Ядерные испытания в СССР

СССР неукоснительно выполнял принятые на себя международные обязательства в области ядерных вооружений. Обеспечение условий для выполнения Договора 1963 г. о запрещении ядерных испытаний в трех средах было ключевым моментом в обеспечении безопасности подземных испытаний.

На момент заключения Договора 1963 г. СССР провел всего 2 подземных ЯВ на Семипалатинском полигоне и не имел достаточно опыта и знаний в технологии удержания радиоактивных продуктов взрыва под землей.

В США к этому времени было проведено 116 ПЯВ (35% от общего количества ядерных испытаний за этот период) в разных средах, редакциях (в штольнях, скважинах, с забивкой и без забивок, разной мощности (в основном небольшой)).

Договор 1963 г. при проведении подземных испытаний запрещает выпадение радиоактивных осадков (русский текст договора) за пределами территориальных границ государства и допускает, вообще говоря, возможность выхода и распространения радиоактивных газов в атмосфере.

Другая особенность договора 1963 г. состоит в том, что в нем отсутствует положение о контроле. Он осуществляется при помощи соответствующих национальных средств обнаружения, обладающих хотя и высокой эффективностью, но отличающихся уровнем чувствительности для разных стран.

Следует также обратить внимание на принципиально разное толкование статьи 1.1 договора в английском и русском текстах об условиях проведения подземных ядерных взрывов. В английском тексте нарушение условия представлено так: "...если такой взрыв вызывает появление радиоактивных продуктов (debris) за пределами территориальных границ государства...", в то же время перевод русского текста на английский язык следующий: "...если такой взрыв вызывает выпадение радиоактивных осадков (fallout) за пределами территориальных границ государства...".

Таким образом, согласно русской версии, истечение радиоактивных газов при подземных испытаниях и их последующий воздушный перенос за пределы национальных границ не является нарушением договора, если они не создают остаточного радиоактивного загрязнения поверхности земли.

Английская версия текста договора более ограничительна, чем русская, но поскольку оба текста договора равноправны, то ограничения, которые изложены в обоих текстах, могут быть только те, которые имели в виду стороны, подписавшие договор.

Как показала практика контроля в СССР условий соблюдения Договора 1963 г., ни в одном из 496 (2 из них были проведены до 1963 г.) подземных ядерных испытаний (взрывов) не произошло выпадений радиоактивных осадков (radioactive fallout) за пределами национальных границ. Для полигона Новая Земля граница СССР совпадает с границами полигона, поэтому так ответственна была задача обеспечения безопасности испытаний.

Необходимо отметить, что на все официальные запросы со стороны иностранных государств о нарушении условий соблюдения договора 1963 г. МИД, Минсредмаш и МО СССР готовили соответствующие справки и правительство СССР давало соответствующие разъяснения.

В частности, при испытании на Новой Земле в штольне А-37 (02.08.87) в результате нарушения технологии работ произошел быстрый выход (начало выхода - 1,5 минуты) радиоактивных продуктов по трещине естественного разлома, однако выпадений радиоактивных продуктов за пределами полигона в идентифицируемых количествах не произошло, за исключением следовых количеств радиойода (тем более не могло быть зарегистрировано какое-либо превышение уровня естественного фона радиации).

Очевидно, что даже при самом благоприятном прогнозе ожидаемой радиационной обстановки выбор метеорологических условий должен был основываться на недопустимости переноса воздушных масс из района испытаний за пределы национальных границ, что являлось довольно сложной задачей, учитывая островное положение Центрального испытательного полигона России. Вышедшие в атмосферу РБГ необходимо было удерживать над Новоземельским архипелагом вплоть до полного их распада. Реализовать на практике такую схему было непросто.

Циркуляция атмосферы над архипелагом Новая Земля определяется характером взаимодействия главных барических образований - Исландского минимума и Арктического и Азиатского максимумов, приводящих к преобладанию циклонической деятельности, достигающей наибольшего развития в осенне-зимний период. Чередование циклонов, проходящих через архипелаг с интервалом от трех до семи суток, создавало условия для относительно частого выбора приемлемых метеорологических ситуаций, если таковые реализовывались. При проведении подземных ядерных испытаний оптимальным вариантом считался перенос воздушных масс из района проведения работ в юго-восточном направлении.

В случае выхода радиоактивных продуктов взрыва в атмосферу их распределение по вертикали определяется не только диффузионным перемешиванием, но и наличием по пути их распространения нисходящих и восходящих воздушных потоков, причем влияние этих потоков наиболее сильно сказывается на величине радиоактивных выпадений в промежуточной зоне на расстояниях в 100-500 км от эпицентра взрыва. Обычно в тыловой части циклона наблюдаются упорядоченные нисходящие потоки, приводящие к ускоренному проникновению вышедших радиоактивных продуктов в приземный слой атмосферы. Однако явление чередования циклонов может привести к появлению термической депрессии, то есть циклона, температура воздуха в котором окажется выше температуры окружающей тропосферы. Помимо того, что такие циклонические образования малоподвижны, в данном случае на уровне стабилизации выходящих радиоактивных продуктов взрыва имеют место высокие значения потенциальной температуры и, как следствие, последующее их распространение на более высоком изэнтропическом уровне. Такие условия переноса существенно уменьшают проникновение радиоактивных продуктов в приземный слой атмосферы.

Географическое положение Семипалатинского полигона позволяло для метеорологического обеспечения испытаний использовать более широкий выбор возможных синоптических ситуаций, адекватных возможным радиационным последствиям. Однако в любом случае выбранные погодные условия должны были исключать перемещение воздушных масс из района испытаний в направлении городов Семипалатинск и Курчатов и обеспечить максимально возможное время удержания их в пределах национальных границ.

