Ядерные испытания Атмосферные ядерные взрывы ТЕХНОЛОГИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ЯВ ВЗРЫВ НА НЕВАДСКОМ ПОЛИГОНЕ ВЗРЫВ НА СЕМИПАЛАТИНСКОМ ПОЛИГОНЕ ПОЛИГОН «НОВАЯ ЗЕМЛЯ»

полигон в Аламогордо, штат Нью-Мексико. Это было испытание первой в мире атомной бомбы. На участке диаметром в 1.6 километра в небо взметнулся гигантский фиолетово-зелено-оранжевый огненный шар. Земля содрогнулась от взрыва, к небу поднялся белый столб дыма и стал постепенно расширяться, принимая на высоте около 11 километров устрашающую форму гриба. Первый ядерный взрыв поразил военных и научных.

Ядерные испытания в СССР Оглавление


ГЛАВА 1

ТЕХНОЛОГИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЯДЕРНЫХ ИСПЫТАНИЙ В АТМОСФЕРЕ.
ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ.
МЕРЫ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ БЕЗОПАСНОСТИ


1.12   ХАРАКТЕРИСТИКИ УРОВНЕЙ ГЛОБАЛЬНОЙ НАРАБОТКИ ДОЛГОЖИВУЩИХ РАДИОНУКЛИДОВ В АТМОСФЕРНЫХ ЯДЕРНЫХ ВЗРЫВАХ СССР

Оценки наработки и параметров глобальной активности долгоживущих радионуклидов продуктов деления

При определении наработки долгоживущих радионуклидов продуктов деления в атмосферных ядерных взрывах СССР мы будем исходить из того, что примерно 50% общего энерговыделения Е0 в период испытаний было обусловлено энерговыделением за счет реакции деления ядер. Мы учли далее, что основная часть энерговыделения испытания 30.10.61 имела термоядерную природу. Таким образом, для наших оценок Е0яд = 100 Мт.

В качестве типичной реакции деления, определяющей основной вклад в ядерное энерговыделение, мы рассматриваем реакцию деления ядер U-238 термоядерными нейтронами.

Основными радионуклидами продуктов деления, определяющими долговременную активность в рассматриваемых интервалах времени (десятилетия после проведения ядерных испытаний в атмосфере), являются Sr-90 и Cs-137 (со своими дочерними радионуклидами Y-90 и Ва-137 m), характеризуемые периодами полураспада Т1/2 = 28,5 лет и T1/2 = 30,2 года. В таблице 1.32 приведены для сравнения удельные наработки активности этих радионуклидов (Ки/кт) при делении ядер U-238 термоядерными нейтронами, а также при делении ядер Pu-239 и U-235 нейтронами спектра деления.

Поскольку со времени наработки активности в ядерных испытаниях прошло t = 36 лет, то при определении содержания рассматриваемых радионуклидов в среде обитания необходимо учитывать уменьшение их активности вследствие распада ядер. К настоящему времени осталось ~ 42% ядер Sr-90 и ~ 44% ядер Cs-137 от уровня их исходной наработки.

В соответствии со сделанными предположениями величина интегрального содержания активности радионуклидов продуктов деления в среде обитания, обусловленная атмосферными ядерными взрывами СССР, оценивается:

Поскольку на 1 распад Sr-90 приходится две β-частицы (вместе с Y-90), а на один распад Cs-137 приходится одна β-частица и 0,94 γ-кванта (Ва-137), то интегральная β-активность наработки составляет:


Cβ = 1,38•107 Ки

а интегральная γ- активность наработки составляет:


Cγ = 5,64•106 Ки

При определении средних характеристик глобальных радиоактивных выпадений, обусловленных этой активностью, мы будем предполагать, что 20% активности сосредоточено в местах локальных выпадений вблизи районов ядерных испытаний, а 80% активности определяет глобальное распределение активности. Кроме того, при оценке эффективной поверхностной плотности выпадений активности мы предположим, что 70% активности выпало на территории северного полушария планеты, а 30% - на территории южного полушария. В соответствии с этими предположениями получим, что средняя плотность глобального выпадения активности за счет атмосферных ядерных взрывов СССР составляет для северного полушария к нашему времени:

При равномерном распределении этой активности в верхнем слое грунта с массовой толщиной, например, m = 10 г/см2 глобальная удельная концентрация рассматриваемых радионуклидов в нем составит:

Sr-90 и Cs-137 не имеют прямых природных аналогов-радионуклидов. Для сравнения величин, однако, укажем, что типичная концентрация такого природного β, γ-распадчика, как К-40, составляет К (К-40) = 400 Бк/кг для верхних слоев грунта, а его содержание в гидросфере превышает активность наработки Sr-90 + Cs-137 в 2•104 раз.

Уровень внешнего облучения, создаваемый γ-квантами Ва-137m, оценивается при этом в Рγ = (0,22-0,44) мрад/год в различных предположениях о параметрах заглубления активности Cs-137 в грунт за прошедшее время после проведения испытаний, что в (100-300) раз меньше естественного среднего уровня γ-облучения, оцениваемого в (50-70) мрад/год.

