"Капризы" подземных испытаний ядерного оружия

5 августа 1963 года СССР, США и Великобритания подписали московский Договор о запрещении испытаний ядерного оружия в атмосфере, космическом пространстве и под водой. Он вступил в силу 10 октября того же года. Договором также запрещаются "любые подземные ядерные взрывы, если они вызывают выпадение радиоактивных осадков за пределами территориальных границ государства, под юрисдикцией или контролем которого проводятся такие взрывы".

Новоземельский полигон предназначался для проведения подземных испытаний ядерных зарядов средней и большой мощности. Для этого были выбраны высокие горы, расположенные по южному берегу пролива Маточкин Шар.

Первый подземный ядерный взрыв на Новоземельском полигоне, проведенный 17 сентября 1964 года в штольне "Г" по мощности взрыва и глубине заложения заряда был точно такой же, как и первый ядерный взрыв 11 октября 1961 года на Семипалатинском полигоне. Однако по радиационному эффекту он резко отличался от "семипалатинского". Если при последнем радиактивные вещества были обнаружены в атмосфере через 3-4 часа после взрыва, то при "новоземельском" они появились в эпицентральной зоне сразу после взрыва, на первой минуте.

Второй подземный ядерный взрыв на Новоземельском полигоне в штольне "Б" был проведен 25 октября 1964 года еще на большей приведенной глубине 180 м/кт ^1/3 (в 1,5 раза глубже, чем в штольне "Г"). Радиактивные вещества начали выходить в атмосферу по штольне через 38 минут после взрыва.

Волков Анатолий Николаевич родился в 1938 г. После окончания Ленинградского Высшего Военно-Морского Училища инженеров оружия был направлен служить на Семипалатинский ядерный полигон. За обеспечение радиационной безопасности при испытаниях ядерного оружия на Семипалатинском полигоне награжден медалью «За боевые заслуги. В январе 1968 года в ИФЗ успешно защитил диссертацию на соискание ученой степени кандидата технических наук и в апреле был переведен для дальнейшей службы в научно-исследовательский институт Военно-Морского Флота - в войсковую часть 70170. В период с мая 1968 года по август 1975 года практически ежегодно был руководителем экспедиции на Новоземельском полигоне Министерства обороны СССР, на котором проводились подземные испытания ядерных зарядов значительно большей мощности, чем на Семипалатинском полигоне. Рассказ из сборника воспоминаний "Частицы отданной жизни".

Первые два взрыва, проведенные в 1964 году, свидетельствовали о том, что механизм выхода радиоактивных веществ в атмосферу при ядерных взрывах в штольнях Новой Земли совершенно иной, чем при взрывах в штольнях Семипалатинского полигона. При камуфлетных ядерных взрывах в газосодержащих породах Новой Земли — сланцах, так же как и при американских взрывах в штольнях в породе "туф" штата Невада, выход радиоактивных веществ в атмосферу происходит под влиянием избыточного давления газов в полости ядерного взрыва, a в штольнях Семипалатинского полигона — под влиянием вентиляции воздуха в горных выработках.

На 3-й и 4-й подземные ядерные взрывы большой мощности мегатонного класса, проведенные одновременно 27 октября 1966 года в штольнях А-1 и А-2, я был прикомандирован с Семипалатинского полигона для обмена опытом и исследования радиационных эффектов. В момент взрыва я находился на самолете-лаборатории Института прикладной геофизики в 60-70 км от места взрыва. Помню, как воздушной ударной волной самолет тряхнуло, а самописец гамма-рентгенометра почему-то выдал "пик", в то время совершенно непонятный для нас. Несмотря на его наличие, мы стали подлетать к месту взрывов. "Пик" пропал. Пролетели над громаднейшей воронкой большого диаметра. Уровней радиации не зафиксировали. Однако при втором заходе над эпицентром на меньшей высоте, на 18 минуте после взрыва авиационный гамма-рентгенометр начал показывать наличие радиоактивности, которая затем быстро возрастала. Запросили с земли скорость и направление ветра и стали сопровождать головку радиоактивной газовой струи. На удалении около 100 км через 3 часа после взрыва начали проводить сечение газовой струи на различных высотах с целью определения расхода радиоактивности и отбора радиоактивных аэрозолей на фильтры-гондолы. Максимальные уровни радиации в струе составляли 1,5-2,0 р/час. В отобранных пробах радиохимиками (Алексей Петрович Шмелев, Ирина Анатольевна Герасимова) были выделены радиоизотопы стронция-89 и цезия-137, по соотношению которых определено, что выход в атмосферу радиоактивных газов начался на 9-й минуте после взрыва. Радиоизотопов йода в фильтрах не обнаружено, что свидетельствовало об их задержке значительной толщей горной породы (глубина заложения ядерного заряда в штольне А-1 по линии наименьшего сопротивления составляла 623 метра).