Безразличная и устойчивая термическая стратификация атмосферы, сочетающаяся, как правило, со слабыми ветрами устойчивого направления по высотам, неблагоприятна для рассеяния примеси. Одним из основных явлений, обуславливающих устойчивость атмосферы, является температурная инверсия, при которой температура воздуха в пограничном слое увеличивается с высотой. Температурная инверсия служит задерживающим слоем, влияющая на высоту стабилизации радиоактивной примеси, приводит к образованию застойных зон в конечном итоге, увеличивает степень загрязнения приземного слоя атмосферы. Неустойчивая же стратификация характеризуется существенным конвективным переносом воздушных масс. При этом наблюдаются умеренные и сильные ветры с большими вертикальными горизонтальными изменениями скорости и направления, которые могут вызвать разрывы области, содержащей радиоактивную примесь на отдельные части, уменьшая степень загрязния приземного слоя атмосферы и местности.

Наблюдение за погодой осуществлялось метеорологическими подразделениями испы- тательных полигонов, укомплектованными высококвалифицированными специалистами необходимой аппаратурой. Они получали и обобщали метеоинформацию как со стацио- нарных, так и автоматических метеопостов с автономным питанием, регулярно анализировали прогностические карты погоды, передаваемые как Гидрометеоцентром и региональные УГМС, так и зарубежными метеорологическими организациями. Непосредственно в период предшествовавший испытанию, информацию о погоде передавало гидрографическое суды находившееся в Баренцевом море примерно в 150 милях западнее пролива Маточкин Шар. Метеослужба СИПНЗ несколько раз в сутки принимала прогностическую информацию из Гидрометеоцентра, Архангельского, Амдерминского и Диксоновского УГМС, а также из Bеликобритании и Германии.

По мере готовности полигона к проведению испытания осуществлялись постоянные консультации со специалистами Гидрометеоцентра, которые с учетом данных о местной погоде рассчитывали траектории переноса воздушных масс на основных барических уровнях.

Координация работ и ответственность за выбор подходящих погодных условий для проведения конкретного ядерного испытания в соответствии с прогнозом возможных радиационных последствий возлагалась на представителя Службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды в ранге члена Государственной комиссии по проведению испытания.

Вот как описывает работу метеорологической Службы Семипалатинского полигон участник многих ядерных испытаний В. Н. Бахтин:

"На Семипалатинском полигоне действовала ведомственная метеорологическая станция, имелся комплекс специальных сооружений, необходимых для ее работы, включающий производственные помещения, метеоплощадку, узел связи, вспомогательные объекты. Здесь работали военнослужащие срочной службы и офицеры-специалисты (синоптики и аэрологи)

При подготовке взрыва за 3-5 дней до ориентировочного срока по радиосвязи начина ли круглосуточно принимать метеорологические и аэрологические сводки, по этим данным строили карты погоды для уровней земли и стандартных высот с давлением 1000, 850, 700,500 ГПа и для более высоких уровней. Проводили систематические наблюдения на метеоплощадке по специальной программе, несколько раз в сутки выпускался радиозонд для определения характеристик атмосферы до высот 15-20 км (давление, температура, влажность, направление и скорость ветра).

Учет погодных условий заключался в необходимости выполнения следующих требований.

1. В момент взрыва погода не должна препятствовать визуальным наблюдениям за местом взрыва как с командного пункта, так и с самолета-лаборатории, находящегося в этот момент над его эпицентром. Должны отсутствовать явления, ухудшающие видимость (туман, низкие облака, пыльная буря или метель). Не должно быть грозовых явлений, штормового ветра. В целях безопасности участников испытаний направление ветра в точке взрыва и в слое предполагаемого распространения радиоактивного облака допускалось только в строго заданном секторе с тем, чтобы командный пункт, где вместе с охраной находилось ~ 50 чел., оказался с наветренной стороны относительно места взрыва.
2. После взрыва воздушные потоки должны переносить радиоактивное облако в заранее заданном секторе. При необходимости принимались меры по эвакуации военнослужащих полигона, находящихся в зоне предполагаемого шлейфа радиоактивных выпадений, в безопасную зону.
3. Обязательным условием было предвидеть такую синоптическую ситуацию, при которой радиоактивное облако в течение трех, а иногда и пяти суток, должно находиться внутри страны, не выходя за государственную границу. Это делалось с целью не допустить возможности контроля радиохимического состава продуктов взрыва станциями слежения зарубежных государств.
4. Взрыв должен быть произведен в момент, когда разведывательный спутник США вышел из сектора радиовидимости. С расписанием движения этого спутника нас знакомили заранее.

Если хотя бы одно требование не выполнялось, взрыв переносили на другое время. Были случаи, когда, непрерывно анализируя погодную ситуацию, мы ждали благоприятных условий в течение 3 недель".

При переходе к подземным ядерным испытаниям задачи и организация метеорологического обеспечения остались, в основном, прежними. Некоторые отличия в работе метеорологической службы заключались в том, что исчезла необходимость прогнозирования радиоактивного загрязнения и метеорологической обстановки на больших территориях, прилегающих к границам полигона. Более жесткие требования стали предъявляться к разработке мезомасштабных прогнозов, к изучению атмосферных особенностей и прогнозированию метеорологических ситуаций для рабочих площадок, приустьевых участков штолен, районов КПА и ППА.

С увеличением густоты сети постоянно действующих гидрометеорологических станций районе расположения полигона и с созданием стационарных метеостанций на некоторых площадках полигона стало возможным, используя данные их метеонаблюдений, получать полную картину синоптической ситуации в регионе. Это позволило существенно уменьшить количество создаваемых на время испытаний метеорологических и аэрологических постов. 1 время проведения подземных испытаний выставлялись 1-2 полевых аэрометеопоста с подвижными метеорологическими станциями на базе автомобилей.

С поступлением на полигон новых, более совершенных технических средств метео- службы и средств вычислительной техники существенно уменьшился объем ручного труда при получении, обработке и анализе аэро- и метеорологической информации. Исчезла необходимость привлечения специалистов из других частей, но соответственно возросли требования к квалификации сотрудников отдела метеорологического обеспечения. Существенно возрос объем и уровень научных исследований, проводимых в отделе.

При проведении подземных ядерных испытаний в большинстве случаев возникала НЕ - обходимость прогнозировать перемещение частиц на высоте менее 1 км. В связи с этим для данного уровня были разработаны методика расчета фактического поля давления и программа численного прогноза поля геопотенциала.

Особую трудность вызывала необходимость прогнозирования параметров ветра в районе горного массива Дегелен. Способ решения этой задачи был найден при изучении режимов ветра в районах конкретных рабочих площадок для различных направлений невозмущенного воздушного потока над массивом Дегелен с последующей привязкой результатов ожидаемым на момент взрыва параметрам ветра. С этой целью была разработана специальная методика изучения циркуляционного режима на приустьевых участках штолен и выработаны рекомендации по использованию полученных результатов при прогнозировании пара метров ветра.

При метеорологическом обеспечении испытаний и других работ в метеоподразделенш пользовались прогностическими данными, поступавшими от ГМЦ СССР или Новосибирского филиала ГМЦ. Эти данные не всегда удовлетворяли задачам и характеру проводимых на полигоне работ, так как для синоптического метода, который на протяжении длительного времени оставался основным методом при разработке прогнозов, всегда существует определенный предел дальнейшего повышения их качества.

Этот предел имеет физическую сущность, так как метод формальной экстраполяции не учитывает или не в полной мере учитывает нелинейные факторы, определяющие возникновение или исчезновение барических образований и существенным образом влияющие на их трансформацию и перемещение. Наиболее перспективным направлением дальнейшего повышения качества прогнозов погоды предполагалось внедрение, наряду с синоптическим методом, гидродинамического метода прогноза погоды, основанного на решении уравнений движения атмосферы и точно учитывающего необходимые физические процессы.

После проведения взрыва, исходя из реальной радиационной обстановки, осуществлялся контроль за перемещением воздушных масс из района работ над территорией страны с помощью как стационарных (радиометрическая сеть Росгидромета), так и мобильных средств авиационного контроля. Они, как правило, были представлены специально оборудованным приборно-измерительным комплексом самолетом-лабораторией радиационной разведки, предназначенным для контроля за радиоактивностью атмосферы и способным осуществлять такой контроль достаточно длительное время на различных высотах и больших удалениях от района испытания.

Для оценки принимаемых мер обеспечения безопасности и выбора метеоусловий для испытаний устанавливались внутренние "допускаемые" нормы выхода стронция-89 и цезия-137 в атмосферу (их газообразных материнских предшественников Кг-89, Хе-137) с точки зрения обеспечения условий Договора 1963 г. и исключения возможности получения информации о характере испытываемых зарядов современными техническими средствами иностранных государств. С течением времени (повышением чувствительности аппаратуры и уменьшением бета-фона за счет естественного распада) эти нормы ужесточались.

Суммарный бета-фон естественных радиоактивных веществ в атмосфере составляет в среднем 10~15 Ки/л (с учетом Rn-222, Rn-220 до 3-10~13 Ки/л у поверхности земли).

В 1963-1988 гг., исходя из концентрации Sr-89 в атмосфере 10~14 Ки/л и чувствительности измерительной аппаратуры на то время, допустимый выход Sr-89 в атмосферу с точки зрения выполнения договора 1963 г. для Семипалатинского полигона не должен был превышать (при условии удержания радиоактивных продуктов на территории СССР в течение 3 суток) - 10 Ки, для полигона Новая Земля (при условии удержания РПВ над территорией СССР в течение 5 суток) - 100 Ки.

С 1988 года были уменьшены допустимые нормы выходов радионуклидов в атмосферу по стронцию-89, которые не должны были превышать:

• для Семипалатинского полигона 1 Ки (при удержании 3 суток) над территорией СССР;
• для полигона Новая Земля - 10 Ки (при удержании над своей территорией 5 суток).

В случае таких выходов предельные возможности аэро-гамма-радиометрического метода по времени обнаружения не превышали 3-4 суток после взрыва.

Правительство СССР утверждало годовой план ядерных испытаний. Для подготовки и проведения каждого испытания назначалась Государственная комиссия, в состав которой, помимо специалистов МАЭ (МСМ) и МО, входили представители Министерства здравоохранения и Гидрометеоцентра СССР. Комиссия назначалась решением министров МАЭ и МО СССР. Работе комиссии предшествовал большой цикл одногодичных или двухгодичных работ. В эти работы в частности входили:

• изучение геологии (бурение разведочных скважин, бурение боевой скважины или прокладка боевой штольни);
• разработка ПромНИИПроектом полного проекта испытаний;
• проведение тщательной экспертизы проекта.

Экспертизы выполнялись на нескольких уровнях: в институтах-разработчиках ядерного оружия, на полигонах, в институтах Академии наук. Главная экспертиза безопасности испытаний проводилась "Межведомственной комиссией по оценке радиационной и сейсмической безопасности подземных ядерных испытаний" (МВЭК).

