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核爆炸的和平利用:和平利用核爆炸的幾方面實例

文章來源:經福謙   時間:2011-10-28 9:37:00 訪問數:

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(1) 特大規模工程爆破

    地下工程爆破,如礦石和巖層的破碎與開采,建造巖層內大型儲藏庫,增加石油與天然氣產量,開采石油、天然氣、銅礦等,都可利用核爆炸進行。地面開挖工程,如開鑿運河和隧洞、河流改道、筑水庫等,也可利用核爆炸快速完成。

    核爆炸采礦,比起炸藥來,既省時又省錢。如用炸藥粉碎100萬噸礦石巖塊,要鉆24千米巷道,鉆1萬米深的井,放5060萬噸炸藥,所消耗的價值,大約占礦產價值的3040%。如果采用核爆炸,就要經濟得多。19691990年,蘇聯對利用核爆粉碎礦石的技術可能性和經濟合理性進行了試驗評估。他們在基洛夫斯克市北20公里處,在礦體厚度約3060米,長200多米的礦石地段上,進行了兩次試驗。1972年,進行威力約2.1千噸的單彈頭核爆炸,粉碎礦段體積為50×50×50米;1984年,進行相距75米的雙彈頭組合爆炸,每個彈頭各1.8千噸TNT當量,粉碎礦段達50×125×90米,粉碎礦石數量超過155萬噸。工程試驗評估證明,技術上和經濟上都是可行的,地震和輻射效應也是安全的。因為千噸級核爆炸,地震波不強,傳不遠;核燃料用的很少,半衰期很長的放射性產物留下的就更少,而且混在大量的礦石、泥土中,輻射影響就更小。

    蘇聯利用核爆炸在干旱地區建造人工水庫網,解決工業區和農場的供水問題。他們在塞米巴拉金斯克州恰剛河灘地區,設計爆炸拋射土壤,于1965115日完成了建造恰剛水庫的工程。圖6.1是塞米巴拉金斯克恰剛人工湖的照片。

圖6.1	塞米巴拉金斯克恰剛人工湖

6.1     塞米巴拉金斯克恰剛人工湖

    恰剛人工湖工程在地下178米深處實施核爆炸,爆炸威力相當于14萬噸TNT,結果形成深約100米,直徑430米的漏斗形水庫。該人工湖總容量1700萬立方米,漏斗形水庫容量6.4百萬立方米。在爆炸瞬間,煙塵高達4800米,放射性沉降物約20%(主要是Co-60,約占8590%)。爆炸后經過一晝夜,土脊上劑量強度2030/小時,監測表明很快降低到1毫倫/小時以下,不久即處于天然本底水平(1520微倫/小時)以下。為了說明工程質量和安全性,當時的蘇聯原子能部部長Е ·П ·斯拉夫斯基,第一個跳進湖內游泳。

   1995年,我國科學院何祚庥院士在《中國科學報》上發表文章,建議在我國雅魯藏布江大峽谷,用地下核爆炸開鑿隧洞,引進印度洋的暖濕氣流,源源不斷地向青藏高原內地輸送,改善那里的干旱氣候。他還設想如圖6.2中箭頭所示部位。

圖6.2	雅魯藏布江大峽谷地理位置和形勢圖

6.2     雅魯藏布江大峽谷地理位置和形勢圖

    從大峽谷的上口(海拔3000米左右的米林縣派區大渡卡一帶)筑壩,截彎取直開鑿隧洞引水,隧洞通過大喜馬拉雅山(多雄拉山),到大峽谷下游的墨脫縣邦博一帶出口(海拔約630米)。具體位置和地勢可見1998719日北京日報第八版有關的報道。開鑿隧洞的直線距離不到40公里,可獲得2500米的水位落差,其水能發電裝機容量可達3800萬千瓦之多,遠遠超過長江三峽。這一宏偉工程的設想,既可發展我國水能發電事業,又可改變青藏高原內部和西北干旱區、沙漠區的生態環境,其水源量還可支援中亞地區,是個功德無量的世代工程。如果實現它,必將徹底改變我國中西部地區貧窮落后的面貌,該地區還可成為未來的世界著名旅游勝地。