Вот такое было мое первое знакомство с Новой Землей. В последующем, начиная с 1968 года после перевода на службу в войсковую часть 70170, я ежегодно был почти на всех подземных испытаниях на Новоземельском полигоне вплоть до их прекращения в 1990 году.

Необходимо было срочно определить такие условия проведения подземных испытаний в штольнях на Новой Земле, при которых выходящие в атмосферу радиоактивные газы не были бы обнаружены за пределами государственной границы Советского Союза. Особенно сложная задача стояла перед метеорологами, которым предстояло выбрать такую метеоситуацию, чтобы в день взрыва направление ветра было на юг вдоль архипелага Новая Земля, а затем еще в течение 4-х суток траектории воздушных масс распространялись бы над территорией Российской Федерации. Иногда такую погоду выжидали более месяца. Так в 1968 году необходимая метеобстановка сложилась только в праздник 7 ноября. В этот день был проведен групповой ядерный взрыв в штольне А-3. В концевом боксе штольни ядерный заряд был окружен высокогазовой породой доломитом, содержащей 43 процента по весу углекислого газа, а в промежуточном боксе — практически безгазовой породой кварцитом. Выход радиоактивных газов в атмосферу в эпицентральной зоне самолетом-лабораторией был зафиксирован на 35 минуте после взрыва, а через устье штольни гамма-датчиками, установленными в штольне, спустя 3-4 часа после взрыва. Радиоактивных аэрозолей стронция-89 и цезия-137 не обнаружено.

Неблагоприятная радиационная обстановка для участников испытания сложилась в следующем 1969 году при взрыве ядерного заряда в доломите штольне А-9 14 октября. Сначала через 25-30 минут после взрыва начался медленный выход радиоактивных газов в эпицентральной зоне, а затем почти через час, когда испытатели подъезжали к штольне для снятия пленок регистрации и выставленных приборов, произошел прорыв газов в атмосферу по тектонической трещине, проходящей по зоне разлома на стыке двух пород — доломита и сланца. На устье штольни мощность дозы достигла нескольких сотен р/час. Вот что значит избыточное давление газов в зоне взрыва.

Перед нами, научными сотрудниками в/ч 70170, остро встала задача определить величину этого давления и вообще разработать методику прогноза радиационной обстановки при ядерных взрывах в газосодержащих породах Новой Земли. Эту работу возглавил заместитель начальника 6-го отдела Николай Афанасьевич Роговой, прекрасный физико-химик и экспериментатор. В его научную группу входил и я, уже будучи кандидатом технических наук.

Давление газов в полости подземного ядерного взрыва обуславливается массой газов, образующихся за счет термического разложения в породе газосодержащих минералов, их температурой и объемом полости взрыва. Поскольку количество термически разложенной породы и объем полости взрыва пропорциональны мощности взрыва, то давление газов в полости не зависит от мощности взрыва.

Для определения давления нами был разработан экспериментальный метод определения массы породы, разложившейся с выделением газов, основанный на определении в пробе газовой среды из штольни радиоизотопа ксенона-133 и углекислого газа СО₂. Зная общее количество ксенона-133, образовавшегося при взрыве известной мощности, содержание в породе углекислого газа и соотношение в пробе газов ХЕ₁₃₃ и СО₂ нетрудно вычислить количество породы, подвергшейся газовыделению. Такие определения были сделаны при взрыве в сланце штольни А-1 и при взрыве в доломите штольни А-9.

Поначалу нам с Николаем Афанасьевичем казалось, что чем больше мы отберем газов для лабораторного анализа, тем точнее будет результат. Поэтому для отбора газовых проб мы использовали обычные стандартные бочки. Откачав из бочек воздух и создав там вакуум, мы размещали их в штольне в 150-200 метрах от устья. После взрыва, получив от гамма-датчиков, установленных вблизи бочек, информацию о подходе фронта газов, спустя некоторое время мы давали сигнал на разгерметизацию бочек. Дождавшись, когда радиационная обстановка в штольне будет более или менее благоприятной, то есть уровни радиации не превышали бы десяти рентгенов в час, мы надевали изолирующие противогазы ИП-46, заходили в "вонючую" штольню за своими бочками и вытаскивали их на приустьевую площадку. Далее вертолетами доставляли бочки в Рогачево, а затем на автомашинах в лабораторию для проведения химического (Вера Анатольевна Маслобойщикова) и гамма-спектрометрического (Ванда Иосифовна Пахом) анализов.