В состав МВЭК входили специалисты высокой квалификации (из МО, МАЭ, Минздрава, Госкомгидромета, АН СССР) в области физики, феноменологии и прогнозирования радиации и сейсмических эффектов ПЯВ, проводимых в различных геологических формациях, а также в области физических измерений и технического контроля. Включение специалистов в состав МВЭК выполнялось на конкурсной основе.

Специалисты МВЭК имели общий опыт работы в этой области 900 человеколет и работали на независимой основе. Расчеты-прогнозы и заключения МВЭК по конкретным испытаниям не утверждались руководством организаций и имели статус персональной ответственности. Результаты экспертизы (расчеты, заключение и предложения по обеспечению безопасности) направлялись в Государственную комиссию по проведению испытания. По заключению МВЭК проектное решение испытания могло быть скорректировано или же отменено.

День и час испытаний окончательно определяли министры МО и МАЭ СССР по докладу Государственной комиссии.

Председателями Государственных комиссий назначались либо высшие должностные лица руководства МО и МАЭ или главные конструктора институтов-разработчиков ядерного оружия (Арзамас-16, Челябинск-70).

В 1968 году организациями МСМ, МО, Академии наук и Институтом прикладной геофизики были подготовлены и утверждены "Временные рекомендации по проектированию подземных камуфлетных ядерных взрывов на полигонах МО СССР". "Временные рекомендации..." включали в себя методику определения минимально допустимых глубин заложена заряда, способы забивки штолен и скважин и методику оценки радиоактивного загрязнена атмосферы и поверхности земли. На основе этого документа выпускалась проектная документация на штольни и скважины в течение ~ 20 лет.

В процессе подготовки первого ПЯВ в 1961 г. специалистами ИФЗ АН СССР (В.Н.Родионов и другие) были сделаны теоретические оценки влияния взрыва на массив и сделаны оценки минимально необходимой глубины заложения заряда. Кроме того, в мае 1961 г. вблизи шт. В-1 в штольне В-2 (ЛНС~90 м) был проведен калибровочный взрыв химического ВВ с энерговыделением 150 т.

В.Н. Родионов

Для определения камуфлетной глубины в то время была принята следующая простая модель: существенное поднятие свободной поверхности грунта и прорыв газообразных продуктов взрыва будут исключены, если давление в полости будет меньше давления, которое может быть удержано разрушенным грунтом в поле силы тяжести.

Ученые МО под руководством Б.В.Замышляева, В.М.Гоголева, С.В.Бобровского в этот период разработали расчетные модели формирования полости взрыва, давления в ней, состава газовой среды, зон испарения, плавления, химического разложения пород. Эти методики позволили более уверенно выбирать глубины заложения зарядов в течение этого периода испытаний.

В частности, в этих моделях было установлено слабое влияние газовости породы на выбор минимальной глубины заложения и существенное влияние прочностных и акустических характеристик грунта и его газовости в зоне расплава.

На первом этапе развития технологии ПЯВ основные требования к проведению подземных ядерных взрывов определялись условием Договора 1963 года: радиоактивные осадки не должны быть обнаруживаемы за пределами Советского Союза.

Как показал опыт, это требование было выполнимо при надлежащем выборе глубины взрыва и при соответствующей герметизации канала (штольни или скважины), используемого для заглубления заряда.

Дополнительные требования были связаны с обеспечением безопасности в районе взрыва, так как полностью исключить выход радиоактивных продуктов, в частности, газообразных, практически невозможно.

Большое количество проведенных взрывов, удовлетворявших требованиям безопасности и условию Договора 1963 года, позволило использовать метод аналогов при разработке рекомендаций.

Под минимально допустимой глубиной заложения заряда (линией наименьшего сопротивления - ЛНС) понимается глубина, позволяющая обеспечить выполнение требований Договора о недопустимости выпадения радиоактивных осадков за пределами государственных границ СССР, а также позволяющая обеспечить радиационную безопасность участников испытаний и населения окружающих районов.

Для взрывов в штольнях на Семипалатинском полигоне минимально допустимые глубины взрыва в первые годы определялись по формуле:

Для взрывов в скважинах на Семипалатинском полигоне минимально допустимая глубина определялась по формуле:

Гранит является типичной магматической породой, содержащей незначительные количества газообразующих компонентов (вода, 0,2-0,4% по весу), поэтому в первых испытаниях в штольнях Семипалатинского полигона влияние "газовости" породы не было замечено. Отмечался лишь "печной" эффект, проталкивающий по трещинам атмосферный воздух через нагретую центральную зону взрыва. При этом в атмосферу выносилось незначительное количество газообразных радиоактивных продуктов, продифундировавших к каналам движения атмосферного воздуха.

Первые испытания на полигоне Новая Земля в штольнях "Г" и "Б" были осуществлен на приведенных глубинах 121 и 170 м/кт^1/3. В районе концевых боксов была типичная для полигона Новая Земля сланцевая порода, содержащая 3,8% воды и 4,6% СО₂. В обоих опыта отмечалось малоинтенсивное истечение радиоактивных продуктов из эпицентральной зоны (соответственно в пределах первых 10 минут и через 40 минут после взрыва). Эти испытания указывали на наличие качественно иного механизма выноса радиоактивных продуктов в атмосферу, не имеющего ничего общего с "печным" эффектом, характерным для гранитных пород Семипалатинского полигона. Здесь причиной выхода РПВ было избыточное давление газовой среды в полости взрыва.

Было показано, что при движении газоаэрозольной среды из полости взрыва к дневной поверхности все первичные радиоактивные аэрозоли сорбируются (даже при выходе столбе обрушения на дневную поверхность с формированием провальной воронки) и через эпицентральную зону в атмосферу выходят только газовые и летучие радионуклиды. При дальнейшем радиоактивном распаде из них образуются вторичные аэрозольные радионуклиды. Наиболее долгоживущим и экологически опасным среди них является стронций-89.

Регулировка времени начала выхода РП в атмосферу до требуемых значений могла быть достигнута путем увеличения глубины заложения ядерного заряда, выбором расположения концевого бокса в породе с минимальным количеством газообразующих компонентов, совершенствованием забивочного комплекса штолен и разработкой специальных локализационных мероприятий и обустройств.

При реальном проведении подземных ядерных испытаний на полигоне Новая Земля свобода маневра по увеличению времени начала выхода РП в атмосферу была ограниченной. Регулировка глубин заложения зарядов затруднялась особенностями горного массива. Выбор оптимального расположения концевого бокса в подходящей по "газовости" породе неоднократно реализовывался в испытаниях 80-х годов, но он также не всегда был свободен. Ограничения также возникали из-за финансовых затрат.

Прочностные и упругие свойства породы, пластичность определяются минеральным составом. Пористость не находится в функциональной зависимости от минерального состава. Она возникает под воздействием на литосферу многих внешних факторов (космических, тектонических, метеорологических и др.). Однако степень пористости и трещиноватости массива существенно влияет на физико-механические свойства породы, а это в свою очередь существенно влияет на формирование полости камуфлетного ядерного взрыва, зоны дробления и трещин.

В пластичных малопористых породах (например, каменная соль), в которой прочностные характеристики находятся в пределах одного порядка с литостатическим давлением на глубине заложения ядерного заряда (600-1000 м), полость образуется в основном за счет вытеснения соответствующего объема породы в зону упругого сжатия породы, а затем на дневную поверхность массива без образования раскрытых трещин.

В скальной породе, в которой прочностные свойства существенно превышают (на порядок и более) литостатическое давление на глубине заложения ядерного заряда, полость взрыва формируется за счет выборки пористости породы в объеме зоны дробления.

Камуфлетные ядерные взрывы в скальных породах с малым коэффициентом пластичности (кварцит, гранит) сопровождаются образованием максимально возможной сети трещин как по протяженности, так и по раскрытию. Если в массиве Дегелена это не было замечено ранее по эффекту прямого напорного выхода радиоактивных веществ при взрывах мощностью несколько кт, то только потому, что кварцит и гранит имеют незначительные количества газообразующих компонентов, и при завершении конденсационных процессов избыточного давления в полости взрыва не было. При этом обрушение полости взрыва было достаточно поздним (часы, десятки часов после взрыва). Однако после обрушения полости взрыва практически всегда отмечался выход сохранившихся газовых радиоактивных продуктов. Носителем их являлся воздух, слегка подогреваемый в столбе обрушения.

На основании результатов первых ПЯВ при указанных минимально допустимых глубинах взрыва в штольнях и скважинах Семипалатинского полигона было установлено, что в атмосферу возможен выход только радиоактивных газов и йодов. Вследствие этого требования к метеорологической обстановке в районе испытаний ограничивались условиями исключения заметного повышения уровней радиации (по сравнению с фоновыми значениями) в районах проживания людей.

В первых подземных испытаниях, производимых в породах средней и большой прочности, использовалась следующая конструкция забивок скважины.

Первый участок забивки (считая от центра взрыва) выполнялся в виде столба воды (или бурового раствора), в которую погружен заряд.

На глубине 60 м создавалась первая цементная или песчано-цементная пробка длиной до 10D где D - внутренний диаметр скважины.

Над первой пробкой насыпался песок. В контакте с песчаной засыпкой размещалась вторая цементная или песчано-цементная пробка. Над второй пробкой скважина засыпалась песком вплоть до устья.

В 1980-1987 гг. организациями МО, МАЭ и АН СССР была разработана методика выбора глубин заложения с учетом закономерностей формирования газовой среды в полости взрыва, фильтрации продуктов взрыва по разрушенной породе и их распространения в атмосфере.

Теоретический анализ особенностей пород Северного полигона с учетом их физико-механических свойств и газообразующих компонентов позволил в 80-е годы ученым МО дать рекомендации о минимальных глубинах заложения зарядов в сланцевых и известняковых породах.

В этот период также совершенствовались забивочные комплексы в штольнях и скважинах, разрабатывались технические меры по исключению выхода РПВ через штольню (скважину) в атмосферу. Значительный прогресс произошел в разработке технических устройств для обеспечения безопасности в облучательных опыта.

В конце 1988 года в связи с общими тенденциями по обеспечению экологической чистоты потенциально опасных технологий была поставлена задача разработки и создания более совершенной технологии ядерных испытаний с локализацией всех РПВ в пределах полости взрыва (котловой полости).

Толчком для быстрого юридического оформления новых критериев безопасности послужили также социально-политические события в Казахстане после испытания 12.02.89 в скважине 1366 на Семипалатинском полигоне.

Приведем подробные данные об этом испытании. Ядерный заряд был подорван на приведенной глубине, большей, чем 120 м/кт^1/3. Участок скважины от поверхности до глубины 8 м сложен мезокайнозойскими отложениями, представленными дресвой и щебнем с песчаным заполнителем. Отложения нижнего карбона от 8 до 591 м и далее представлены туфобрекчиями и, значительно реже, туфопесчаниками. Средняя газовость пород при температуре Т- 1000°С составляет менее 6%. Забивочный комплекс был выполнен в соответствии с проектом. В скважине проводилось испытание одного изделия. Спускная колонна цементировалась в интервале глубин 0-170 м.