    核爆炸用于建造地下儲存庫很有優越性,它的施工周期短、用料少、安全可靠。蘇聯在1970年至1985年,在奧倫堡、阿斯特拉漢等地,用核爆炸方法在巖層中建造了三個巨型地下儲存庫。共有23個儲存容器,總容積超過86.6萬立方米。核爆炸形成的容器,周壁是熔融狀的玻璃體,可安全地無泄漏地儲存氣體,可承受上千萬大氣壓的壓力。

    石油和天然氣目前仍然是世界上的主要能源。當前的鉆井技術還是不夠完善,不能經濟地從復雜構造的低滲透性巖層中抽取石油和天然氣。專家認為,現在的技術水平僅能提取地層儲量中不大于2025%的份額。還有7580%沒擠出來,多么可惜!為什么抽不出來,肯定是有些地層被隔斷了,有些地層太板結了,縫隙太細。如何能將地下的石油和天然氣擠出更多一些,于是想到用地下核爆炸把它周圍的介質震松,這樣石油和天然氣就可以流出來多了。這個設想,曾被美、蘇優先列入和平利用核爆炸的計劃。

    國人根據“犁頭”計劃,于19671973年在科羅拉多州油頁巖層中做了三次地下核爆炸試驗。他們為增產油氣及其他商業應用,設計了一種直徑不大于20公分的核彈頭,于1973513日,在相隔130米的不同爆深(17801898.82039米)處,進行了當量為33千噸的三個核彈頭的組合爆炸。現場監測輻射影響表明,可降低到不大于本地區的自然本底劑量。

    從美、蘇的試驗資料可以得出結論:

選用地下核爆炸技術增產石油、天然氣,技術路線可行。與常用技術相比,大約可提高10倍以上的效費比。

沒有出現過由于放射性對礦區造成的麻煩。工業試驗中測定的放射性指標是安全的。蘇聯的將近20次增產油氣試驗,每次爆炸當量不超過15千噸,這就避免了誘發天然地震的影響。

只有在一定的地質條件下(如巖層的巖性、厚度、空隙度、滲透率、飽和流體、比例埋深等等),地下核爆才能實現技術的有效性。

(2) 用于撲滅突發性自然災害

    開發深層高產氣田容易發生事故性井噴,井噴壓力一般為幾百大氣壓,此時可用常規技術處置。如果遇上異常高壓力的井噴,常用技術就很難解決,但蘇聯人曾用地下核爆炸解決了問題。196693日,在烏茲別克布哈拉區和卡爾希市以西70公里處,進行過兩次封堵井噴的試驗工作。1972年至1981年,在土庫曼、烏克蘭哈爾科夫區和俄羅斯的阿爾漢格爾斯克區,進行過三次封堵天然氣井噴,工程上均取得了成功的經驗。

    用核爆技術撲滅井噴的原理,是用爆炸能量擠壓周圍的地質介質,就像卡脖子一樣,卡死噴射的井筒。在發生井噴的主流通道的適當距離處鉆一口井,選擇合適當量的核裝置,針對爆炸地巖石的物理力學特性,正確選擇相對于事故噴流的安裝點,即可成功。蘇聯曾有個典型的實例,烏茲別克烏爾塔布拉克氣田,鉆到2450米處,打開了一個異常高壓的氣層,發生了壓力特別高的井噴。196312月,打了三口深井,企圖撲滅井噴,均告失敗。原因是井口情況異常復雜,噴射井筒空間狀況不確定,井噴能量過大。196512月,蘇聯部長會議委托原子能部和地質部聯合研究,提出撲滅這個井噴的方案。19662月至9月,專門打了兩口斜井,在第一口井的1532米深的粘土層中,安放了三萬噸TNT當量的核裝置,從安裝點到事故井筒的距離為35±10米。19669309時施爆,爆后23秒事故井筒氣體逸出完全被停止。在礦區地面和井筒中都沒有出現放射性產物,也沒有對進一步開采造成任何麻煩。

