|
Обеспечение безопасности населения при проведении подземных ядерных испытаний и условий соблюдения Договора 1963 года о запрещении ядерных взрывов в трех средах в существенной степени повлияли на развитие технологий подземных испытаний.
При выборе места для оборудования испытательной площадки учитывались в первую очередь факторы, определяющие гарантированное удержание под землей газообразных радиоактивных продуктов. Тугоплавкие продукты взрыва, а также ядерное горючее (уран, плутоний) при глубине заложения большей 70 м/кт1/3 фиксируются в расплаве пород в полости взрыва.
Помимо факторов удержания радиоактивных продуктов под землей важнейшим фактором в технологии проведения подземных взрывов являлся выбор метеорологических условий, исключавших нарушение требований Московского договора 1963 года -отсутствие аэрозольных выпадений радиоактивных продуктов взрыва за пределами государственных границ, и исключение переноса воздушных масс из района испытаний в районы проживания населения (районы городов Нарьян-Мар и Архангельск, акватория Баренцева моря - для полигона Новая Земля). В сценариях возможных аварийных ситуаций оптимальным вариантом выбора погоды для полигона Новая Земля считался перенос воздушных масс в южном и юго-восточном направлении. Такой перенос осуществляется, когда метеорологическая ситуация характеризуется тыловой частью циклона, центр которого располагается над Карским морем. При этом необходимо существование области высокого давления над Баренцевым морем, увеличивающей промежуток времени до выхода очередного циклона в район Новой Земли, повышающей устойчивость метеорологической ситуации и полностью исключающей перенос воздушных масс в западном направлении. На Семипалатинском полигоне метеоро-логический прогноз траекторий дальнего переноса примесей первоначально составлялся и передавался на полигон Центральным институтом прогнозов (позднее он стал называться Гидрометеорологическим центром Госкомгидромета СССР). В 1968 г расчеты таких прогнозов были внедрены в вычислительном центре Полигона.
Выбор испытательной площадки для выработки заложения ядерного устройства начинался с изучения наземной геофизики, данных аэрофотосъемки.
По предварительным данным определялся траверс штольни в горе (с учетом необходимой линии наименьшего сопротивления - ЛНС).
В процессе проходки штольни производилось визуальное и геофизическое изучение массива, включая магниторазведочные исследования, электроразведку методом естественного электрополя, методом комбинированного электропрофилирования, методом вертикального зондирования, сейсморазведочные работы. По полученным данным строилась геологическая модель массива от точки заложения ядерного устройства до дневной поверхности. В случае обнаружения вблизи намечаемого зарядного бокса тектонического разлома, заполненного компонентами с высокой степенью фильтрации, зарядная камера переносилась на достаточное от него удаление.
Горизонтальные горные выработки (штольни, штреки) для проведения подземных ядерных испытаний проходились сечением 9-12 м2, принятым из условия размещения и нормальной работы в них проходческого оборудования, транспортировки ядерных зарядов и узлов технологического оборудования, размещения технологического оборудования и кабельных коммуникаций. Длины штолен выбирались из условия обеспечения необходимых заглублений концевых боксов, в которых устанавливался ядерный заряд. Выработки располагались в сухих сдренированных породах, в период интенсивного выпадения осадков была возможна их обводненность за счет инфильтрации по трещинам. Для отвода воды из выработок штольни и штреки выполнялись с уклоном 0,004 в сторону устья. Физико-механические свойства пород обеспечивали возможность проходки штолен и штреков без возведения крепи. Креплению подвергались только устьевые части штолен, камерные выработки и выработки с большим пролетом, а также участки выработок с тектоническими нарушениями.
Проходка горизонтальных горных выработок производилась в СССР с помощью буровзрывных работ. Принятый комплекс проходческого оборудования позволял механизировать все основные операции проходческого цикла и обеспечивал скорость проходки выработок сечением 12 м2 ~ 100 погонных метров в месяц.
Около устья каждой штольни сооружалась промплощадка, на которой располагались: электровозное депо, компрессорная, эстакада для разгрузки вагонеток, трансформаторная подстанция, материально-технический склад, наземные рельсовые пути. На некотором удалении находился расходный склад взрывчатых материалов. По окончании горно-проходческих работ промплощадка преобразовывалась в площадку для испытательного оборудования. Для этого дополнительно сооружались: площадка для разгрузки и сборки ядерного заряда, площадка для складирования материалов и оборудования, площадка для установки измерительных комплексов, площадка для установки комплекса автоматики подрыва, эстакада для разгрузки забивочного материала, молниеотвод, пост охраны. На расстоянии 1-5 км от устья штольни (в зависимости от мощности взрыва и ландшафта) располагался командный пункт автоматики подрыва и управления измерительной аппаратурой.
Первый подземный ядерный взрыв мощностью 1 кт был проведен в гранитном массиве штольни В-1 Семипалатинского полигона 11 октября 1961 г. Главными целями этого эксперимента было определение возможностей измерения основных характеристик работы ядерных зарядов в условиях подземного взрыва и исследование физических явлений, с точки зрения их использования для развития методик физизмерений и для дальнего обнаружения ядерных взрывов.
На площадке испытаний Д-1 были пройдены 5 горизонтальных прямолинейных штолен: В-1, А, А-1, Б и Г, из них в штольнях В-1, А-1 и Б под разными углами были также пройдены штреки длиной по 150 м каждый. Эта площадка обеспечила проведение в СССР первой очереди подземных ядерных взрывов на Семипалатинском полигоне.
Заряд устанавливался в концевом боксе (КБ). Нейтронный и γ-потоки для проведения измерений выводились из зоны взрыва с помощью канала вывода излучения - КВИ. Для предотвращения прорыва продуктов взрыва из КБ была выполнена забивка, состоящая из 3-х участков. Для отбора радиоактивных проб из промежутка между 1 -ой и 2-ой забивками была разработана специальная пробоотборная система.
В опыте В-1 был применен широкий комплекс аппаратуры и датчиков, размещенных от нескольких метров до 10 км от центра взрыва.
Датчики ближней зоны, регистрирующие параметры волны сжатия в граните, размешались в шпурах и приборных нишах по штольне. Датчики давлений и нагрузок на элементы забивок и скоростей смещения - на внутренней стороне несущих элементов забивки.
Сейсмические волны регистрировались различными типами сейсмографов, установленных на расстояниях до 60 км, а оптическая съемочная аппаратура находилась на расстояниях до нескольких км от центра взрыва. Радиационная обстановка определялась дистанционными γ-радиометрами. Вся регистрирующая и измерительная аппаратура, установленная в штольне и на поверхности земли, управлялась дистанционно. Система автоматики управления полем сработала нормально.
Выбранная постановка физических измерений в штольне В-1 обеспечила получение нужной информации как о характеристиках заряда, так и о характеристиках явлений, сопровождающих ядерный взрыв под землей. После взрыва наблюдалось нарастание радиоактивности в штольне между 2 и 3 забивками до 335 Р/ч (основная доля - стронций-90, барий и лантан). Выход радиоактивных газов произошел через эпицентральную зону с суммарным выходом - 1,5-105 кюри (0,02% от всей активности). Остаточная загрязненность поверхности земли отсутствовала. История развития технологий подземных взрывов в штольнях шла по нескольким направлениям:
Важным направлением было развитие технологии испытаний в так называемой нештатной (нетиповой) редакции, когда для обеспечения целей опыта необходимо было существенно отступать от успешно испытанных схем опытов-аналогов. В первую очередь, как правило, такие отступления влияли на обоснование и обеспечение безопасности испытаний. Например, в ряде испытаний для измерений характеристик заряда необходимо было прокладывать вакуумную трубу КВИ большого диаметра от заряда к измерительным датчикам.
В 1973 г. в штольне В-1 на Новой Земле было проведено самое мощное в СССР подземное испытание в редакции "штольня-скважина (шахта)", то есть в нетиповой редакции.
Штольня была оборудована в горе "Черной" со стороны долины реки Журавлевка и представляла собой горизонтальную выработку длиной 1234 м до ствола скважины. Скважина (шахта) проходилась шахтным оборудованием и представляла собой вертикальную сухую обсаженную шахту. Стенки скважины были закреплены бетонным покрытием. На забое скважины, где устанавливался заряд, было оборудовано специальное посадочное устройство для установки и закрепления заряда. Для подготовки объекта испытаний и проведения работ внутри штольни у ствола скважины было смонтировано шахтное оборудование и машинный зал с аппаратурой управления.
Для обеспечения физических измерений и обеспечения безопасности испытания, после установки заряда в скважине (шахте), часть шахтного ствола заполнялась ЖРК (железорудным концентратом) и песком. Для исключения выхода продуктов взрыва через устье штольни в ней был возведен забивочный комплекс Приборные сооружения и измерительные комплексы для опыта размещались на расстоянии 1200 м от устья штольни. Командный пункт управления располагался на расстоянии ~ 9 км от устья штольни.
При взрыве в этом опыте в результате сейсмического воздействия произошел откол части горного массива. В результате обвала лавина породы общим объемом свыше 5-107 м3 засыпала и перекрыла долину реки и образовалось озеро ледниковой воды, о котором говорилось выше
Испытание в штольне В-1 было проведено при относительно низком эффективном ЛНС, в районе концевых боксов была порода с высоким газосодержанием, были обнаружены также значительные тектонические нарушения в горном массиве
Радиоактивные газы просочились в атмосферу через 10-12 минут после взрыва, но выхода первичных радиоактивных аэрозолей не было.
Для увеличения "емкости" полигона, уменьшения стоимости экспериментов на Семипалатинском полигоне применялась практика испытаний в повторных штольнях, то есть камера заложения (КБ) нового заряда, как правило, меньшей мощности оборудовалась после второй забивки (гермоэлементов) для предыдущего взрыва.
С целью исключения проброса высокотемпературной плазмы по стволу штольни или скважины, удержания избыточного давления после образования полости и ее обрушения устанавливался забивочный комплекс, а в последние годы - дополнительные элементы безопасности.
Следует отметить, что в отличие от ряда ранних американских испытаний в СССР, начиная с первых ПЯВ использовались забивочные комплексы, предотвращающие выход радиоактивности в атмосферу через штольню (скважину).
Типовой забивочный комплекс штолен состоит из:
I-ый участок выполнялся из бетонных элементов и щебеночной засыпки между ними, II-ой участок - из бетонных клиньев и щебня между ними, в который закачивался под давлением цементный раствор (метод раздельного бетонирования, повышающий герметизирующие свойства забивки).
II-ой участок рассчитывался на прочность от проходящей волны сжатия и на прочность и устойчивость от давления газов из полости взрыва.
При необходимости ставились дополнительные элементы: бетонные демпферы, добавочные силовые участки.
Для возведения бетонных элементов забивки использовался бетон с пределом прочности на сжатие на седьмые сутки не менее 300 кг/см2 и осадкой конуса ~ 1 см. В день взрыва производилось испытание контрольных кубиков.
Кабельные линии размещались в металлических коробах и заливались цементным раствором в местах забивочных элементов. С 1989 г. на каждом кабеле в местах силовых элементов забивки устанавливались газоблокирующие устройства, препятствующие выходу по кабелю газообразных продуктов.
Через элементы забивки проходили трубы КВИ. В первом участке забивки трубы были открытыми, а в трубах второго участка забивки и гермостенках устанавливались металлические герметизирующие заглушки.
С целью обеспечения отвода воды из штолен, начиная с 1968 года, устанавливались водопропускные системы с затворами во втором участке забивки.
В общем объеме стоимости горнокапитальных работ львиную долю (55%) занимала проходка горных выработок, 10% - возведение забивочного комплекса, 35% - транспортировка материалов, строительство наружных сооружений и промплощадок, проект-но-изыскательские работы и др.
В таблице 2.13 приведены стоимость и время возведения забивочного комплекса в штольнях для испытаний 1968-1971 гг. (в ценах того времени).
При выполнении расчетов для таблицы 2.13 принято:
| Для заряда мощностью 1 кт | Для заряда мощностью 27 кт | ||
| Объем щебеночной засыпки | м3 | 525 | 660 |
| Объем бетона | м3 | 240 | 240 |
| Сроки возведения щебеночной засыпки | сутки | 3,5 | 4,4 |
| Сроки возведения бетонных элементов | сутки | 4,0 | 4,0 |
| Время возведения забивочного комплекса в целом | сутки | 7,5 | 8,4 |
| Стоимость щебеночной засыпки | тыс. руб. | 8,4 | 10,6 |
| Стоимость возведения бетонных элементов | тыс. руб | 16,8 | 16,8 |
| Общая стоимость возведения забивочного комплекса | тыс. руб | 25,2 | 27,4 |
| Длина участка, необходимая для проведения одного опыта | м | 200 | 150 |
В качестве иллюстрации приведем также стоимость проходки и обустройства штольни с измерительными кабелями длиной 2000 м на полигоне Новая Земля, которая составляла в начале 90-х годов ~ 9,5 миллионов рублей в ценах того времени.
Глубина заложения ядерного заряда (как в штольнях, так и в скважинах) определялась условия предотвращения выхода радиоактивных аэрозолей на дневную поверхность и напорного истечения газообразных продуктов взрыва. Для этого использовались полуэмпирические зависимости, учитывающие фильтрационные свойства массива, тип вмещающих пород, их газовость и влажность, мощность взрыва.
С 1989 года значение приведенной глубины заложения ядерного устройства должно было составлять не менее 120 м/кт1/3.
При выборе глубины заложения ядерного устройства обязательно учитывалось сохранение целика ненарушенных пород между зоной механического разрушения вокруг полости и зоной откольных повреждений массива. Ненарушенный целик препятствовал напорному истечению газов.
Самостоятельное направление исследований было представлено развитием технологии физических экспериментов по исследованию действия поражающих факторов (ИПФ) ядерного взрыва на объекты военной техники, биообъекты, внешнюю среду - так называе-мые физические облучательные опыты.
Так например, второе подземное испытание в СССР 02.02.62 в СССР было целевым образом направлено на исследование поражающих факторов ядерного взрыва.
Физические облучательные опыты являлись наиболее сложным, потенциально опасным видом испытаний, отличавшимся большим разнообразием по целям исследований, составу техники, физическим измерениям, системам обеспечения безопасности. В этих экспериментах, как правило, участвовали представители различных министерств и ведомств , количество испытателей доходило до 1000 человек.
Объекты исследований только на одну миллионную долю секунды должны «увидеть» ядерный взрыв, «почувствовать» его воздействие, а затем специальная система защитных сооружений должна надежно локализовать радиоактивные продукты взрыва и предохранить их от сейсмического и других паразитных воздействий... Через сутки сюда придут Сталкеры), а спустя еще несколько дней после уменьшения наведенной радиоактивности до допустимых уровней испытатели начнут демонтаж...