Радиационная обстановка в районе проведения испытания характеризовалась истечением и распадом газообразных радиоактивных продуктов, выход которых по пробоотборным магистралям начался в "Ч" + 1 ч. 52 мин., а через трещины в эпицентральной зоне в атмосферу - в "Ч" + 3 ч. 30 мин. Струя радиоактивных газов, вышедших в атмосферу, распространялась в слое 50-200 м от поверхности земли. Максимальное удаление, на котором прослеживалась струя радиоактивных газов, составило 230 км на "Д" + 1 от места истечения.

Радиационная разведка непосредственно над поселком Чаган осуществлялась 14.02.89 на вертолете МИ-8МТ с помощью дозиметрических приборов ДП-5Б, ДРГ-01Т и ДКС-04. В период 17.00-17.30 (время местное) дважды был совершен облет жилой зоны населенного пункта по его периметру на высоте 25 м. Максимальная зарегистрированная мощность дозы не превышала 27-30 микрорентген в час.

Пятнадцатого февраля в период 15 ч. 30 мин. - 16 ч. 45 мин. на вертолете МИ-8МТ проведена повторная радиационная разведка над жилой зоной поселка Чаган, стоянкой, техническими зданиями и складами служебной зоны. Мощность дозы на это время во всех точках не превышала фоновых значений.

Контроль за распространением радиоактивных продуктов в атмосфере осуществлялся с помощью рентгенометра ПСР-1, установленного на борту самолета АН-26. Результаты авиационной разведки района проведения испытания представлены в таблице 2.17.

В "Ч" + 48 часов в районе максимального выхода радиоактивных продуктов из трещин были отобраны пробы газовоздушной смеси, растительности, грунта и снега.

Анализ результатов измерений показал, что радионуклидный состав представлен исключительно изотопами ксенона-133,135, а максимально зарегистрированная концентрация радиоактивных газов за все время истечения в районах населенных пунктов была менее 1·10^-10 Ки/л.

В конце 80-х годов при ядерных испытаниях стали использоваться новые критерии для обеспечения экологической безопасности. К ним относились:

1. Отсутствие остаточного радиоактивного загрязнения поверхности территории полигона.
2. Непревышение уровня колебаний естественного радиационного фона за счет эффектов ПЯВ (кроме эсхаляции радона) за границами полигонов.
3. Гарантированное отсутствие дополнительного радиационного воздействия на население и экосистему прилегающих к полигону районов.
4. Активность радионуклидов, образующихся при ПЯВ, должна быть меньше 1% активности радионуклидов, нарабатываемых на АЭС страны за тот же период.

Первый критерий исключает выброс аэрозольной компоненты при ПЯВ и выход радиоактивных благородных (инертных) газов (РБГ) в количествах больших, чем создающих заметный (на уровне флуктуации естественного фона) дополнительный эффект за счет осаждения дочерних продуктов распада РБГ на дневную поверхность.

Второй критерий основан на использовании коэффициентов метеорологического (атмосферного) разбавления РГБ. Пример такого подхода приведён в табл.2.18, где концентрация РБГ приведена для случая равномерного выхода 104 Ки РБГ в течение 24 часов.

Третий критерий может быть обеспечен для конкретного эквивалента ПЯВ выбором соответствующих геологических условий, газовости породы, глубины заложения заряда и погодных условий. Это гарантирует непревышение уровня колебаний естественного фона в ближайших населенных пунктах и облучения населения в пределах, не превышающих современных норм. Для иллюстрации отметим, что концентрация ксенона-135 в воздухе 5·10^-11 Ки/л создает мощность дозы на открытой местности < 10 мкР/ч.

Четвертый критерий сопоставляет величины активности, инъецированной в эко(гео)сферу при ПЯВ и при работе АЭС. Активность продуктов ядерного взрыва эквивалентом 100 кт по делению и их концентрация в расплаве приведены в таблице 2.19 (принято, что при взрыве образуется 1000 т расплава/кт).

На время более 100 лет после ПЯВ концентрация радионуклидов в породе (расплав это, в основном, продукты деления, близка к активности 1%-ной урановой руды (2-10^-8 Ки/г; U²³⁸ в условиях равновесия со своими продуктами распада), а при временах ~1-100 лет- к уровню активности низко- и среднеактивных отходов.

В год от всех подземных ядерных взрывов с суммарным эквивалентом по делению 1Мт образуется не более 10⁷ Ки активности (однолетнего "возраста"). Эта активность сконцентрирована на глубине > 400 м в расплаве с низкими коэффициентами выщелачиваемости (≤10^-5 г/см²сутки). АЭС мощностью 1 ГВт (эл) за год нарабатывает продукты деления с активностью 5·10⁷ Ки при выдержке 1 год. Для реальной величины мощности всех АЭС в РФ 20 ГВт (эл) образуется общая активность 10⁹ Ки (через 1 год выдержки). Как видно отсюда, доля подземных испытаний с указанным суммарным эквивалентом составит ≤1% активности радионуклидов, нарабатываемых АЭС России.

Отметим, что при выборе точки заложения заряда учитывались характеристики пор с точки зрения возможности обеспечения наименьших коэффициентов выщелачивания радионуклидов после взрыва (в условиях Северного полигона эта зона, недоступная для поступления воды).

Действуют дополнительные факторы, предупреждающие загрязнение окружающей среды:

• большая длина миграции в сочетании с низкими скоростями миграции, связанная с большой глубиной заложения;
• сорбция большинства радионуклидов на геохимических барьерах на путях миграции.