    利用地下核爆炸還可預防煤層的突發噴射,且可有助增加產量。在烏克蘭一些煤礦區,隨著開采深度增加,煤和瓦斯突出的頻率和強度急劇增加。烏克蘭科學院和全俄工業技術設計勘察研究所,聯合提出利用地下核爆炸防止突發噴射。其原理是,當強度極高的壓力與振蕩位移的爆炸波作用在含煤礦層時,在半徑幾百米的體積內的應力應變狀態發生急劇變化,出現裂縫,使應力場均勻化,并從巖層排出氣體,從而減少了突發噴射的概率。巖層松動出現裂縫后,日產量還會增加。

    1979916日,蘇聯在烏克蘭頓涅茨煤礦地下903米深處,實施了0.3千噸地下核爆炸。實踐證明不但增加了礦井的安全性,而且提高了礦井的技術經濟指標,增加了日產量。只要設計合適的核爆當量,就能作到保證井場、主干道及生活區樓房的安全和不受放射性劑量的影響。

(3) 用于保護環境和排放廢料

    設想通過一般鉆井方法掩埋劇毒工業污水,在實踐上是不可行的。蘇聯選擇了利用地下核爆炸,建立擴大的增壓井掩埋工業污水的新技術。19731974年,蘇聯進行了卡馬-Ⅰ和卡馬-Ⅱ兩項地下核爆炸工程,用來深埋工業污水。深度在20262123米位置,威力1萬噸左右,選定用于掩埋工業污水的吸收層寬度約400米。它是一個厚實的碳酸鹽沉積層,由不透水層將處于上方的深水層可靠地隔離。卡馬-Ⅱ自1976年運行以來,到19931月,已掩埋2300萬立方米的工業污水。該兩項工程至今仍在運行,安全可靠,具有很高的經濟效益和社會效益。

    地下核爆炸還可以用于處理核電站廢料、核動力裝置廢料及其它強放射性廢料。因為地下核爆炸產生的高溫高壓,把周圍的介質熔融成玻璃體,使所有的放射性廢物在熔巖中固化。這種處理方法,效費比很高。據計算,使用一次10萬噸級的地下核爆炸,就可以將核電站一年的全部廢料固化在熔巖中,無需工廠再處理。

(4) 用于地震勘探

    地震勘探已是深部地質結構研究常用的方法。地下核爆炸可以人為控制,當量和時間都可以根據需要來確定,有主動權。封閉式的地下核爆炸是一個強大的人工地震源,利用這種新的地震勘探方法,可以加速探明極有前途的石油、天然氣及其他礦藏,被認為是效費比極高的探寶途徑。

    核爆炸地震探測,也是研究地殼深層結構的一種非常有前途的途徑。蘇聯在這方面進行了獨一無二的研究工作。蘇聯地質部和原子能部,1965年開始摸索試驗,19661970年完善了整套方法,19711988年對地殼地質構造進行了綜合研究。在14個地質斷面上進行了39次深層地震探測,總的地質斷面延伸到70000公里。他們利用遠離城鎮的安全區或廢礦井,核裝置安置于5001000米深度,記錄地震的儀器,按地層斷面用直升飛機布置于各處,通過無線電指令接通。地層斷面延伸從15004000千米,核爆炸點數35個,各點之間距離500900公里。蘇聯進行這種實驗已取得成功經驗,他們已有高超的技術。這種實驗要特別注意地震信息的去耦效應。如若爆心附近的空腔過大,就會使被測的地震波信息偏小,有時會使地震信號的去耦因子上百倍。

    和平利用核爆炸所需要的地震特性環境,要在全耦合地質環境下進行。圖6.3是國際地震中心監測地震信息所記錄的關于蘇聯和平利用核爆炸的102次地震等級。由圖上可見蘇聯和平利用核爆炸的地震等級,絕大部分在4級到6級之間。圖中實線是實驗點的擬合線,虛線是其所有爆炸地震等級的下限,用于評價蘇聯和平利用核爆炸的狀況。mb<2.5 是噪聲,尚無能力測出;mb =2.5~3.0 是小于10噸級爆炸;mb =3.0~3.5 10噸~100噸級爆炸;mb >3.5100噸級以上的爆炸。

圖6.3	蘇聯和平利用核爆炸的地震等級

6.3     蘇聯和平利用核爆炸的地震等級

    俄羅斯進行的所有深層地震普查,有三次試驗稍有放射性氣體泄漏。但很快采取了措施,使之降到本底以下。其余工程均符合放射性安全要求。俄羅斯科學家分析和確認了蘇聯境內眾多的石油、天然氣和各種礦物資源,地下核爆炸以高速高效方法摸清了國土資源家底,其總體收獲和效費比是其他現存勘查方法無可比擬的。

    九十年代俄羅斯核專家曾向我們建議,選用10個左右深層地理位置進行地下豎井核爆炸,就可以快速地普查摸清我國的地下寶藏。

(5) 用于核爆氘能能源

    人們預測,核電、石化能和太陽能,將是解決21世紀能源問題的三大支柱。核電目前已占世界總發電量的17%,美國核電已占本國總發電量的21.7%。但靠裂變反應的原子能電站也面臨著裂變材料的枯竭問題,鈾-235所能利用的時間不會比石油的供應時間長,大約最多能維持使用幾十年。世界能源不可能完全依靠裂變來解決。聚變能源尚有更多的技術障礙需要克服。人們在研制核武器過程中,自然會想到能否把核爆炸釋放的能量安全地轉化為電能,并且在利用過程中不會出現放射性污染,盡可能少用或不用放射性裂變材料和氚。1977年,蘇聯科學院院士А ·А薩哈洛夫在紐約發表的《核能與西方自由》一文中,曾把解決聚變能源的希望寄托在地下核爆炸爆室里。九十年代初,在中俄和平利用核爆炸雙邊討論會上,曾提出了利用地下“純聚變”核爆炸建造地下聚變電站的大膽設想。設想如圖6.4所示。

圖6.4	地下聚變電站回路示意圖

6.4     地下聚變電站回路示意圖

    設想中的核爆炸發電,其基本技術要點如下:

    在地下大空腔中反復進行爆炸,重復使用。例如要建造一個106 千瓦的地下核爆電站,聚變放能大于90%,則可在地下建一個半徑為6880米的爆洞。擴大爆洞空間還可以減弱沖擊波對洞壁的破壞效應。

    設計經濟合算的核裝置,最好不用氚和少用裂變材料。核裝置要有盡可能高的聚變份額,同時要求系統對氚、钚、釷-233有較高的增殖因子。全俄技術物理研究所已設計出只燒氘的核裝置,可達3萬噸TNT當量。實際上初選核裝置一般小于萬噸為好。

    核裝置在洞內反復爆炸,每次爆炸時往洞中噴液態鈉約24萬噸,以吸收大量爆炸能降低洞中溫度,且顯著減弱沖擊波強度。鈉作為工作介質,還要參與熱交換。

    建立核燃料回收系統,回收氘、氚、鈾、钚、釷等核材料,以保證核燃料的循環使用。

    由上可知,地下核爆電站一般由爆洞、核裝置生產廠、核燃料回收廠和發電廠組成。爆洞與鈉循環系統構成核爆電站的第一回路。如何降低爆洞工作溫度和沖擊波的破壞作用,這是設計的關鍵問題。一般熱載體為鈉和鉀的混合物,熱端可達6200C,冷端可達500C。可選用不銹鋼作內襯,以花崗石作基巖。對于萬噸以下的核爆炸,80米半徑的爆洞洞壁的抗壓安全系數大于10

    199810月《核爆氘能能源學》的中譯版一書中,推薦建造實驗室型核爆燃燒鍋爐的參數如下:

核裝置約3千噸TNT當量。

爆炸頻率,原理試驗可為1/月。如果發電能力120240萬千瓦,可選擇10千噸TNT當量的核裝置,爆炸頻率每天612

爆室高度約130米,內半徑約40米,體積約5×105立方米。

熱載體混合物Na+KT6200CT500C

循環質量約26千噸,總質量為75千噸。

混凝土體積為1.2×106立方米。

鋼質量約250千噸。

    科學家認為建造核爆電站技術上和工程上沒有不可克服的障礙,投資強度不會超過我國大亞灣一座90萬千瓦的核電站的投資額度。核爆電站消耗的僅是自然界中儲量豐富的氘、鋰和天然鈾,因此,核爆電站是取之不竭的燒氘新能源。

