Все записи
09:28  /  30.07.15

20786просмотров

Зонд Стивенсона и «китайский синдром»

+T -
Поделиться:

Так вот, я считаю, что Земля, на которой мы живем, сама является живым организмом со своим кровообращением, органами дыхания, а также нервной системой…

Вспомните хотя бы, насколько болотистая местность, поросшая вереском, напоминает волосяной покров гигантского животного. И такие параллели можно провести везде и во всем. Подумайте о периодических подъемах и опусканиях суши, которые можно сравнить с медленным дыханием животного. Наконец, обратите внимание на бесконечное ерзание и почесывание, которые наш лилипутский разум воспринимает как землетрясения и бури.

А. К. Дойл. Когда Земля вскрикнула

Извержение земных недр

Конечно, нигде больше планета не издала такого рыка, как на месте непосредственного вмешательства, но своим поведением в других частях света она продемонстрировала, что действительно составляет единый организм. Через всевозможные отверстия, клапаны и вулканы выразила она свое возмущение. Страшно бушевала Гекла, и исландцы боялись мировой катастрофы. Везувий фонтанировал так, что его верхушка чуть не обрушилась на землю. Этна извергла столько лавы, что Челленджеру в итальянских судах был предъявлен иск на общую сумму в полмиллиона лир за причиненный виноградникам ущерб. Даже в Мексике и Центральной Америке наблюдались признаки мощного глубинного возмущения, а вопли Стромболи разнеслись по всему восточному Средиземноморью.

А. К. Дойл. Когда Земля вскрикнула

В продолжение обсуждения замечательного эссе Александра Глебовича Невзорова «Мухоморы победы» автор хотел бы несколько расширить рамки полемики и рассмотреть наиболее популярные вопросы «ядерной эсхатологии», дополняющие блестящие рассуждения видного блогера…

Путь к планетарному ядру

Эта идея давно носится в воздухе. Она так и просилась на перо Жюля Верна, который вслед за «Наутилусом» мог отправить в путешествие уже не подводный, а подземный крейсер. Увы, писатель поверил современным ему ученым, которые утверждали, что в Земле есть обширные полости (некоторые даже считали, что наша планета вообще полая), и отправил своих героев в путешествие пешком, без всякой подземной лодки.

С. Н. Зигуненко. Ушел в поход… подземноход: глубоко копаем

Ровно десять лет назад физик Дэвид Стивенсон из знаменитого Калтеха — Калифорнийского технологического университета (США) — созвал специальную пресс-конференцию. Прежде чем подвести итоги бурного обсуждения в СМИ проекта своего специального зонда для исследования ядра Земли, профессор Стивенсон вспомнил старый «экшен» 1965 года «Трещина в мире» (Crack in the World). В нем неадекватный экспериментатор заложил в земной разлом атомную бомбу и оторвал кусок поверхности планеты, создав вторую Луну.

По словам автора зонда Стивенсона, его детище потребует нескольких миллиардов долларов, но в случае успеха все затраты будут оправданы ценнейшими данными о строении тысячекилометровых глубин.

Строение земного шара (слева направо: кора, мантия, внешнее и внутреннее ядро)

То, что находится у нас далеко под ногами, изучено намного хуже, чем, например, лунная поверхность. Более-менее ясно, что в центре нашей планеты расположено твердое ядро, окруженное расплавленной оболочкой, содержащей металлы, такие как железо. Это объясняет наличие достаточно сильного магнитного поля Земли. Детали строения земных недр на глубинах в сотни и даже десятки километров совершенно неизвестны, поэтому Стивенсон предлагает погрузить свой зонд на 2900 км до самой верхней границы расплавленной оболочки ядра. Все это профессор Стивенсон детально рассмотрел в статье с интригующим названием «Миссия к ядру Земли — скромное предложение», опубликованной в престижном научном журнале «Природа» (Nature).

Если когда-нибудь дело дойдет до выполнения подобного проекта, то инженерам и конструкторам придется решить три очень непростые задачи:

Во-первых, необходимо подобрать специальные материалы для спускаемого зонда, способные выдержать чудовищные температуры и давления в недрах планеты.

Во-вторых, надо как-то организовать канал связи с земной поверхностью, ведь из глубины не доходят ни радио, ни иные электрические сигналы.

В-третьих, самой сложной задачей является сам спуск зонда вглубь Земли.

Несмотря на сложнейшие проблемы, современная наука может многое предложить для путешествия к земному ядру. Корпус и детали прибора можно было бы изготовить из металлокерамических соединений с использованием уникальной аморфизированной стали профессора Корнеева. Дмитрий Иванович Корнеев еще в восьмидесятых годах ушедшего века при создании новых методов сварки и электропереплава получил уникальные стальные сплавы, чем-то напоминающие знаменитое «металлическое стекло». Он даже успел применить свое изобретение на так и не достроенном авианесущем крейсере «Варяг».

Связь сквозь скальные породы и раскаленную магму можно организовать с помощью сейсмоволн. Эти колебания недр планеты доходят до нас из глубины во время сильных землетрясений и давно уже изучаются на сейсмостанциях. В том же Калтехе существует специальная гравиметрическая лаборатория ЛИГО (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory — LIGO). Это сверхчувствительная обсерватория, оснащенная уникальными лазерными интерферометрами, создана для обнаружения таинственных гравитационных волн, наполняющих Вселенную. Правда, детекторы ЛИГО вовсе не приспособлены для «линии гравиа-волновой связи», и их полосы пропускания сигнала от зонда на поверхность может и не хватить для передачи всей необходимой информации.

Ну и наконец, сам зонд весом всего лишь в несколько десятков килограммов можно было бы запустить через очень глубокий вулканический разлом в земной коре. Если такого естественного геологического образования не найдется, то можно попробовать вызвать искусственный катаклизм. Подсчеты показывают, что для сильного землетрясения в 7–8 баллов по шкале Рихтера, способного раскрыть разлом в земной коре, потребуется 5–6 мегатонных атомных зарядов.

В данном случае учитываются особенности строения земной коры в океанских впадинах. Там кора материковых выступов разбита сложной сетью глубоких трещин, уходящих своими корнями чуть ли не до самой верхней границы расплавленной мантии. Как правило, такие трещины приурочены к границам материковых массивов и океанических впадин (например, кольцевая зона разломов вдоль побережий Тихого океана) или к горным поясам вроде Альпийско-Гималайского, Уральского и др. В этом случае горные пояса представляются чем-то вроде швов, залечивших старые раны.

Самым оригинальным в проекте является способ погружения зонда. Для этого в магматическую трещину предлагается залить несколько тысяч (или миллионов?) тонн расплавленного металла. Зонд необходимо разместить в центре этой колоссальной капли, которая под собственным чудовищным весом устремится через более легкие расплавленные породы к центру Земли. Скорость подобного погружения может составить несколько метров в секунду и уже через неделю зонд опустится на глубину 3 тысяч километров и достигнет земного ядра. На своем пути зонд станет сообщать уникальные данные о температуре, давлении и составе вещества.

Любопытно, что одновременно с появлением проекта зонда Стивенсона на экраны вышел голливудский фантастический блокбастер «Земное ядро» (The Core). По сценарию кинофильма ядро нашей планеты начинает замедлять вращение, что грозит катастрофическим всплеском тектонической активности. Для «раскрутки» ядра строится обитаемый подземный атомоход, пробивающий себе путь в недра земли сверхмощными лазерами.

На штурм земной тверди

Многих энтузиастов создания «подземоходов» не устраивает идея дробления пород механическим способом. Как показывают современные проходческие щиты, при таком процессе тратится огромное количество энергии. И тем не менее щит движется со скоростью несколько метров в сутки. Это не «плавание», а скорее «ползание».

С. Н. Зигуненко. Ушел в поход… подземноход: глубоко копаем

На сегодняшний день реальные достижения по исследованию «подземного космоса» выглядят довольно скромно, и здесь все рекорды принадлежат советской Кольской сверхглубокой скважине. Эта глубочайшая шахта расположена в Мурманской области в 10 километрах к западу от города Заполярный и пробурена на глубину 12 262 метра. Скважина заложена в северо-восточной части Балтийского щита в области сочленения рудоносных докембрийских структур, типичных для фундаментов древних платформ. В отличие от других сверхглубоких скважин, которые бурились для добычи нефти или геологоразведочных работ, Кольская была пробурена исключительно с научно-исследовательскими целями в том месте, где нижняя граница земной коры подходит близко к поверхности Земли.

Кольская сверхглубокая скважина

За несколько лет до закладки Кольской скважины в 1970 году закончился крахом проект «Мохол» Национального научного фонда США. Проект основывался на предположении, что на очень больших глубинах океанское дно почти вплотную прилегает к таинственной поверхности Мохоровичича, отделяющей кору от мантии. Бурение проводилось с морской платформы рядом с вулканическим тихоокеанским островом Гуадалупе недалеко от калифорнийского побережья. На глубинах около 3,5 км было пробурено несколько скважин с углублением в дно до 180 метров. Проект был закрыт в связи с отсутствием значимых результатов и перерасходом средств.

Мечта попасть в глубины земных недр и открыть там неисчислимые богатства полезных ископаемых питает изобретательские умы уже более столетия. Тут можно вспомнить русских изобретателей Петра Рассказова и Евгения Толкалинского, а также американца Эдисона Питера Чалми.

В тридцатые годы ушедшего столетия подземный обитаемый корабль настойчиво конструировали изобретатель А. Требелев, технолог А. Баскин, инженер А. Кириллов. Они создали проект «металлического крота» для разработки глубинных нефтяных и угольных месторождений. Первые испытания подземного агрегата прошли на заброшенных уральских рудниках. Аппарат подобно проходческому комбайну вгрызался своими фрезами в скальные породы, уверенно углубляясь в гору. Но конструкционные недоработки требовали времени и средств, что привело к приостановке проектирования.

В это же время немецкие изобретатели В. фон Верн и Г. Риттер запатентовали свои варианты подземных аппаратов совсем с иными целями. Германские «подземные лодки» планировалось использовать в операции «Морской лев» для штурма британских островов и в масштабном проекте «Змей Мидгарда» (Midgard Schlange).

В данном научно-фантастическом проекте «подземный бронепоезд» действительно напоминал суставчатого стального змея из вагонов-отсеков. При пятисотметровой длине головной агрегат оснащался буровой установкой, приводимой в движение электродвигателями мощностью в тысячу лошадиных сил. Ход подземнохода также обеспечивался электродвигателями, вращавшими многочисленные гусеницы. Электроэнергия вырабатывалась дизель-генераторами мощностью в 10 тысяч л. с.

Бронированный «геоход» предполагалось снабдить тысячами мин, подземных торпед и специальных снарядов для взрыва особо прочных скальных пород.

Общий вес этого фантастического монстра должен был составлять 60 тысяч тонн с экипажем в 30 человек. Проектная скорость «Змея» в гранитных скалах, по идее, могла достигать 2 км/ч., а в суглинистой почве — 10 км/ч.

В пятидесятые годы прошлого века вышел ряд интересных теоретических работ, тут же вызвавших появление разнообразных городских легенд о тактических и стратегических «подземных лодках». Например, ленинградский профессор Г. И. Бабат предлагал снабжать подземные объекты энергией СВЧ-излучения по методу Николы Теслы. А московский гидромеханик Г. И. Покровский доказывал принципиальную возможность процессов, напоминающих кавитацию, не только в жидкой, но и в твердой среде. Вихри парогазовых струй, по мнению профессора Покровского, могли бы разрушать скальные массивы на много эффективнее, чем победитовые и алмазные фрезы. Еще дальше пошел знаменитый академик А. Д. Сахаров. По мнению Андрея Дмитриевича, геоход с атомным реактором следует оснастить генераторами плазмы — плазмотронами. Таким образом подземный зонд будет двигаться в облаке распыленных частиц со скоростью 100–150 километров в час!

Умозрительные модели академика Сахарова попытался воплотить в реальность инженер М. И. Циферов и даже получил авторское свидетельство СССР на изобретение подземной ракеты — аппарата, способного развивать скорость в толще земли до 1 м/с. Михаил Иванович предложил использовать в качестве плазмотрона академика Сахарова энергию скрытого взрыва. Им был сконструирован специальный реактивный бур, вращаемый пороховыми газами, поступающими из камеры сгорания под давлением в несколько тысяч атмосфер. Кроме того, пороховые выхлопы расплавляли почву, окутывая головку бура высокотемпературной плазмой.

Подземная ракета инженера Циферова так и не смогла преодолеть существенных конструкционных недостатков, главными из которых являются плохая управляемость подземного снаряда и взрывоопасность его двигателя...

Впоследствии эстафету конструирования подземных ракет и реактивных торпед принял сын изобретателя — В. М. Циферов. Разработки Циферовых явно могут иметь «двойное применение», но о подобных изделиях ВПК официально ничего не известно. А вот городские легенды о военных геосферах, геоскафах и субтерринах составляют обширную библиографию.

Отечественную мифологию о боевых подземных лодках возглавляет роман Эдуарда Тополя «Чужое лицо», где бывший диссидент-антисоветчик взахлеб описывает, как советский атомный подводный крейсер десантирует субтеррину вблизи Калифорнии. Там, в центре узла тектонических напряжений, советские диверсанты устанавливают ядерный фугас, взрыв которого вызовет масштабное землетрясение, неотличимое от природного стихийного бедствия.

Ну а недавно известный политик В. В. Жириновский в сериале РЕН ТВ «Вам и не снилось!» рассказал о «глобальном Периметре», включающем десятки термоядерных боеприпасов, заложенных в критических литосферных узлах вокруг Северной Америки и Европы. Владимир Вольфович утверждал, что подрыв этих фугасов вызовет катастрофическую подвижку литосферных плит с опусканием земной коры североамериканского и отчасти европейского континентов. Дело в том, что, когда тектонические плиты разрываются на части или сталкиваются друг с другом, возникают колоссальные перепады давлений, которые иногда концентрируются в одном месте. Достаточно нанести в критической точке череду мощных ударов, скажем, с помощью 25–30-мегатонных термоядерных зарядов, и все придет в движение. Одна плита будет подниматься, другая останется неподвижна или начнет опускаться.

Все это вызовет невиданный «тектонический шторм», сопровождаемый 10-балльными земле- и моретрясениями. Тектоническая активность выразится в появлении гигантских разломов, проседании материковой почвы и вспучивании морского дна, заливаемого расплавленными каменными породами. В короткий миг распрямится своеобразная «тектоническая пружина» взаимного давления нескольких плит и высвободившаяся энергия начнет крушить земную кору. Проснутся застывшие супервулканы, и моря лавы затопят обширные территории. Одновременные извержения нескольких сотен вулканов неминуемо приведут к прообразу «ядерной зимы», и планету укутает непроницаемая пелена дыма, пепла и газов…

Китайский синдром

Полная картина перемещения топлива, разрушения строительных конструкций и распределения топлива в здании еще уточняется. Однако уже ясно, что во время аварии топливо проплавляло строительные конструкции и значительная его часть (тонны) достигла помещений непосредственно над плитой фундамента. Даже при сооружении Саркофага бетон, который заливали в его стены, мог накрыть застывшее топливо и сыграть роль теплоизоляции, а оно — вновь начать плавиться.

Р. В. Арутюнян. Китайский синдром

Осенью 1984 года на физфаке МГУ для ограниченного круга студентов и преподавателей, специализирующихся на инженерно-технической атомной физике, был показан американский художественный фильм «Китайский синдром». Этот приключенческий фильм был снят по мотивам событий, происшедших в 1979 году во время аварии на американской АЭС «Три Майл Айленд», расположенной в штате Пенсильвания. Там в результате аварии расплавилась треть активной зоны реактора и радиоактивные продукты были выброшены в здание АЭС. К счастью, сработала аварийная сигнализация, и автоматика предотвратила распространение радиоактивного заражения в окружающую среду.

Так научная общественность впервые почувствовала, какие разрушительные силы скрывают в себе промышленные ядерные реакторы. Журналисты из дискуссий специалистов узнали, что ядерное топливо даже после остановки реактора остается источником энергии, которой достаточно, чтобы при нарушении условий отвода тепла топливо расплавилось, проплавило корпус, бетонные перекрытия и (если следовать фантазии авторов фильма), прожигая грунт, могло «дойти до Китая». И этот «огнедышащий дракон» будет нести с собой чудовищную радиоактивность, эквивалентную выбрасываемой при взрыве сотни ядерных бомб. Так возникло по-американски хлесткое выражение — «китайский синдром».

Тектонический катаклизм

Нам же неизвестна природа земного ядра! А что, если цепная реакция перекинется и на него? Вы способны рассчитать, через сколько лет Земной шар лопнет и разлетится в пространстве, оставив после себя еще один пояс астероидов?

В. Русанов. Горячая капля

«Китайский синдром» дает нам еще один способ транспортировки зонда Стивенсона. Аппарат можно было бы заключить в достаточно большой капсуле с радиоактивными саморазогревающимися отходами. При этом проблема воздействия радиации на приборы и оборудование зонда не стоит, поскольку ее надо решить в любом случае для прохождения радиоактивных недр. Между тем задача утилизации радиоактивных отходов и излишка ядерных боеприпасов настолько актуальна, что вызвала появление таких проектов, как «Тонущий реактор» и «Горячая капля».

Технологическая разработка варианта «Тонущий реактор» предполагает своеобразный механизм «катапультирования» вышедшего из строя ядерного оборудования на многокилометровую глубину, где оно полностью расплавится и поглотится магмой.

Суть проекта под названием «Горячая капля» в общих чертах разработал А. В. Бялко, ученый секретарь Института теоретической физики им. Л. Д. Ландау. Алексей Владимирович предложил сконструировать металлическую оболочку из тугоплавких материалов — вольфрама и молибдена — диаметром в несколько метров. В этот шар загружается отработанное ядерное топливо и вместе с контейнером, наполненным научной аппаратурой, отправляется в глубь земли…

Оценки показывают, что для запуска «Горячей капли» требуется около сотни тонн высококонцентрированных радиоактивных отходов, которые немедленно начнут саморазогреваться. Средняя температура плавления скальных пород составляет где-то 800°С, поэтому планируемый разогрев контейнера в 1200°С быстро расплавит под собой горное основание. А поскольку радиоактивные отходы состоят из тяжелых трансурановых элементов, контейнер с ними начнет стремительно тонуть в земных пластах.

Кроме экологии в проекте «Горячая капля» очень важно научное содержание. Ведь вместо одноразового запуска зонда Стивенсона здесь получается долговременное зондирование земных недр с помощью разнообразных датчиков и на различных глубинах. