Подземные ядерные испытания — это испытательный подрыв ядерного оружия , который проводится под землей. Когда испытываемое устройство зарыто на достаточной глубине, ядерный взрыв может быть локализован без выброса радиоактивных материалов в атмосферу.
Экстремальная температура и давление подземного ядерного взрыва вызывают изменения в окружающей породе. Порода, ближайшая к месту испытания, испаряется , образуя полость. Дальше находятся зоны раздробленной, потрескавшейся и необратимо напряженной породы. После взрыва порода над полостью может обрушиться, образовав щебневую трубу. Если эта труба достигнет поверхности, может образоваться чашеобразный кратер проседания .
Первое подземное испытание состоялось в 1951 году. Дальнейшие испытания вскоре привели ученых к выводу, что даже несмотря на экологические и дипломатические соображения, подземные испытания имеют гораздо большую научную ценность, чем все другие формы испытаний. Это понимание оказало сильное влияние на правительства первых трех ядерных держав, подписавших Договор об ограниченном запрещении испытаний в 1963 году, который запрещал все ядерные испытания, за исключением проводимых под землей. С тех пор и до подписания Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний в 1996 году большинство ядерных испытаний проводились под землей, что предотвращало попадание дополнительных ядерных осадков в атмосферу.
Общественная обеспокоенность по поводу радиоактивных осадков от ядерных испытаний возросла в начале 1950-х годов. [1] [2] Радиоактивные осадки были обнаружены после испытания «Тринити» , первого в истории испытания атомной бомбы, в 1945 году. [2] Производители фотопленки позже сообщили о «запотевших» пленках ; это было отслежено до упаковочных материалов, полученных из сельскохозяйственных культур Индианы, загрязненных «Тринити» и более поздними испытаниями на испытательном полигоне в Неваде , на расстоянии более 1000 миль (1600 км). [2] Интенсивные радиоактивные осадки от испытания «Саймон» 1953 года были задокументированы вплоть до Олбани, штат Нью-Йорк. [2]
Выпадение радиоактивных осадков после испытания «Браво» в марте 1954 года в Тихом океане имело «научные, политические и социальные последствия, которые продолжались более 40 лет». [3] Многомегатонное испытание вызвало выпадение радиоактивных осадков на островах атоллов Ронгерик и Ронгелап , а также на японском рыболовном судне, известном как « Дайго Фукурю Мару» («Счастливый дракон»). [3] До этого испытания существовала «недостаточная» оценка опасности выпадения радиоактивных осадков. [3]
Испытание стало международным инцидентом. В интервью Public Broadcasting Service (PBS) историк Марта Смит утверждала: «В Японии это становится огромной проблемой не только с точки зрения правительства и его протеста против Соединенных Штатов, но и все разные группы и все разные люди в Японии начинают протестовать. Это становится большой проблемой в СМИ. Есть всевозможные письма и протесты, которые приходят, что неудивительно, от японских рыбаков, жен рыбаков; есть студенческие группы, все разные типы людей; которые протестуют против использования американцами Тихого океана для ядерных испытаний. Они очень обеспокоены, прежде всего, тем, почему Соединенные Штаты вообще имеют право проводить такие испытания в Тихом океане. Они также обеспокоены воздействием на здоровье и окружающую среду». [4] Премьер-министр Индии «выразил повышенную международную обеспокоенность», когда призвал к прекращению всех ядерных испытаний во всем мире. [ кто? ] [1]
Знания об осадках и их последствиях росли, а вместе с ними и беспокойство о глобальной окружающей среде и долгосрочном генетическом ущербе . [5] Переговоры между Соединенными Штатами, Соединенным Королевством, Канадой, Францией и Советским Союзом начались в мае 1955 года по вопросу международного соглашения о прекращении ядерных испытаний. [5] 5 августа 1963 года представители Соединенных Штатов , Советского Союза и Соединенного Королевства подписали Договор об ограниченном запрещении испытаний, запрещающий испытания ядерного оружия в атмосфере, в космосе и под водой. [6] Соглашение было достигнуто благодаря решению разрешить подземные испытания, что исключило необходимость в инспекциях на месте, которые беспокоили Советы. [6] Подземные испытания были разрешены при условии, что они не приведут к «присутствию радиоактивных обломков за пределами территориальных границ государства, под юрисдикцией или контролем которого проводится такой взрыв». [5]
После анализа подводных взрывов, которые были частью операции «Перекресток» в 1946 году, были сделаны запросы относительно возможной военной ценности подземного взрыва. [7] Таким образом, Объединенный комитет начальников штабов США получил согласие Комиссии по атомной энергии США (AEC) на проведение экспериментов как по поверхностным, так и по подповерхностным взрывам. [7] Первоначально для этих испытаний в 1950 году был выбран остров Амчитка на Аляске , но позже это место было признано непригодным, и испытания были перенесены на испытательный полигон в Неваде. [8]
Первое подземное ядерное испытание было проведено 29 ноября 1951 года. [9] [10] [11] Это был Buster-Jangle Uncle мощностью 1,2 килотонны , [12] который взорвался на глубине 17 футов (5,2 м) под землей. [10] Испытание было разработано как масштабное исследование последствий 23-килотонного проникающего в землю ядерного оружия пушечного типа , которое тогда рассматривалось для использования в качестве оружия для создания кратеров и уничтожения бункеров . [13] Взрыв привел к образованию облака, которое поднялось на высоту 11 500 футов (3 500 м) и выпало на север и северо-северо-восток. [14] Образовавшийся кратер был шириной 260 футов (79 м) и глубиной 53 фута (16 м). [13]
Следующим подземным испытанием был Teapot Ess , 23 марта 1955 года. [10] Взрыв мощностью в одну килотонну был эксплуатационным испытанием « атомного фугасного боеприпаса » (ADM). [15] Он был взорван на глубине 67 футов (20 м) под землей, в шахте, облицованной гофрированной сталью, которая затем была засыпана мешками с песком и землей. [16] Поскольку ADM был зарыт под землей, взрыв поднял тонны земли вверх, [15] создав кратер шириной 300 футов (90 м) и глубиной 128 футов (39 м). [16] Образовавшееся грибовидное облако поднялось на высоту 12 000 футов (3700 м), а последующие радиоактивные осадки дрейфовали в восточном направлении, пройдя расстояние до 140 миль (225 км) от эпицентра. [15]
26 июля 1957 года Plumbbob Pascal-A был взорван на дне шахты глубиной 486 футов (148 м). [17] [18] Согласно одному описанию, он «открыл эру подземных испытаний с великолепной пиротехнической римской свечой !» [19] По сравнению с надземным испытанием, количество радиоактивных обломков, выброшенных в атмосферу, было уменьшено в десять раз. [19] Начались теоретические работы по возможным схемам сдерживания. [19]
Plumbbob Rainier был взорван на глубине 899 футов (274 м) под землей 19 сентября 1957 года. [17] Взрыв мощностью 1,7 кт был первым, который был полностью локализован под землей, не вызвав никаких радиоактивных осадков. [20] Испытание проводилось в горизонтальном туннеле в форме крюка на глубине 1600 [21] –2000 футов [22] (от 500 до 600 м). [ 22] Крюк «был спроектирован таким образом, чтобы взрывная сила перекрывала неизогнутую часть туннеля, ближайшую к детонации, прежде чем газы и осколки деления смогут выйти вокруг изгиба крюка туннеля». [22] Это испытание стало прототипом для более крупных и мощных испытаний. [20] О Rainier было объявлено заранее, чтобы сейсмические станции могли попытаться записать сигнал. [23]
Анализ образцов, собранных после испытания, позволил ученым разработать понимание подземных взрывов, которое «сохраняется по существу неизменным и сегодня». [23] Эта информация впоследствии легла в основу последующих решений о согласии на Договор об ограниченном запрещении испытаний. [23]
Cannikin , последнее испытание на объекте на Амчитке, было взорвано 6 ноября 1971 года. Приблизительно пять мегатонн , это было крупнейшее подземное испытание в истории США. [24]
Эффекты подземного ядерного испытания могут различаться в зависимости от таких факторов, как глубина и мощность взрыва , а также природа окружающей породы. [25] Если испытание проводится на достаточной глубине, говорят, что испытание проводится в условиях ограниченного пространства, без выброса газов или других загрязняющих веществ в окружающую среду. [25] Напротив, если устройство зарыто на недостаточной глубине («недорыто»), то порода может быть выброшена взрывом, образуя кратер проседания, окруженный выбросами , и выпуская газы под высоким давлением в атмосферу (образующийся кратер обычно имеет конический профиль, круглый и может иметь диаметр и глубину от десятков до сотен ярдов [26] ).
Одной из цифр, используемых для определения того, насколько глубоко должно быть зарыто устройство, является масштабированная глубина захоронения , или -взрыв (SDOB) [25] Эта цифра рассчитывается как глубина захоронения, деленная на кубический корень мощности. Предполагается, что для обеспечения сдерживания эта цифра должна быть больше 300 футов (100 м) на килотонну 1/3 . [25] [27]
Энергия ядерного взрыва высвобождается за одну микросекунду . В течение следующих нескольких микросекунд испытательное оборудование и окружающая порода испаряются с температурой в несколько миллионов градусов и давлением в несколько миллионов атмосфер . [25] В течение миллисекунд образуется пузырек газа и пара высокого давления. Тепло и расширяющаяся ударная волна заставляют окружающую породу испаряться или плавиться еще дальше, создавая полость расплава . [26] Движение, вызванное ударом, и высокое внутреннее давление заставляют эту полость расширяться наружу, что продолжается в течение нескольких десятых долей секунды, пока давление не упадет достаточно, до уровня, примерно сопоставимого с весом породы выше, и больше не может расти. [26] Хотя это и не наблюдается при каждом взрыве, в окружающей породе были описаны четыре отдельные зоны (включая полость расплава). Зона дробления , примерно в два раза превышающая радиус полости, состоит из породы, которая потеряла всю свою прежнюю целостность. Зона трещин , примерно в три раза превышающая радиус полости, состоит из породы с радиальными и концентрическими трещинами. Наконец, зона необратимой деформации состоит из породы, деформированной давлением. [26] Следующий слой подвергается только упругой деформации ; деформация и последующее освобождение затем формируют сейсмическую волну . Через несколько секунд расплавленная порода начинает собираться на дне полости, а содержимое полости начинает остывать. Отскок после ударной волны вызывает накопление сжимающих сил вокруг полости, называемых клеткой сдерживания напряжения , герметизирующей трещины. [28]
Через несколько минут или дней, как только тепло достаточно рассеется, пар конденсируется, и давление в полости падает ниже уровня, необходимого для поддержки покрывающей породы, порода над пустотой падает в полость. В зависимости от различных факторов, включая выход и характеристики захоронения, это обрушение может распространиться на поверхность. Если это произойдет, образуется кратер проседания . [26] Такой кратер обычно имеет форму чаши и имеет размер от около 100 футов до более полумили в диаметре. [26] На испытательном полигоне в Неваде 95 процентов испытаний, проведенных при масштабированной глубине захоронения (SDOB) менее 150, вызвали обрушение поверхности, по сравнению с примерно половиной испытаний, проведенных при SDOB менее 180. [26] Радиус r (в футах) полости пропорционален кубическому корню выхода y (в килотоннах), r = 55 * ; Взрыв мощностью 8 килотонн создаст полость радиусом 110 футов (34 м). [28]
Другие особенности поверхности могут включать в себя нарушенную почву, гребни давления , разломы , движение воды (включая изменения уровня грунтовых вод ), камнепады и оползни. [26] Большая часть газа в полости состоит из пара; его объем резко уменьшается по мере падения температуры и конденсации пара. Однако есть и другие газы, в основном углекислый газ и водород , которые не конденсируются и остаются газообразными. Углекислый газ образуется в результате термического разложения карбонатов , водород образуется в результате реакции железа и других металлов из ядерного устройства и окружающего оборудования. Количество карбонатов и воды в почве и доступное железо необходимо учитывать при оценке сдерживания испытательного полигона; водонасыщенные глинистые почвы могут вызвать структурное разрушение и вентиляцию. Твердая подвальная порода может отражать ударные волны взрыва, также возможно вызывая структурное ослабление и вентиляцию. Неконденсирующиеся газы могут оставаться поглощенными в порах почвы. Однако большое количество таких газов может поддерживать достаточное давление, чтобы вытеснять продукты деления в землю. [28]
Выход радиоактивности из полости известен как отказ сдерживания . Массовые, быстрые, неконтролируемые выбросы продуктов деления, вызванные давлением пара или газа, известны как выбросы ; примером такого отказа является тест Банеберри . Медленные, неконтролируемые выбросы радиоактивности при низком давлении известны как просачивания ; они имеют мало или совсем не имеют энергии, не видны и должны быть обнаружены приборами. Поздние утечки представляют собой выбросы неконденсирующихся газов через несколько дней или недель после взрыва, путем диффузии через поры и трещины, вероятно, с помощью снижения атмосферного давления (так называемая атмосферная откачка ). Когда необходимо получить доступ к испытательному туннелю, выполняется контролируемая продувка туннеля ; газы фильтруются, разбавляются воздухом и выбрасываются в атмосферу, когда ветер рассеивает их по малонаселенным районам. Небольшие утечки активности, возникающие в результате эксплуатационных аспектов испытаний, называются эксплуатационными выбросами ; они могут происходить, например, во время бурения в месте взрыва во время отбора керна или во время отбора проб взрывных газов. Радионуклидный состав различается по типу выбросов; крупные быстрые выбросы высвобождают значительную часть (до 10%) продуктов деления, в то время как поздние просачивания содержат только самые летучие газы. Почва поглощает реактивные химические соединения, поэтому единственными нуклидами, отфильтрованными через почву в атмосферу, являются благородные газы , в первую очередь криптон-85 и ксенон-133 . [28]