Разработчики военной техники должны извлечь свои объекты с расстояния сотен метров после взрыва ядерного заряда килотонного класса и доставить их радиационно «чистыми в свои конструкторские бюро и институты для дальнейших исследований».
Именно в физических облучательных опытах была наиболее остро осознана необходимость выработки новых подходов к обеспечению безопасности испытаний, были выработаны критерии, разработаны и внедрены новые технические решения, которые стали использоваться в практике проведения и других подземных ядерных испытаний.
Сравнение характеристик разработанных российских физических установок с аналоговыми установками США показывает близость функционального и конструктивного оформления многих элементов , однако количественные характеристики наших установок , важные для целей опыта, существенно превосходят американские (при на порядок меньшей их стоимости). Можно отметить, что по ряду разработанных технологий и найденных технических решений США уже, по-видимому, никогда нас не догонят.
В СССР все облучательные опыты были проведены в штольнях. Первые опыты проводились в редакции, когда испытываемые объекты не извлекались после воздействия. Система защитных сооружений в таких опытах должна была гарантировать отсутствие паразитных воздействий только в течение времени измерений реакции объектов на воздействие.
Технически сложный эксперимент в этом классе был проведен ВНИИЭФ в 1974 году. Целью испытаний была проверка работы ядерного заряда после облучения его необходимыми потоками нейтронов и гамма-квантов.
Физические установки первого поколения обеспечивали характерные размеры облучаемых объектов на неизвлекаемых позициях ~ 1 м.
В 1971 г. был проведен первый опыт с извлечением объектов исследований.
Физические установки второго поколения развивались в направлении увеличения площадей облучения, увеличения потоков излучений, увеличения безопасности испытаний, повышения экономических характеристик и т.д. Физические установки третьего поколения развивались в направлении унификации, увеличения площадей облучения, повышения надежности и безопасности.
Современная физическая установка (ФУ) состояла из: заряда-облучателя; канала вывода излучений (КВИ); системы защитных сооружений; формирователей необходимых полей нагружения на облучательных позициях; облучательных позиций с объектами исследования; мерительных систем контроля работы физической установки; измерительных систем контроля реакции объектов исследования на воздействие ЯВ; технических систем реагирования в случае возникновения аварийных ситуаций; системы управления элементами физической установки.
Выбор штолен для ФО производился особенно тщательно, их сечение доходило до 25—50 м2 и было значительно больше стандартных (~10 м2). В ряде опытов параллельно с основной штольней оборудовалась вспомогательная штольня для провоза заряда и элементов физической установки и прокладки измерительных кабелей.
В опытах использовались различные типы телескопических каналов вывода излучений (воздушные, вакуумные, гелиевые). Характерный размер вакуумных КВИ в местах установки объектов составлял несколько метров, гелиевых КВИ — в 1,5 — 2 раза больше.
Система защитных сооружений состояла из нескольких систем предохранения и могла обеспечить извлечение объектов с близких приведенных расстояний.
После взрыва ядерного заряда за тысячные доли секунды на границе концевого бокса образуется устойчивая конфигурация «пробки» из материалов забивки и первой ступени предохранения, и продукты взрыва локализовались в полости взрыва. При схлопывании КВИ могут образовываться кумулятивные струи с большими скоростями, которые должны были перехватываться взрыв-затворами, перекрывающими КВИ за несколько мсек.
За время, пока происходило разрушение взрыв-затвора, быстродействующая заглушка перекрывала КВИ и штольню, перехватывая высокоскоростные фрагменты.
Процесс формирования полости завершался на времена ~10 мсек, давление в ней оказывалось меньше, чем на фронте волны сжатия, начиналось возвратное движение полости и интенсивное торможение забивки. В массиве формировалась зона камуфлетности, которая за счет волны разгрузки от свободной поверхности могла быть разрушена.
Основная нагрузка по удержанию продуктов взрыва в котловой полости ложилась на конструкцию первой забивки. От того насколько герметично будут пережаты трубы КВИ в теле забивки и будет устойчива она сама как в процессе прохождения по ней волны сжатия, так и после остановки «полости» взрыва, зависел, в конечном счете, успех в проведении облучательных опытов.
В 70-80-е годы специалисты Минатома и МО выполнили большой объем эксперимен тальных и теоретических исследований, которые позволили уверенно конструировать забивочные комплексы для подземных ядерных испытаний.
Автоматически добиться устойчивой работы, а тем более герметичного пережатия КВИ в теле забивки невозможно. Поэтому для торможения процессов взрыва и перехвата массивных скоростных фрагментов в КВИ устанавливали дополнительные защитные технические устройства.
Первые разработки взрыв-затворов (ВЗ) были начаты в 1971 году для перекрытия стальных труб КВИ диаметром 0,4-1 м. Взрыв-затворы располагались в штольне за первой забивкой. Пережатие труб КВИ осуществлялось в результате взрыва цилиндрического заряда ВВ, охватывающего трубу КВИ. Между зарядом ВВ и трубой КВИ размещалась смягчающая про- кладка из пескобетона. С целью существенного уменьшения веса, используемого в конструкции ВЗ заряда ВВ, взрыв-затвор засыпался со всех сторон слоем песка. Время пережатия составляло 0,8 мс и 1,4 мс.