    當前和平利用核爆能源的最大障礙,是懷疑會不會造成核擴散和帶給人類社會不安定因素。但是隨著時間的推移,不可避免地出現能源匱乏,人類終將清醒地用理智思考和妥善解決能源枯竭的問題。核爆發電問題,可以在建立和加強廣泛而嚴密的國際監督機制的基礎上,控制其消極因素,為造福人類服務。

(6) 用于攔截外星撞擊地球

    天體相互碰撞的事件經常發生。水星、火星、月球表面有大大小小的隕石坑,就是見證。地球上也有許多隕石坑,大的有78個,最著名的是美國亞利桑那隕石坑,直徑有1240米,深約170米,坑的四周比地面高出40多米。1908630日,發生了著名的通古斯隕石事件,這天早晨西伯利亞上空出現了一個大火球,比太陽還亮,1000公里以內都能聽到爆炸聲。它的沖擊波摧毀了幾百平方公里的森林。各地震站記到了這次不平常的地震和強烈的沖擊波。據推測,這是一顆直徑約為70米的小彗星的冰核與地球相撞造成的。據說我國太湖也是遠古時期形成的的一個隕石坑,經過多年的地理演變,變成了今天的太湖。

    現代科學已經能夠預測星體之間的碰撞,最引人注目的是蘇梅克利維夫婦19933月在美國帕洛馬天文臺拍攝的三張照片上,發現蘇梅克利維9號(SL9)彗星會在1994717日~22日撞擊木星。1994716日格林威治時間20點左右開始,我們在電視屏上見到了彗星撞擊木星的事件,非常壯觀,至今記憶猶新。SL9彗星的21個彗核碎塊,以每秒60公里的速度撞擊木星,產生了強烈的閃光,火球沖出數千公里高度,大量帶電粒子在木星磁場激勵起強烈的射電爆炸,猛烈地撞擊使木星南半球44度緯度上留下一連串的黑斑(撞擊坑)。撞擊一直延至22日才結束。天文觀測結果與天文預測吻合得很好。

    根據現有地質資料,近幾億年期間,地球上曾發生過6次大的生物滅絕,如200萬年前古猛犸的滅絕。6500萬年前恐龍突然滅絕,有可能是10公里級彗星撞擊地球的結果。天文學家研究指出,近地小天體在軌道上約有10005000顆。直徑在10米量級的小天體撞擊地球,僅會造成局部損害;100米量級的小天體撞擊地球,破壞范圍約一個州;公里量級的小天體撞擊地球,將造成全球性災難,后果猶如“核冬天”;10公里量級的小天體撞擊地球,將會使地球上半數以上的物種滅絕。根據目前掌握編目的200多顆近地小行星,幾十顆彗星,最大的小行星是1627號“Lvar”,其直徑不超過8公里。有一顆名叫“斯威夫特-塔特爾”的彗星,曾于199212月在地球附近掠過,下次回歸應是212685日再次靠近地球。如果軌道有所改變,一些小行星有可能更靠近地球。小行星和彗星運動的特點是受大行星的攝動力而改變軌道,在一定條件下有可能與地球軌道相碰撞,造成嚴重后果。

    美國國會批準了“太空警戒計劃”,預計用25年時間,將太空中直徑大于1公里,對地球構成嚴重威脅的小行星,進行搜索、編目、統一監視,動態分析它們撞擊地球的可能性和研究對策。

    預測是防范的前奏,而防御則可以依靠先進的航天技術和核爆技術。利用核爆炸防止行星或彗星撞擊地球的技術設想,吸引了眾多天文學家和物理學家的關注。1994年和1996年,全俄技術物理研究院舉辦國際性預防行星、彗星撞擊地球的專題討論會。19955月美國利物摩爾實驗室也組織了相應的討論會。著名的美國氫彈之父接近90高齡的愛德華 ·泰勒,親自參加了這些討論會。