Высвобождаемые нуклиды могут подвергаться биоаккумуляции . Радиоактивные изотопы, такие как йод-131 , стронций-90 и цезий-137, концентрируются в молоке пасущихся коров; поэтому коровье молоко является удобным и чувствительным индикатором радиоактивных осадков. Мягкие ткани животных можно анализировать на гамма-излучатели , кости и печень на стронций и плутоний , а кровь, моча и мягкие ткани анализируются на тритий. [28]
Хотя и существовали ранние опасения по поводу землетрясений , возникающих в результате подземных испытаний, нет никаких доказательств того, что это произошло. [25] Однако сообщалось о смещениях разломов и трещинах грунта, а взрывы часто предшествуют серии афтершоков , которые, как полагают, являются результатом обрушения полости и образования дымохода. В нескольких случаях сейсмическая энергия, высвобождаемая смещениями разломов, превышала энергию самого взрыва. [25]
Подписанный в Москве 5 августа 1963 года представителями Соединенных Штатов, Советского Союза и Великобритании Договор об ограниченном запрещении испытаний ядерного оружия установил запрет на проведение ядерных испытаний в атмосфере, космосе и под водой. [6] Из-за обеспокоенности советского правительства необходимостью проведения инспекций на местах подземные испытания были исключены из запрета. [6] В конечном итоге договор подписали 108 стран, за исключением Китая. [29]
В 1974 году Соединенные Штаты и Советский Союз подписали Договор о пороговом запрещении испытаний (TTBT), который запрещал подземные испытания мощностью более 150 килотонн. [30] К 1990-м годам технологии мониторинга и обнаружения подземных испытаний достигли такой степени зрелости, что испытания мощностью в одну килотонну и более могли быть обнаружены с высокой вероятностью, и в 1996 году под эгидой Организации Объединенных Наций начались переговоры по разработке всеобъемлющего запрета испытаний. [29] Итоговый Договор о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний был подписан в 1996 году Соединенными Штатами, Россией, Великобританией, Францией и Китаем. [29] Однако после решения Сената Соединенных Штатов не ратифицировать договор в 1999 году он все еще не ратифицирован 8 из требуемых 44 государств «Приложения 2» и поэтому не вступил в силу в качестве закона Организации Объединенных Наций.
В конце 1940-х годов Соединенные Штаты начали разрабатывать возможности обнаружения атмосферных испытаний с помощью отбора проб воздуха; эта система смогла обнаружить первое советское испытание в 1949 году. [30] В течение следующего десятилетия эта система была усовершенствована, и была создана сеть станций сейсмического мониторинга для обнаружения подземных испытаний. [30] Разработка Договора о запрете пороговых испытаний в середине 1970-х годов привела к улучшению понимания связи между мощностью испытаний и результирующей сейсмической магнитудой. [30]
Когда в середине 1990-х годов начались переговоры о разработке всеобъемлющего запрета на испытания, международное сообщество не хотело полагаться на возможности обнаружения отдельных государств, обладающих ядерным оружием (особенно Соединенных Штатов), и вместо этого хотело создать международную систему обнаружения. [30] В результате Международная система мониторинга (МСМ) состоит из сети из 321 станции мониторинга и 16 радионуклидных лабораторий. [31] Пятьдесят «основных» сейсмических станций непрерывно отправляют данные в Международный центр данных, а также 120 «вспомогательных» станций, которые отправляют данные по запросу. Полученные данные используются для определения местоположения эпицентра и различения сейсмических признаков подземного ядерного взрыва и землетрясения. [30] [32] Кроме того, восемьдесят радионуклидных станций обнаруживают радиоактивные частицы, выбрасываемые подземными взрывами. Некоторые радионуклиды являются явным доказательством ядерных испытаний; присутствие благородных газов может указывать на то, имел ли место подземный взрыв. [33] Наконец, одиннадцать гидроакустических станций [34] и шестьдесят инфразвуковых станций [35] контролируют подводные и атмосферные испытания.
![{\displaystyle {\sqrt[{3}]{y}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/ab9483e263c52c959955e085a1f93502b8014cb4)