Следует отметить, что хотя в большинстве использовавшихся взрыв-затворов абсолютного пережатия КВИ не достигалось, применение их в испытаниях позволило осуществить достаточно надежное перекрытие КВИ.
В специальных физических опытах, а также в системах локализации аварии взрывного типа в энергетических и промышленных технологических комплексах использовались быстродействующие заглушки и затворы (БЗ).
Быстродействующая заглушка устанавливалась на сейсмически безопасных расстояниях, где уровень сейсмического воздействия был незначителен. Время ее работы должно быть меньше времени прихода сейсмической волны, что обеспечивало ее устойчивую работу до прихода сейсмической волны.
Быстродействующая заглушка должна была отсекать радиоактивные газы не только в режиме фильтрации, но и в режиме их динамического выхода в штольню в случае нарушения зоны камуфлетности (за счет действия волны разгрузки ОТ свободной поверхности) и (или) раскрытия тектонических трещин в массиве.
Конструкция БЗ имела противоосколочную защиту и выдерживала действие статического давления в несколько десятков атмосфер, которое могло теоретически реализоваться в аварийном режиме работы защитных сооружений. Основные технические характеристики БЗ, которые использовались в опытах конца 80-х годов:
Сварной корпус БЗ устанавливался между двумя железобетонными упорами. В корпусе размещался в направляющих перемещаемый горизонтальный щит, предназначенный для перекрытия окна. Перекрываемый канал подстыковывался непосредственно к окну или проходил сквозь окно. Во втором случае канал в месте перекрытия должен был иметь прорываемую щитом кольцевую диафрагму. Щит приводился в движение специальным устройством .Торможение щита в конце движения осуществлялось демпферами.
Конструкция БЗ позволяла осуществлять его повторное использование. Конструкция корпуса, перекрываемого окна и системы герметизации могла изменяться в зависимости от условий применения.
Для перекрытия КВИ или штольни за время меньше секунды после взрыва в целях отсечки радиоактивных продуктов взрыва в случае их просачивания через грунт применялась в качестве одного из элементов системы защитных сооружений падающая заглушка (ПЗ). Впервые ПЗ, перекрывающая КВИ, использовалась в начале 70-х годов. В последующие годы конструкция претерпела незначительные конструкторские изменения, при этом диаметр перекрываемого светового пятна был увеличен в 1,5 раза.
Система блокировки выхода газов устанавливалась на выходе из штольни в сейсмически безопасном месте и представляла собой несколько гибких оболочек, которые непосредственно после опыта заполнялись воздухом под небольшим избыточным давлением и достаточно герметично перекрывали все сечение штольни.
На случай аварийного выхода газа совместно со специалистами полигона использовалась система заполнения части объема штольни пенообразующими материалами. Для проверки герметичности забивочных комплексов и кабелей до взрыва объем штольни либо откачивался, либо создавалось повышенное давление. Для герметизации забивочных комплексов в последние годы были разработаны специальные составы бетонов и специальные конфигурации бетонных элементов, обеспечивающие их герметичность после сейсмического воздействия.
Для очистки объема штольни от радиоактивных газов в случае их выхода в аварийной ситуации за пределы первой забивки была разработана установка газоочистки с производительностью 2000 м3/час, эффективностью извлечения аэрозолей до 99%, радиоактивных газов до 90%.
Конструирование защитных сооружений для облучательных опытов представляет наукоемкую многопараметрическую задачу, осложненную отсутствием достаточных экспериментальных данных для многих физических процессов, происходящих в ближней зоне подземного ядерного взрыва. Нахождение определяющих параметров и выяснение влияния степени «незнания» являлось целью численного моделирования при выборе схем защитных сооружений.
Разработанные в ядерных центрах численные методики позволяют моделировать работы физической установки от миллионных долей секунды (взрыв ядерного заряда) до часов лет (фильтрация газов по разрушенному массиву и забивке и миграция радионуклидов с грунтовыми водами).
Во многом прогресс в технических характеристиках физических установок связан с героической и подвижнической работой испытателей (гражданских и военных) на полигонах, которые в сложных горных и радиационных условиях исследовали, ближнюю зону ПЯВ работу элементов защитных сооружений на расстояниях ~ 100 м после ядерного взрыва килотонного класса, а когда «везло», то попадали и в полость взрыва.
Одним из главным показателей системы защитных сооружений является уровень перехвата радиоактивных продуктов взрыва и исключения паразитного действия на объекты исследований.Современные ФУ в штольне обеспечивали удержание РПВ с выходом на уровне не более:
Надежная работа системы защитных сооружений и характеристики физической установки позволили в ряде опытов провести облучение крупногабаритных объектов, расположенных вне штольни, то есть на приустьевой площадке.