Кроме радиационных критериев безопасности, были введены критерии сейсмической и химической безопасности (химические критерии вводились для обеспечения безопасности испытателей и в перспективе для технологии уничтожения химически токсичных материалов, в частности, химического оружия).

Одним из отрицательных факторов, вызывавших обеспокоенность и тревогу у населения при проведении ПЯВ, было сейсмическое воздействие на ближайшие населенные пункты и г. Семипалатинск. "Несомненен отрицательный психогенный эффект сейсмического воздействия, порождающий состояние беспокойства, возмущения, страха, подавленности у людей" (заключение комиссии А.Ф.Цыба, 1989 г.).

В качестве критерия сейсмической безопасности в конце 80-х годов был принят уровень 3 балла. Сейсмическое воздействие на таком уровне не ощущается большинством людей в любом населенном пункте вне границ полигона. Для выполнения этого критерия предполагалось уменьшить допустимую мощность испытаний на СИП до 10 кт.

Второй критерий: дополнительное сейсмическое воздействие от всех ядерных испытаний в год не должно превышать 1 % от землетрясений по числу (и энергии).

Известно, что при ПЯВ в виде упругой энергии выделяется не более 5%. При суммарном энерговыделении 500 кт (3-4 ПЯВ по 150 кт) упругая энергия составит 25 кт, а в этом диапазоне энерговыделения происходит 5·10⁴ землетрясений в год.

Появились принципиально новые разделы, которые необходимо было рассматривать и отражать в проектах и экспертизах на ядерные испытания. При подготовке любого испытания в проектной документации должен был быть раздел "Предупреждение радиационных аварий и ликвидация их последствий" (аналогично разделу 14 ОСП 72/87 для АЭС). В нем должны были содержаться разделы "Проектная авария" и "Гипотетическая авария". В проекте обязательно должны были быть предусмотрены технические и организационные меры по ликвидации аварий. В случае реализации максимальной проектной аварии могло допускаться превышение уровня дозы при испытании в 5 раз, но при условии непревышения порога 5 бэр/год на все испытания.

В 1987 г. ВНИИЭФ предложил критерии безопасного проведения ядерных испытаний, определив допустимые величины выхода РПВ в атмосферу на уровне предприятий атомного цикла, в частности, АЭС.

Чтобы уменьшить выход РПВ в атмосферу (первый этап) в 103-104 раз, необходимо было разработать превентивные инженерно-технические мероприятия по локализации и удержанию РПВ в пределах испытательной площадки. При этом из-за высоких требований по надежности и герметичности система локализации должна была гарантировать необходимые уровни удержания РПВ.

Анализ результатов ~ 100 испытаний в скважинах, проведенный специалистами ВНИИЭФ и Семипалатинского полигона, позволил сформулировать требования к элементам системы локализации. При ядерном испытании в скважине 1352 впервые применялась подобная система локализации, предложенная ВНИИЭФ.

Эта система была построена по принципу:

• быстрой локализации РПВ в "Ч" +15 мин. на оголовке скважины;
• локализации РПВ, выходящих из трещин в массиве в период до "Ч" + 1 час в радиусе до 300 м.

После взрыва все мероприятия по локализации были завершены в период от "Ч" + 9 мин. до "Ч" + 60 мин.

Малоинтенсивный выход РБГ через район оголовка скважины был полностью локализован предложенной системой локализации. Истечение радона из массива было зафиксировано в интервале "Ч" + 1-2 часа.

В проведении и обсуждении измерений до опыта и после испытания (уже через 10 минут) принимали участие представители различных общественных организаций - члены независимой межведомственной комиссии, образованной Министерством здравоохранения СССР, представитель общества "Невада", корреспонденты газет, представитель Павлодарской области и т.д. Председатель межведомственной комиссии А. Ф. Цыб утвердил отчет независимой комиссии, в котором зафиксировано отсутствие выхода радиоактивных газов в атмосферу.

Подобная технология локализации применялась в нескольких испытаниях.

В СССР была принята следующая классификация радиационных событий при ядерных испытаниях:

Штатные радиационные ситуации - это испытания, в которых радиоактивные продукты были локализованы в горном массиве, или произошел, предсказанный заранее межведомственной комиссией по оценке радиационных и сейсмических последствий при ядерных испытаниях, выход радиоактивных благородных газов в атмосферу, не приведший к значимому остаточному загрязнению поверхности земли. В определение штатной ситуации входит также отсутствие незапланированного облучения персонала и потери измерительной информации.

К нештатным радиационным ситуациям мы относим события, в которых произошел непредсказанный заранее выход радиоактивных продуктов взрыва в атмосферу. Как правило, при этом происходит ранний динамический выход радиоактивности.

Отдельную категорию нештатных ситуаций представляют собой испытания живучести и стойкости военной техники к действию ядерного взрыва, в которых реализовались так называемые аварийные ситуации (не обязательно радиационные).

В эту же категорию нештатных ситуаций мы выделяем также испытания в штольнях, в которых хотя и не произошел выход радиоактивности в атмосфере, но произошла авария, приведшая, например, к потере измерительной информации. Так в одном из опытов в 1983 г. произошел выход инертных радиоактивных газов по обходной штольне, которая не была полностью забита бетоном, щебеночной засыпкой.

Особо отметим, что технология проведения подземных ядерных испытаний обеспечила полную радиационную безопасность населения в прилегающих к полигонам районам: во всех подземных испытаниях средняя годовая доза отдельных групп населения (группа Б) составляла не более нескольких процентов от установленных в СССР санитарных норм (в том числе, даже в случаях испытаний с нештатными радиационными ситуациями).