Значительная наработка относительно долгоживущей активности связана с изотопами Sb-125 с T1/2 = 2,77 г, Pm-147 с Т1/2 = 2,62 г и Eu-155 с Т1/2= 4,96 г, хотя относительно небольшие периоды полураспадов этих радионуклидов обусловили распад основной части этой активности к данному времени. В таблице 1.33 приведены удельные характеристики наработки активности этих изотопов С (Ки/кт) при делении ядер U-238 термоядерными нейтронами, ослабление их активности W за счет распада радионуклидов в течение t = 36 лет после их наработки и значения интегральной наработки активности С0 (Ки) этих радионуклидов к данному времени в рассматриваемых взрывах.

Распад привел к тому, что активность этих радионуклидов составляет < 10-2 от активности Cs-137 и Sr-90.


Таблица 1.33
ИзотопSb-125Pm-147Eu-155Всего
C
W
C0
2,65•102
1,2•10-4
3,2•103
6,45•102
0,73•10-4
4,7•103
27,5
0,65•10-2
1,8•104
 
 
2,6•104

Таблица 1.33
РадионуклидSe-79Zr-93On-99Pd-107Sn-1261-129Cs-135Всего
T1/2 (лет)
С
0,65•105
2,25•10-3
1,55•106
2,65•10-3
2,1•105
22,9•10-3
6,5•106
0,23•10-3
1•105
12,6•10-3
1,57•107
0,11•10-3
2,3•106
2,2•10-3
 
4,3•10-2

Следующим важным долгоживущим радионуклидом продуктов деления является Sm-151 с Т1/2= 87 лет. Удельная наработка при делении ядер U-238 термоядерными нейтронами оценивается в С (Sm-151) = 8,1 Ки/кт. Ослабление активности Sm-151 за t = 36 лет невелико (~1,33 раза). В соответствии с этим интегральная наработка активности Sm-151 в среде обитания за счет рассматриваемых атмосферных взрывов может быть оценена в данное время


С0(Sm-151) = 6,1•105 Ки

Средняя поверхностная концентрация активности Sm-151 на территории северного полушария может быть оценена в:


q0(Sm-151) = 1,32•10-3 Ки/км2

Массовая концентрация активности Sm-151 в верхних слоях грунта может быть оценена (при распределении активности в слое с массовой толщиной m = 10 г/см2) в K0 (Sm-151) = 0,48 Бк/кг.

К отдельной группе долгоживущих радионуклидов продуктов деления можно отнести радионуклиды с очень большими временами жизни (Т1/2 ≤ 104 лет), обладающие относительно небольшой удельной активностью. Характеристики наработки удельной активности этих радионуклидов приведены в таблице 1,34 (в Ки/кт) дли процесса деления ядер U-238 термоядерными нейтронами.

Интегральная наработка активности этой группы радионуклидов составила в рассматриваемых взрывах


C0 = 4,3•103 Ки

Эта величина в ~ 1,4•102 раз меньше уровня глобальной наработки такого радионуклида как Sm-151.

Глобальное поступление активности долгоживущих продуктов деления в окружающую среду было ограничено за счет проведения ядерного испытания 30.10.61 в неполномасштабном варианте, когда энерговыделяющие модули заряда из U-238 были заменены на инертные слабоактивируемые материалы.

При полномасштабном испытании этого заряда глобальное поступление активности долгоживущих продуктов деления возросло бы по сравнению с рассмотренными выше оценками в 1,5 раза.

Следует также учитывать, что к моменту проведения взрыва 30.10.61 интегральная мощность ядерных испытаний СССР составляла всего E0 = 55,5 Мт и поэтому проведение полномасштабного ядерного взрыва привело бы к увеличению интегральной мощности и глобального выхода активности продуктов деления в атмосферных ядерных взрывах СССР в 3 раза по сравнению с реализованным к тому моменту уровнем.



Оценки наработки и параметров глобальной активности плутония

При определении уровней характеристик глобальной активности Pu, обусловленных атмосферными ядерными взрывами СССР, необходимо учитывать:

Первая категория поступления активности Pu определяется количеством атмосферных ядерных взрывов и средним уровнем заложенной активности Pu на один взрыв. Величина глобального поступления активности Pu этого вида составляет С1 (Pu) = 3,7•104 Ки.

Другая категория поступления активности Pu определяется общим энерговыделением ядерных взрывов (исключая ядерный взрыв 30.10.61) и удельной наработкой активности Pu на единицу мощности. Величина глобального поступления активности Pu этого вида составляет С2(Pu) = 1,88•105 Ки, а общее глобальное поступление активности Pu за счет атмосферных ядерных взрывов СССР можно оценить в С0(Pu) = 2,25•105 Ки.

В рассмотренных выше предположениях величина среднего глобального выпадения активности Pu в северном полушарии за счет рассматриваемых взрывов оценивается в q0(Pu) = 0,48•10-3 Ки/км2. Среднее содержание активности Pu в верхнем слое грунта (при ее равномерном распределении в слое массовой толщины m = 10 г/см2) оценивается при этом в K(Pu) = 0,18 Бк/кг.