С нашей точки зрения, нетривиальными были работы по получению пониженных давлений в обычных штольнях. Так например, в течение 24 часов в объеме штольни 10000 м3 поддерживалось давление 100-300 мм рт.ст. и обеспечивалось нормальное функционирование элементов физической установки. В такой редакции был проведен один натурный эксперимент.
В опытах для измерения характеристик физической установки и реакции объектов исследований использовалось несколько тысяч кабелей, задействовались десятки фургонов. Временной диапазон измеряемых величин составлял от 10-9 сек. до 10+5 сек.
Технология проведения ПЯВ в скважинах первоначально разрабатывалась применительно к ее использованию для мирных ядерных взрывов. Первый взрыв в скважине был произведён на Семипалатинском полигоне 15.01.65 в скважине 1004 для создания водоема (озеро "Чаган"). Первый взрыв в скважине в интересах создания оружия был произведен 16.09.67 в не 102 В 70-е годы казалось, что стоимость опытов в скважинах будет в 2-3 раза меньше, чем в штольнях, а значительно меньший объем измерений по сравнению со штольневыми испытаниями удастся преодолеть в дальнейших разработках. Однако практика работ пола близость стоимости проходки штолен и скважин; кроме того, не удалось ликвидировать разрыв в объеме измерений.
В силу ограниченных возможностей горного массива Дегелен (малые высоты) для проведения в нем мощных взрывов (более 100 кт) установилось "естественное" разделение; в скважинах проводились мощные взрывы, в штольнях - взрывы небольшой мощности и опыты нестандартной редакции. В скважинах СИП было проведено 209 ядерных испытаний, а в штольнях - 131. При этом с 1976 по 1990 гг. совокупная мощность испытаний в штольнях Семипалатинского полигона была в 12 раз меньше, чем в скважинах.
На полигоне Новая Земля в скважинах было проведено всего 6 испытаний (в скважине 27.10.73 было проведено второе по мощности подземное испытание).
Эволюция технологии испытаний в скважинах шла по пути увеличения безопасности испытаний за счет совершенствования забивочного комплекса, увеличения глубины заложения зарядов, тщательного выбора площадок для испытаний и совершенствования измерительных возможностей различных методик.
На территории испытательной площадки рекогносцировочным обследованием выбран участок размером 500x500 м для бурения скважины. На выбранном участие выполнялись геофизические работы в масштабе 1:1000 ( магнитометрия, гравиметрия, вертикальное электрическое зондирование, электропрофилирование, сейсмопрофилирование). Метод геофизических исследований выбирался исходя из конкретной геологической обстановки.
Для бурения (проходки) скважин использовались ударно-канатный и роторный, а также турбинный методы с обратной промывкой.
Диаметр скважин в испытаниях составлял ~ 1 м. Глубина обсадки скважины трубами составляла , как правило, 50-200 м. Количество кабелей в зависимости от целей опыта составляло от десятков до сотен. Спускная колонна заполнялась цементным раствором, за исключением нескольких опытов, в которых она использовалась в качестве пробоотборного канала.
При возведении герметизирующих элементов использовался цементный раствор, приготовленный на основе шлакопортландцемента. При возведении демпфирующих элементов как правило, применялся щебень из естественного камня изверженных пород, фракцией 40-70 мм и прочностью 600 кг/см2.
В последние годы скважины забивались полностью на всю глубину. Применялись специальные цементы: безусадочные, низкотемпературные для условий использования в мерзлых грунтах, расширяющиеся бетоны.
Геологический разрез участка в районе заложения скважины определялся бурением трёх разведочных скважин, располагаемых по треугольнику со стороной 200 м. В скважине предусматривались детальные гидрологические исследования, отбор керна по всей глубине и проведение его исследований целью определения физико-механических свойств породы. Для повышения достоверности оценки массива в целом на предмет выявления возможных тектонических нарушений предусматривалось выполнение межскважинного акустического "просвечивания".С учетом всех полученных данных строилась геологическая модель горного массива, подтверждалась его однородность, отсутствие каких-либо нарушений в пределах детально изучаемого участка.
При благоприятных геологических условиях рядом с разведочной бурилась зарядная скважина, в которой после бурения проводился полный комплекс геофизических исследований, включая широкополостные акустические исследования, выделялись зоны трещиноватости. По керну определялись физико-механические свойства горных пород в районе гидродинамического действия взрыва.
Одно из первых испытаний в скважине в интересах оружия было проведено на СИПе 22.11.67 в скважине 106. Использовались обсадные трубы диаметром 1620 мм (до глубины 16 м), диаметром 920 мм с глубины 70 до 230 м. Затрубное пространство было зацементировано.
Подъем грунта в районе эпицентра измерялся с помощью световых реперов. В результате взрыва поверхностный слой грунта в радиусе 50 м от эпицентра покрылся трещинами шириной до 10 мм. Направление трещин хаотичное. При взрыве забивка сохранила герметичность. По всем измерительным методикам в течение двух суток выхода радиоактивности не зафиксировано.