    世界上著名的科學家發出同樣一個聲音:“我們生存在同一個地球上,這樣的危機是存在的、現實的,必須引起有關各方的重視。”1996年的會議,形成了“號召書”及“決議”,并呼吁進行統籌規劃和國際合作。19989月,全俄技術物理研究院舉辦了第五屆查巴巴赫院士國際科學討論會,會上提出了方案,利用人類掌握的航天科技成就和核武器技術成就,將核裝置送至可能與地球相撞的近地小行星或彗星上引爆,將其擊碎或改變其運行軌道,那么人類將免受災難性的威脅。如圖6.5所示,核裝置送到近地小行星爆炸,使之軌道偏離或被破壞。

圖6.5	宇宙飛行器與小行星交會示意圖

6.5     宇宙飛行器與小行星交會示意圖

    核裝置命中小行星有三種方式:直接命中,將它擊碎;在小行星上著陸后引爆;貼近引爆,改變小行星的軌道。前者要求命中率高,后兩種方案易于實施。現代天文學、行星物理、航天技術和核武器技術的能力,完全可以作到這一點。

(7) 用于科學研究

    地下核爆炸是一種難得的“科學實驗室”,可獲得高強度的中子流和輻射流,進行在常規條件下無法進行的實驗。人們所能創造的高溫高密度等離子體環境如圖6.6所示。

    氫彈爆炸的溫度可達幾千萬至上億度,核子數密度高達102426/cm32公斤氘與3公斤氚發生6×1026次聚變,產生6×1026個高能中子,共釋放1.7×1025焦耳能量,即合40萬噸TNT當量。一個25千噸當量的氘爆炸,將釋放約3×1025 個中子。這些中子源和能量,可以研究物質在非常條件下的性能和狀態。

圖6.6	氫彈爆炸等離子體溫度密度關系

6.6     氫彈爆炸等離子體溫度密度關系

    利用地下核爆炸可以研究受控熱核聚變和慣性約束聚變的問題。俄、美科學家利用地下核試驗開展了許多燒、烤、點燃氘等離子體和氘氚氣體的基礎物理研究。這項研究稱為充氘氚氣體的小囊聚變物理研究。1988年夏天在意大利召開的第八屆核戰爭討論會上,美國利物摩爾實驗室的Erik Storm 宣布,他們利用地下核試驗的條件,驗證了用10MJ的能量驅動熱核聚變,壓縮氘氚氣體密度達200g/cm3,電子溫度約幾keV,熱核反應特征參量r r0.3(單位:克/厘米2r 是氘氚的密度,r是氘氚壓縮后的半徑)。氘氚被點燃,釋放出約1000MJ的聚變能,燒掉總量的30%,等效于0.25TNT當量。這充分說明用10MJ的驅動能量,實現高增益的慣性約束聚變是可能的。地下核試驗可為慣性約束聚變研究以及與聚變有關的材料和能源工程研究,創造在實驗室無法比擬的條件。

    對于大于千噸級當量的地下核試驗,不僅可作聚變物理研究和能源驗證工作,而且可以發展有關核定向能研究工作(如X光激光研究),還可開展電磁脈沖、微波產生和效應、模擬宇宙輻射等研究。俄羅斯原子能部在地下核試驗中,進行了不少次核泵浦原子分子激光物理的研究。

    地下核試驗是生產超钚元素極好的強輻射中子源,Milo D. Nordyke發表在“science and global security(1997) vol.7.pp.1-120上的文章,介紹了美蘇在這方面的情況。美國在19621969年進行了五次實驗,獲得大量系列重元素。根據計算,打在靶上的中子通量~40摩爾/平方厘米,可獲得鐨-257原子1017個,比以前最好的實驗方法高出一萬倍;同時還可獲得鋦-250原子超過1020個。蘇聯此類地下核試驗進行過11次。獲得少量的超钚錒系元素,以及在俘獲1個或2個中子時,獲得了一定量的重元素钚-238、钚-239、釷-232和釷-233。伴隨超钚元素的研制生產,還開展了物質在超高溫、高壓條件下的性態研究,超強超硬材料的基礎科學研究,如生產人造金剛石等。


   本文摘自《揭開核武器神秘面紗》

   經福謙 陳俊祥 華欣生著

   清華大學出版社 暨南大學出版社

   出版時間:2002年7月

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