Хотя Pu не имеет естественных природных аналогов, его активность можно сравнить с содержанием а-активности естественного U-238 и Th-232 в верхних слоях грунта и в гидросфере.

Типичная α-активность U-238 в равновесии с дочерним продуктом U-234 для почвы оценивается в (25-30) Бк/кг, что в (150-200) раз выше оцененной средней глобальной концентрации активности Pu. Для такого радионуклида, как Ra-226 (член радиоактивного уранового ряда), типичная концентрация α-активности в почве составляет 40 Бк/кг, что в 250 раз выше оцененной средней концентрации Pu. Для Th-232 типичный уровень α-активности в почве близок к уровню активности U-238. Таким образом, среднее содержание α-активности U-238, Ra-226 и Th-232 в верхних слоях грунта в 500 раз превышает среднюю глобальную концентрацию Pu.

Уровень содержания α-активности U-238 (в равновесии с U-234) в гидросфере оценивается в C(U-238) = 1,3•109 Ки. Для Th-232 содержание его активности в гидросфере оценивается в C(Th-232) = 0,7•108 Ки. В случае равновесия Ra-226 с U-238 в гидросфере его α-активность в гидросфере составит C(Ra-226) = 0,65•109 Ки. Таким образом, α-активность U-238 в гидросфере превышает в 104 раз α-активность наработанного Pu.



Оценки наработки и параметров глобальной активности трития

Наработка тритиевой активности в термоядерных взрывах определяется количеством трития, произведенного в основном в термоядерных реакциях вида:


Li-6 + n → T + He-4

D + D → T + P

He-3 + n → T + P

и невыгоревшего в реакции:

T + D → He4 + n

Наработка остаточного трития может достаточно сильно варьировать в ядерных зарядах различной категории. Суммарная наработка Т в атмосферных ядерных взрывах СССР может быть оценена в М0(Т) = 170-220 кг, причем основная часть всей этой наработки произведена в сверхмощных ядерных взрывах.

Поскольку удельная активность трития составляет С0(Т) = 104 Ки/г, то интегральная наработка тритиевой активности составила во время производства испытаний C0(T) = (1,7-2,2•109 Ки. Через t=36 лет со времени проведения атмосферных испытаний вследствие распада ядер Т (T1/2 = 12,3 года) его активность уменьшилась в 7,6 раз и может быть оценена к данному времени в С0(Т)=(2,2-2,9)•108 Ки.

По различным оценкам содержание природного трития в гидросфере составляет С(Т)=(1,5-3,5)•109 Ки и соответственно глобальный тритиевый фон от атмосферных испытаний СССР может составлять к настоящему времени (7-19)% от естественного уровня.

При растворении всего наработанного трития в мировом океане удельная концентрация трития в воде составит К(Т)= 1,5•10-13 Ки/л, что на порядок меньше содержания Т в морской воде средних широт до проведения ядерных испытаний. Отметим, что уровень ПДК для содержания трития в воде, предназначенной для использования, определен нормами радиоактивной безопасности в 1,7•10-6 Ки/л, что на 7 порядков превышает полученную оценку К(Т).



Оценки наработки и параметров глобальной активности радиоуглерода-14

При проведении воздушных ядерных взрывов подавляющая часть нейтронов, выходящих из взрывного устройства, замедляется в воздухе и захватывается атмосферным азотом в реакции n + N-14 → р + С-14 с наработкой радиоактивного углерода С-14, обладающего значительным временем жизни.

Период полураспада углерода С-14 составляет T1/2 = 5,73•103 лет, а его удельная активность равна С0(С-14) = 4,45•103 Ки/кг.

Наработка активности С-14 в атмосферных ядерных взрывах СССР может быть оценено в С0(С-14) = 3,7•106 Ки.

При среднем содержании СО2 в составе атмосферы 3,1•10-2 % активность естественного C-14 оценивается в 10-12 Ки/м3 или в целом по атмосфере С (С-14) = 4•106 Ки.

При уровне содержания природного радионуклида С-14 в количестве С= 6,2•10-12 Ки/г углерода и содержании углерода в морской воде (2-3)•10-3 % естественная активность гидросферы по углероду С-14 составляет С (С-14) = 2•108 Ки. В соответствии с этим вклад наработки активности С-14 в атмосферных ядерных взрывах СССР составляет ≤ 1,8% естественной активности С-14 гидросферы.

Определенный вклад в развитие отечественной гражданской и военной сейсмологии внёс и Институт сейсмологии АН Узбекистана, созданный по инициативе автора этих строк в 1966 году после разрушительного Ташкентского землетрясения. Наши достижения в 80-х годах прошлого столетия в области автоматизации сейсмических наблюдений способствовали возникновению в Ташкенте и другого, сугубо "военизированного", научного учреждения - НИИ "Алгоритм" АН Уз ССР, в котором работали и мои воспитанники и подопечные.
Измерения при подземных ядерных испытаниях

Создание ядерного оружия в СССР