В связи с обеспокоенностью населения зимовок, проживавшего вблизи границ полигона, сейсмическим действием взрыва на постройки, в 1989 г. были выданы рекомендации об ограничении мощности испытаний в скважинах уровнем несколько десятков кт (на границах полигона уровень сейсмического воздействия при таких мощностях не превосходит 3 баллов, и такое воздействие не воспринимается людьми).
Конструкции скважин выбирались исходя из задач постановки опыта. Для этого разрабатывались технические задания (ТЗ), согласованные со всеми заинтересованными организациями, которые выдавались проектному институту для разработки проектно-технической документации. Глубина и диаметр скважины выбирались в соответствии с мощностью заряда и габаритами контейнера.
Конструкция скважины отвечала следующим требованиям:
Для проведения опыта обычно оборудовались три технологических площадки: №1 - около устья скважины; №2 - приемный пункт автоматики (ППА) и №3 - командный пункт (КП). Выбор мест КП и ППА зависел от мощности испытываемого изделия.
На площадке №1 находились:
Площадка №2 - ППА.
Обычно ППА находился в 800-900 м от устья скважин. На этой площадке размещались все измерительные фургоны с приемопередающей аппаратурой и передвижные электростанции. Измерительные кабели от фургонов были проложены до РКЯ площадки №1.
Площадка №3 - КП.
Командный пункт располагался на расстоянии 5-10 км от устья скважины в зависимости от мощности заряда. На КП находились:
При благоприятных свойствах породы полость, созданная взрывом, не обрушивается и сохраняет устойчивость. Такими благоприятными свойствами обладает каменная соль единственная порода, в которой полость надежно сохраняется. Свойство соли, обеспечивающее устойчивость полости, - ее пластичность, выражающаяся в том, что величина сдвигового напряжения, приводящего к пластическому течению, ниже, чем разрушающие напряжения.
Отработанная технология создания полостей, обеспечивающая радиационную и сейсмическую безопасность, предусматривала бурение исследовательской скважины малого диаметра, дающей информацию о глубине кровли соли и о характере надсолевых отложений и, в первую очередь, о расположении в них водоносных горизонтов. В соли водоносных горизонтов быть не может, так как само существование соляного массива свидетельствует об отсутствии воды, которая могла бы растворять соль. По геологическим материалам, полученным с помощью исследовательской скважины, производилась привязка типового проекта к конкретным геологическим условиям.
При выборе глубины заложения заряда необходимо было обеспечить сохранность достаточно мощного слоя нетронутой соли, лежащей ниже надсолевых отложений, чтобы радиальные трещины, образующиеся вокруг полости после взрыва, не вышли за пределы соляного слоя и не достигли надсолевых отложений. Только в этом случае можно рассчитывать на ИЗОЛЯЦИЮ ОТ ВОДОНОСНЫХ ГОРИЗОНТОВ. Толщина необходимого слоя соли зависит от мощности взрыва и должна была составлять порядка 400-500 метров. В условиях площадки "Галит" после двух экспериментов на глубине 165 и 600 метров определилась стандартная глубина положения взрывного устройства ~ 1000 метров, при которой обеспечивались необходимые условия герметичности полости.
В ходе бурения скважины для спуска заряда производилась ее обсадка трубами диаметром 920-1120 мм. Обсадными трубами перекрывался каждый водоносный горизонт. Обычно встречалось 2-3 водоносных горизонта. Затрубное пространство для надёжной гидроизоляции заливалось цементом. Нижележащий горизонт перекрывался трубами меньшего диаметра. Скважина бурилась до заданной глубины, в нее опускался заряд и устанавливалась цементная пробка длиной порядка 100 метров. После затвердевания цемента можно было производить подрыв заряда. Для использования полости по назначению необходимо было восстановить вход в полость через скважину. Эта операция требовала от буровой организации аккуратности и строгой технологической дисциплины.
Многолетний (более 20 лет) опыт по отработке технологии создания полостей на площадке "Галит" и эксплуатации полостей в качестве хранилищ нефтепродуктов на Оренбургском и Астраханском газоконденсатных месторождениях подтверждает радиационную безопасность технологии. Радиационное загрязнение, которое имелось на площадке "Галит", было связано не с технологией взрыва, а с исследовательскими работами, потребовавшими спуска и подъема бурового инструмента, загрязненного внедрением в расплавную линзу. Заметим, что использование полостей в качестве хранилищ нефтепродуктов создает довольно напряженный режим их эксплуатации, так как сопровождается многократной закачкой в полость и подачей из полости газового конденсата в систему наземных коммуникаций. Отметим, что полости, созданные на объекте "Вега" при Астраханском газоконденсатном месторождении, расположены в прибортовой зоне Прикаспийской соленосной провинции и, как оказалось, подвержены конвергенции, то есть сокращению своего объема со временем. Такая конвергенция может сопровождаться нарушением цементирования затрубного пространства скважины и проникновением в полость воды.