Штатные радиационные ситуации (37 испытаний).

14 испытаний (36%) - радиоактивные продукты локализованы в горном массиве практически полностью.

23 испытаний (60%) сопровождались просачиванием в атмосферу радиоактивных инертных газов, без остаточного загрязнения.

Нештатные радиационные ситуации (2 испытания - 4%).

Два испытания (в штольне А-9,14.10.69 и в штольне А-37,02.08.87) сопровождались динамическим истечением в атмосферу продуктов взрыва.

Штольня А-9 пройдена в горном массиве Лазарева. Опыт одиночный. Порода в районе концевого бокса (КБ) - доломит.

На участке между первой и второй силовыми забивками имелась тектоническая трещина, забитая глинкой трения. Наличие этой трещины в сочетании с тем, что район концевого бокса был - доломите (породе с высокой газовостью), - явились основной причиной осложнений, возникших в ходе испытаний.

В результате повышения давления газов между первым и вторым участками силовых забивок (за счет проникновения их через разрушенную первую забивку) произошла продувка тектонической трещины, заполненной глинкой трения. Чтобы осуществить эту работу, необходимо было давление, превышающее литостатическое (более 70 кг/см²). Образовался канал диаметром ~ 10 м. В атмосферу на 62 минуте вырвался газопылевой столб высотой 350 м и диаметром 50 м. Поскольку основным газовым компонентом в нем был углекислый газ, который в 1,5 раза тяжелее воздуха, газопылевая масса после охлаждения спустилась по склону горы в долину, где протекает река Шумилиха. В районе дельты реки газопылевое облако вышло в пролив Маточкин Шар.

При подземном ЯВ в штольне А-37А через 1,5 минуты неожиданно произошел прорыв парогазовой смеси по трещине естественного разлома подтаявшего ледника на склоне горы по оси штольни, обусловленный напорным попаданием высокотемпературных продуктов взрыва в межзабивочное пространство штольни. В атмосферу, помимо смеси РБГ, попали также радионуклиды бария, йода, цезия, стронция, сурьмы, теллура и др.

В связи со штилевой метеообстановкой в течение шести суток радиоактивные продукты "зависли" над технологической площадкой, обуславливая МЭД в контрольных точках свыше 500 Р/ч. Создалась аварийная ситуация, потребовавшая немедленной эвакуации персонала в безопасную зону.

Радиоактивные продукты медленно растекались, не доходя до мыса Столбового, а в южном и юго-восточном направлении - до губы Грибовая и Малого Пухового озера, где они "застоялись" на несколько суток. 7 августа, то есть через 5 дней, радиоактивные продукты были обнаружены в районе залива Абросимова.

Самолет-лаборатория радиационного контроля в период с 5 по 7 августа радиоактивных продуктов в районе Кольского полуострова не обнаружил. В последующем, 7-8 августа, в связи с перемещением антициклона по направлению к Шпицбергену ветер в районе Новой Земли переменился на северо-восточный, а на юге Баренцева моря - на восточный и юго-восточный. Поэтому оставшиеся в районе Новой Земли радиоактивные продукты, начиная с 8 августа, могли перемещаться по юго-восточной периферии антициклона на Кольский полуостров и север Скандинавии. Построенные в Гидрометеоцентре обратные траектории от Швеции с 11 августа подтверждают такую возможность выноса, начиная с 8 августа.

Количество образовавшихся в атмосфере стронция-89 и цезия-137 оценивалось в ~1,5·10¹³ и 1,8·10¹¹ Бк соответственно. Количество попавших в атмосферу радионуклидов йода составляет примерно 3,7-10¹³ Бк. В настоящее время в районе штольни А-37А сохраняется санитарно-защитная зона (МЭД составляет 50-60 мкР/ч, максимальное значение под порталом штольни - до 0,5 мР/ч).

Отметим, что выпадений радиоактивных продуктов за пределами полигона в идентифицируемых количествах не произошло, за исключением следовых количеств радиоиода.

К ситуации, близкой к нештатной, можно отнести испытание в штольне-шахте В-1 (12.09.73, зона "В"). Перед опытом комиссия, безусловно, не смогла предсказать откол части горного массива, который привел к уничтожению нескольких фургонов с измерительной аппаратурой.

Нештатность ситуации при этом испытании была вызвана тремя факторами: значительным содержанием газообразующих компонентов в породе (СО2 - 5-19%, Н2О - 5% по весу), относительно небольшой приведенной глубиной взрыва в одном из боксов и значительными тектоническими нарушениями в горном массиве.

В ходе испытаний произошел откол значительной части горного массива и образовавшимся камнепадом была сформирована плотина, перегородившая впадину между горными массивами.

50% испытаний могут быть отнесены к взрывам полного камуфлета, а ~46% - взрывы неполного камуфлета с выходом в атмосферу инертных радиоактивных газов в эпицентральной зоне взрыва в вентиляционном режиме истечения и 4% - с напорным истечением РПВ на поверхность.

Нештатные радиационные ситуации (13 испытаний) и их характеристики приведены в таблице 2.20.

В программе мирных ядерных взрывов вне границ полигонов было реализовано 113 штатных радиационных ситуаций и 4 нештатные радиационные ситуации:

Характеристики радиационной обстановки промышленных взрывов на выброс, прове¬денных на Семипалатинском полигоне, приведены в таблице 2.21.

Как видно из представленных данных, нештатные радиационные ситуации, напрямую связанные с нарушением камуфлетности и непредсказанные заранее до проведения испыта¬ний, составляют ~ 4% от числа проведенных камуфлетных подземных ядерных взрывов.