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 2

ПОДЗЕМНЫЕ ЯДЕРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ:
ТЕХНОЛОГИИ, ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ,
МЕРЫ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ БЕЗОПАСНОСТИ


2.3   ФИЗИЧЕСКАЯ КАРТИНА НАЧАЛЬНОЙ СТАДИИ ПОДЗЕМНОГО ЯДЕРНОГО ВЗРЫВА


При теоретическом исследовании механического действия подземного ядерного взрыва на грунт обычно выделяют две последовательные стадии его развития: начальную и упруго- пластическую.

Поскольку на начальной и упругопластической стадиях происходят существенно различные физические процессы, исследования этих стадий обычно проводят раздельно.



Начальная стадия взрыва

На начальной стадии воздействие ядерного взрыва на грунт осуществляется в результате непосредственной передачи энергии от заряда грунтовой среде за счет прогрева грунта излучением и действия на грунт разлетающегося вещества заряда. На этой стадии происходит интенсивное перераспределение энергии взрыва между грунтом, контейнером заряда и воздухом камеры заложения заряда. В грунте формируется характерная для ядерных взрывов область высокого давления. Начиная с момента времени, когда давление на фронте ударной волны в грунте снижается до величины ~ 100 кбар, существенную роль начинают играть прочностные свойства грунта.

Основными физическими процессами, которые необходимо учитывать на начальной стадии взрыва, являются перенос энергии излучением и сильные газодинамические течения. Вследствие высоких давлений и температур можно пренебречь влиянием прочности грунта: поведение грунтовой среды на начальной стадии взрыва описывается в рамках модели идеальной сжимаемой жидкости (гидродинамическое приближение).

Для решения уравнений радиационной газовой динамики используются различные численные модели на ЭВМ.

Энергия взрыва по определенному закону выделяется в объеме заряда или некоторой его части. Выделившаяся энергия переходит в общем случае в энергию излучения и внутреннюю энергию вещества заряда. Начальные параметры такого источника рассчитываются исходя из таких средних характеристик заряда, как мощность заряда, его масса, размеры.



Адиабатическая газодинамическая стадия взрыва

При достаточно высоких плотностях энергии взрыва ядерных устройств основным механизмом переноса энергии является лучистый перенос, который в достаточно плотных средах имеет характер нелинейной теплопроводности. Важная роль теплопроводных процессов на ранней стадии взрыва весьма ярко проявляется при рассмотрении газодинамических течений на малых расстояниях от заряда. По мере подключения к движению все новых и новых областей вещества интенсивность теплового потока ослабевает. Перепад давления, обусловленный тепловой волной и первоначальными неоднородностями плотности, постепенно приводит к развитию газодинамического движения вещества. Вначале это движение происходит существенно неадиабатически (преобладает тепловой поток). Но в определенный момент от фронта тепловой волны отделяется газодинамическая волна сжатия с ударным фронтом. При этом перенос энергии в области между фронтом тепловой и ударной волны по веществу существенно затормаживается. Движение фронта ударной волны приводит к увеличению области адиабатического течения. Более того, по мере разлета и передачи энергии окружающим слоям про¬исходит охлаждение вещества, первоначально охваченного тепловой волной. Снижение температуры приводит к значительному ослаблению теплопроводных процессов даже в этой области. Поэтому в целом движение на поздней стадии взрыва можно считать адиабатическим. Заметим, что в поздние моменты, когда плотность «холодного» вещества в слоях, приле¬гающих к тепловой волне, значительно снижается (до ~102 г/см3), вновь начинается продвижение теплового фронта, и масса вещества в тепловой волне возрастает в 2—3 раза. Однако тот процесс слабо влияет на движение фронта основной ударной волны, так как подавляющая часть энергии при этом уже передана «холодным» слоям вещества.

Вместе с тем плотность энергии вещества даже на адиабатической стадии явления настолько велика, что твердые в обычных условиях вещества теряют свои прочностные свойства, и в полной мере проявляется их сжимаемость. При этом движение описывается уравнениями адиабатической газодинамики, для замыкания которых достаточно уравнения состояния в виде:

p = p (ρ, ε)

Область изменения термодинамических переменных в рассматриваемом классе явлений далека от нормальных условий и весьма широка (например, р ~ 0,4-300 Мбар, ρ ~ 0,05-12 г/см3). Получение уравнений состояния, справедливых в такой области, требует привлечения экспериментальных данных по ударной сжимаемости веществ, полученных в лабораторных опытах (р < 2 Мбар) и в условиях натурных экспериментов (р < 10 Мбар), а также требует ис¬пользования данных о свойствах веществ, полученных с помощью теоретических моделей при p > 100 Мбар). В совокупности эта информация не покрывает всю необходимую область изменения термодинамических переменных. Поэтому для интерполяции между имеющимися данными привлекаются зависимости, основанные на полуфеноменологических моделях вещества (например, уравнение состояния Ми-Грюнайзена). Это обуславливает дополнительные погрешности в расчетно-теоретическом описании рассматриваемого явления.