Для использования ПЯВ в мирных целях эффективной оказалась технология многократного проведения взрывов в одной полости в соляном массиве площадки "Галит". В 1968 году в скважине А-П был проведен первый взрыв, образовалась устойчивая полость диаметром ~ 64 м, а в 1975 г. в этой полости, к этому времени заполненной водой, был проведен второй взрыв. Впоследствии в этой полости было проведено еще три взрыва: в 1977, 1978 и в 1979 годах. В этих экспериментах забивочный комплекс был минимальной длины (20-25 м) и легко разбуривался. Примечательно, что взрывы в одной полости А-П-3 (14.10.77) и А-П-4 (30.10.77) были проведены с интервалом всего 16 суток, при этом был выполнен большой объем экспериментальных исследований (изучение фракционного состава продуктов взрыва, всплытия парогазового пузыря, распространения ударной волны по вертикальному каналу, воздействия гидравлического удара на запорную арматуру и т.д.).
В производственной практике создания полостей в 70-е годы стоимость полости составляла порядка 3 млн. рублей. Из них порядка 1 млн. рублей составляла стоимость скважины, 1 млн. рублей - производство взрыва и мероприятия по безопасности, включая расходы на экспедицию и около 1 млн. рублей - стоимость восстановления скважины.
В таблице 2.14 приведены полости площадки "Галит" (взрыв в скважине А-VI не производился - был выпущен только проект).
Как видно из данных этой таблицы, из проведенных 17 экспериментов 6 испытаний проведено в одной полости А-П, причем испытания А-П-3 и А-П-4 проведены с интервалом всего 16 дней, что показывает высокие технологические показатели экспериментов в солях и устойчивость полостей.
|
Таблица 2.14
|
| № | Дата опыта | Скважина | Глубина | E(кт) |
| 1 | 22.04.66 | скважина А-I | 161 м | 1,1 |
| 2 | 01.07.68 | скважина А-II | 597 м | 27 |
| 3 | 22.12.71 | скважина А-III | 986 м | 64 |
| 4 | 25.04.75 | скважина А-II-2 | 593 м | 0,35 |
| 5 | 29.03.76 | скважина А-III-2 | 990 м | 10 |
| 6 | 29.07.76 | скважина А-IV | 1000 м | 58 |
| 7 | 30.09.77 | скважина А-V | 1503 м | 10 |
| 8 | 14.10.77 | скважина А-II-3 | 582 м | 0,1 |
| 9 | 30.10.77 | скважина А-II-4 | 582 м | 0,01 |
| 10 | 12.09.78 | скважина А-II-5 | 584 м | 0,08 |
| 11 | 17.10.78 | скважина А-VII | 971 м | 73 |
| 12 | 30.11.78, | скважина А-II-6 | 585 м | 0,06 |
| 14 | 10.01.79 | скважина А-IX | 581 м | 0,5 |
| 15 | 17.01.79 | скважина А-II-7 | 995 м | 65 |
| 16 | 14.07.79 | скважина А-VIII | 982 м | 21 |
| 17 | 24.10.79 | скважина А-XI | 982 м | 33 |
| 13 | 18.12.78 | скважина А-X | 630 м | 103 |
Первые полости А-I и А-II были созданы на Западном Куполе на глубине, недоста- точной для сохранения водоупорного слоя соли ниже надсолевых отложений. При недостаточном удалении точки взрыва от кровли соли, образующиеся при взрыве трещины соединяются с водоносными горизонтами, создавая условия для заполнения полости водой. Полости А-III и А-V были залиты искусственно в порядке проведения исследовательских работ. Полость А-IV была залита водой из-за нарушения технологии (повреждена обсадная труба на отметке водоносного горизонта). В сухих полостях А-VIII, А-Х, А-XI на дне полости есть некоторое количество воды порядка 1000-3000 м3, попавшей туда в процессе восстановления входа в полость. Эта вода была необходима как промывочная жидкость при бурении попадала в полость в момент ликвидации цементной забивки. В полости А-VII такой воды значительно больше (до 10% объема), так как в нее были пробурены три скважины.
Исследование полостей и скважин осуществлялось обычными геофизическими при-борами: инклинометрами, кавернометрами, термометрами. Объем полостей замерялся путём закачки в них воздуха. Кроме того имелись специальные приборы для определения конфигурации полости, в частности, ультразвуковой локатор "Сфера", позволяющий определять расстояние в сухих полостях от прибора до стенок полости и азимут направления локации. Для водозаполненных полостей применялся гидролокатор. Водозаполненные полости измерены более подробно, так как гидролокация сравнительно несложная процедура. Локация сухих полостей более сложна. Измерения проводились при высокой температуре, близкой к 100°С в агрессивной среде.
Как уже упоминалось, нижняя чаша полости заполняется стекшим со стенок расплавом, образующим так называемую расплавную линзу. В нижней части расплава сосредоточена основная масса радиоактивных продуктов взрыва, выпавших на дно полости в первые минуты ее существования и прикрытых расплавом. Такое расположение радиоактивных продуктов было подтверждено в 1982 г. проходкой буровым инструментом со взятием проб расплавной линзы полости А-IV.
|