования цепной реакции (в противном случае опыт будет неинформативен). Этим определяется использование в ядерных испытаниях на одноточечную ядерную безопасность ЯЗ специальных источников нейтронов, которые, как правило, отсутствуют в случайной аварийной ситуации.

Другая группа специфических вопросов связана со средствами диагностики таких экспериментов. Достигаемый уровень ядерной взрывобезопасности для отдельных ЯЗ определяет величину ядерного энерговыделения в таких испытаниях в диапазоне, характерном для гидроядерных опытов, а не для ядерных взрывов. Эта проблема была эффективно решена еще в период проведения атмосферных ядерных испытаний СССР.

Разработки некоторых видов ЯЗ были связаны с использованием нейтронных источников на основе (альфа , n)-реакции.

Методологические подходы к редакции подобных экспериментов состояли в том, что:

•  основой обеспечения ядерной взрывобезопасности ядерного оружия (ЯО) является обеспечение его ядерной взрывобезопасности 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.

При переходе к проведению подземных ядерных испытаний работы по исследованию вопросов и обеспечению ядерной взрывобезопасности получили дальнейшее развитие. В их рамках изучались как общие методологические аспекты проблемы повышения безопасности ядерного оружия, так и проводились эксперименты по аттестации параметров безопасности конкретных ядерных зарядов.

Первый эксперимент по исследованию "одноточечной безопасности" ЯЗ был проведен в СССР 26 августа 1957 г., а, 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 равно 42. В табл. 1.3. приведено распределение таких ядерных взрывов по времени. Для сравнения здесь же приведено распределение количества ядерных взрывов США, проводившихся в подобных целях, полное число которых превышает количество ядерных взрывов СССР в интересах безопасности в ~2 раза и равно 88. Программа ядерных испытаний США была начата на 2 года раньше, 1 ноября 1955 г.

Примечания. 1963 год разбит на две части (до и после августа, т. е. до и после вступления в силу Договора о запрещении ядерных испытаний в трех средах. Сумма - полное число ядерных взрывов в интересах безопасности; Сумма1 - полное число ядерных взрывов в интересах безопасности, проведенных до августа 1963 года; Сумма2 - полное число ядерных взрывов в интересах безопасности, проведенных после августа 1963 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 составляла уже 1,65 раза.

Максимальное количество ядерных взрывов в интересах безопасности СССР провел в 1962 году (6 взрывов), в то время как США провели в этих целях 21 испытание в 1958 году. В период проведения подземных испытаний максимальное количество ядерных взрывов СССР было проведено в 1978 и 1988 гг. (4 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 гг., у США - в 1976-1986 гг. ( за исключением двух опытов 1978 и 1983 гг.). 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.

В табл. 1.4 приведено распределение количества ядерных взрывов в интересах безопасности по условиям проведения (для полного числа и для числа испытаний до августа 1963 года).

Следует отметить, что если все ядерные взрывы СССР в интересах безопасности до августа 1963 года проводились в атмосфере, то - 50% ядерных взрывов США в этих целях в этот период проводились под землей. Типичным видом атмосферных испытаний этого типа в обеих странах был наземный взрыв. В условиях подземных испытаний СССР проводил все испытания в интересах безопасности в штольнях, а США (после августа 1963 года) - в скважинах.

Из 42 ядерных взрывов СССР в интересах безопасности 37 взрывов (в том числе все 11 взрывов в период атмосферных испытаний) были проведены на Семипалатинском испытательном полигоне (СИП), а 5 взрывов - на Северном испытательном полигоне "Новая Земля" (СИПНЗ).

В США из 88 ядерных взрывов в интересах безопасности 86 взрывов было проведено на территории Невадского испытательного полигона, один взрыв - на территории полигона атолла Эниветак, один взрыв - на территории полигона авиабазы Неллис.

В ходе ядерных испытаний по безопасности ЯЗ реализовались различные уровни энеpгo выделения.

Максимальное ядерное энерговыделение в опытах по безопасности ЯЗ было реализовано в эксперименте 9 сентября 1961 г. Это значение близко к максимальному уровню энерговыделения, реализованному в ядерных испытаниях по безопасности ЯЗ США в период атмосферных испытаний, составляющему 500 тонн тротилового эквивалента.

По мере накопления экспериментального материала совершенствовались расчетные методики определения уровней безопасности. В основе методик - решение двумерных "холодных" уравнений газодинамики с расчетами нейтронных характеристик. Расчетные методики с удовлетворительной точностью описывают характеристики нейтронных полей ядерных зарядов при подрыве ВВ в них в определенной точке, определенной зоне. С помощью этих методик, наряду с прямым полигонным экспериментом, тестируется ЯВБ ядерных зарядов, поступающих в серийное изготовление.

Большой объем экспериментальных работ был выполнен по исследованию более сложных случаев возникновения детонации ВВ. Сюда относятся работы по уточнению моделей детонации ВВ, в том числе развития детонации в условиях аварийного "околопорогового" воздействия, множественного воздействия в условиях осколочных полей, сенсибилизации и десенсибилизации ВВ в условиях рассинхронизированных множественных воздействий.

Чрезвычайно сложный и обширный комплекс вопросов возникает в случае групповой ЯВБ (ГЯВБ) - при аварийном взрыве ВВ одного из зарядов, находящихся в группе зарядов. При взрыве ВВ соседних зарядов, тем более при выделении ядерной энергии в одном из зарядов, возникает групповой эффект цепочки взорвавшихся зарядов, при котором возможно заметное увеличение выделившейся ядерной энергии по сравнению с независимым аварийным срабатыванием нескольких зарядов. Проведен обширный комплекс лабораторных опытов с макетами зарядов по исследованию проблемы ГЯВБ.

В реальной аварийной ситуации первый ЯЗ взрывается в одной точке, В натурном эксперименте при одноточечном подрыве ВВ первого заряда гарантируется возбуждение в нем при переходе через критичность цепной реакции и ядерное энерговыделение на уровне , соответствующем его в подобных условиях сжатия. При квазисинхронном одноточечном взрыве следующего заряда возбуждение цепной реакции в нем обеспечивается нейтронами, наработанными при взрыве первого заряда, и такое инициирование может приводить во втором ЯЗ к большему количеству делений по сравнению с первым и т. д.

Вопросы ядерной и групповой взрывобезопасности исследовались применительно к условиям транспортировки, хранения и эксплуатации ядерных боеприпасов (ЯБП) с соответствующим расчетным моделированием и проведением экспериментов на внутренних испытательных площадках ядерных центров Минатома России и полигонах Минобороны.

В 1960, 1961, 1963 гг. на территории Семипалатинского испытательного полигона МО СССР была реализована программа гидроядерных экспериментов. В этих экспериментах одновременно проводилось изучение выпадения а - активности радионуклидов на поверхность грунта, определяемой ключевыми ядерными материалами, входящими в состав ЯЗ. Эксперименты проводились для макетов ЯЗ на основе плутония и на основе 235U. В табл. 1.5 приведено распределение количества гидроядерных экспериментов.

Эксперименты проводились в условиях различных редакций наземного взрыва. В экспериментах на основе плутония было диспергировано - 750 Ки активности в различных погодных условиях. Направление ветра менялось практически от 0 до 360°, а средняя скорость ветра варьировалась от 2 до 15 м/с.

Следует отметить, что результаты прямых измерений а-активности на оси следа облака имеют для отдельных экспериментов достаточно сложный и разнообразный характер. Вместе с тем на основе большой совокупности опытов может быть получено эмпирическое эффективное среднее распределение выпадения активности. На основании опытных данных были получены также количества активности, выпавшей на заданном расстоянии от центра взрыва в направлении, перпендикулярном оси следа. Закон выпадения активности в этом направлении аппроксимировался распределением Гаусса.

Результаты этих измерений представляют прямой интерес для оценок средних характеристик радиационной аварии ядерного боеприпаса с диспергированием плутония в условиях отсутствия ядерного взрыва. На их основе могут быть сделаны также некоторые заключения о возможных вариациях уровня выпадения активности по сравнению с характеристиками типичной средней аварии.

В период атмосферных ядерных испытаний в 1961-1962 гг. на территории Семипалатинского испытательного полигона был проведен также ряд наземных ядерных испытаний с небольшим ядерным энерговыделением (уровень от нескольких тонн до нескольких сот тонн). В некоторых из этих опытов непосредственно после взрыва проводились измерения величины интенсивности гамма-дозы, по которой могут быть восстановлены характеристики распределения выпадения активности продуктов деления. В предположении отсутствия фракционирования выпадения активности плутония и активности продуктов деления данные этих измерений также могут служить эмпирической основой для прогнозирования характерных последствий радиационных аварий с ядерными боеприпасами.