Уравнение состояния принадлежит широкому классу непрерывных функций, огра¬ниченному лишь слабым в аналитическом отношении требованием термодинамической ус¬тойчивости состояний вещества. Поведение плотных веществ в газодинамических процессах с приемлемой в ряде случаев точностью описывается функциями вида:


p(ρ, ε) = Px(ρ) + Pт(ρ, ε) = ρ0C02 φ( σ) + Г(σ, εт/C02)ρε             (1)

εт = ε - εx(ρ)

εx(ρ) = ε - εx(ρ) = ∫ Px(ρ)∂ρ/ρ2

Здесь индексами «х» и «т» обозначены холодные и тепловые составляющие соответствующих величин; ρ0 — плотность вещества, при которой «холодное» давление обращается в нуль; δ = ρ/ρ0 — «сжатие», С0 - эффективная скорость звука. Функции φ(δ) и Г(δ, εт/C02) выбираются таким образом, чтобы удовлетворить совокупности имеющихся эксперименталь¬ных и теоретических данных о свойствах вещества.

Для описания грунта в области высоких термодинамических параметров, характерных для гидродинамической зоны ядерного взрыва, в общем случае используется смесевое трехкомпонентное уравнение состояния силикатных пород, построенное на основе уравнений состояния грунтового скелета (SiO2) воды и воздуха, содержащихся в порах грунта. При описании термодинамического состояния скелета грунта и воды используются широкодиапазонные интерполяционные уравнения состояния, учитывающие процессы испарения, диссоциации и ионизации вещества. В уравнениях состояния скелета грунта и воды учтены поправки, связанные с неточностью описания электронной составляющей при низких температурах по модели атома Томаса-Ферми (ТФ) и немонотонностью используемых зависимостей, аппроксимирующих расчеты по модели ТФ. Тепловая часть электронной составляющей была заменена на более точные данные, рассчитанные по модели ТФ с квантовыми и обменными поправками. Характерным для большинства веществ является то, что сжатие их в газодинамических процессах осуществляется ударным образом - скачком, шириной фронта которого во многих прикладных вопросах можно пренебречь.

При решении адиабатической задачи о взрыве предполагается мгновенное или распределенное во времени достаточно быстрое выделение энергии в некоторых слоях вещества. Суммарная выделившаяся при этом энергия Е0 называется энергией взрыва. Интенсивность газодинамического движения (в частности, параметры ударной волны на определенных расстояниях от заряда) зависит от выделившейся энергии. Именно это обуславливает принци¬пиальную возможность определения энергии взрыва по результатам измерений параметров фронта волны при наличии зависимостей, связывающих эти параметры со значением энерговыделения.

В общем случае решение задачи об адиабатической газодинамической стадии взрыва в плотных средах может быть получено численно на ЭВМ с помощью соответствующих математических программ. Существуют также точные или приближенные аналитические решения ряда упрощенных задач, которые имеют не только теоретическое, но и прикладное значение. Так, при интерполяции результатов ядерных испытаний в воздухе широко применялось полученное Л.И.Седовым решение задачи о точечном взрыве в идеальном газе. Некоторые из таких решений используются при выяснении закономерностей взрывов в реальных средах.

По мере удаления фронта волны от места взрыва и вовлечения в движение новых масс вещества плотность энергии падает, и амплитуда ударной волны уменьшается. Приближенно можно считать, что


(Vф — объем вещества, охваченного движением).

С другой стороны, из вида уравнения состояния плотных сред (1) следует, что вещество можно считать сжимаемым, когда давление ударного сжатия близко или больше величины ρ0Со2. Сравнение этой величины с ориентировочным законом изменения давления на фронте волны дает линейный масштаб области адиабатического газодинамического движения

который часто называют динамическим радиусом взрыва. Ему соответствует временной масштаб

Непосредственные расчеты подтверждают, что радиус области газодинамического дви¬жения конденсированных сред при сильных взрывах r действительно близок к rd. В то же время величина td заметно больше характерного интервала времени газодинамического движе¬ния t, так как скорость ударной волны во всей области движения превосходит С0. Принимая, например, степенной закон изменения D

получаем t = td/(к + 1). Для сильного взрыва в газе к = 1,5 и t = 0,4td. Реальные взрывы характеризуются также линейным масштабом r0, представляющим собою либо размер неоднородностей, связанных с размещением заряда в среде, либо размер области, охваченной тепловой волной. Такие взрывы будем называть сильными, если

r0 < rd                     (2)

или начальная плотность энергии

Кроме того, для обеспечения взрывного характера движения необходимо, чтобы временной масштаб энерговыделения t0 был значительно меньше t. Последнее условие при ядерных взрывах всегда выполняется. Условие (2) является более сильным. Однако при необходимости использования газодинамических измерений для определения энергии взрыва возможна постановка испытания с выполнением этого условия.

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