Выделившиеся из породы газы при высоких температурах в полости взрыва вступают в химические реакции между собой и углеродом, содержащимся в породе, образуя окись углерода, водород, сероводород и сероокись углерода. Поскольку значения констант равновесия химических реакций зависят только от температуры, то каждой температуре соответствует свой строго определенный химический состав газов, зависящий при данной температуре только от минералогического состава породы. Оказалось, что особо температуро-чувствительным является соотношение окиси углерода (CO) и водорода (Н₂). В лабораторных опытах, которые в основном проводила Вера Анатольевна Маслобойщикова, анализировался химический состав газов при различных температурах разложения образцов горной породы, предварительно отобранных из концевых боксов штолен. Таким образом находилась зависимость отношения содержаний в выделяющихся газах СО и Н₂ от температуры разложения породы.

Пользуясь этой зависимостью, по экспериментально найденным в газовых пробах из штолен соотношениям СО и Н₂ определялась температура газов, при которой происходило формирование данного химического состава газов в полости взрыва. Для взрывов в сланцах она составляла 1200-1600^o К. Знание массы газов и ее температуры позволило оценить давление неконденсирующихся газов в полости взрыва, являющимися носителями радиоактивных газов-изотопов криптона и ксенона. Получено, что при взрывах в сланцах в зависимости от их "газовости" давление составляет 10-15 атм., а при взрывах в доломите примерно 45 атм. Теперь стало ясно, почему произошла аварийная радиационная обстановка при взрыве в доломите штольни А-9 и почему при первом взрыве малой мощности в штольне "Г" (глубина заложения заряда 125м) произошел очень ранний выход в атмосферу радиоактивных веществ.

Позже нами был предложен и экспериментально проверен В 1977 году при взрыве в скважине 1080 Семипалатинского полигона более точный способ определения массы термически разложенной взрывом породы с использованием в качестве репера радиоактивного изотопа углерода-14. Метод основан на том, что после взрыва атомы репера углерода-14 равномерно распределяются в полости среди всех атомов углерода, источником которых является углекислый газ, выделившийся в полость из породы. Тогда, определив в пробах удельную активность углекислого газа по углероду-14 и зная количество заложенного репера С-14 и содержание в породе углекислого газа, нетрудно вычислить искомое значение. При взрыве в скважине 1080 (порода — алевролит, содержание СО₂ — 3,55 процентов) таким способом было получено значение, равное 266 тонн/кт, примерно такое же количество 270 тонн/кт получено и для взрыва в сланце штольни А-17 на Новой Земле, проведенного 1 сентября 1977 года. В скважине 1080 осуществлялось также непосредственное измерение давления неконденсирующихся газов в полости взрыва. С этой целью на оголовке скважины на незацементированной спускной колонне устанавливался датчик давления аппаратуры "Сплав" (разработка научной группы, возглавляемой к.т.н. Виталием Павловичем Ивановым). Датчиком зафиксировано максимальное давление 12-13 атм. Расчетное значение давления при радиусе полости подземного ядерного взрыва в алевролите, равном 12 м/кт^1/3, и содержании в нем воды 3,55 процента и углекислого газа 3,58 процента составляет величину, равную 12,2 атм.

Для разработки методики прогноза радиационной обстановки и выбора условий проведения подземных ядерных взрынов в штольнях на Новой Земле, чтобы не было нарушения московского Договора, требовалось теперь оценить только газопроницаемость горных пород после проведения в них подземных ядерных взрывов. Коэффициент газопроницаемости пород определялся из решения уравнений фильтрации газов при известных экспериментальных данных по времени начала выхода радиоактивных газов в атмосферу и длине слоя фильтрации газа (глубине заложения ядерного заряда по линии наименьшего сопротивления). Полученная зависимость коэффициента газопроницаемости горных пород от приведенной глубины взрыва была положена в основу методики прогноза радиационной обстановки и расчета концентрации радиоактивных аэрозолей в атмосфере на различных удалениях от места взрыва.

Наибольшую опасность с точки зрения обнаружения продуктов взрыва из всех радиоактивных аэрозолей, образующихся из вышедших в атмосферу радиоактивных газов, представляет изотоп стронций-89, имеющий наиболее долгоживущего газообразного предшественника криптона-89. Его предельно допустимая концентрация в атмосфере определяется фоном радиоактивных выделений по стронцию-89, который составлял 0,2 мкюри/кв.км за 1 сутки. Этому значению плотности радиоактивных осадков соответствует концентрация в воздухе 2410^-16 кюри/литр. Таким образом, требование, чтобы концентрация стронция-89 в атмосфере за пределами государственной границы не превышала 2410^-16 кюри/литр, адекватно требованию необнаружения стронция-89 в радиоактивных выпадениях от данного взрыва и является условием возможности его проведения. Для соблюдения этого условия нами было определено значение минимально допустимой глубины заложения ядерных зарядов средней и большой мощности при взрывах в штольнях Новой Земли, которое составило 95 м/кт ^1/3.4. Это значение было утверждено и принято в качестве официальной величины для ненарушения требований московского Договора.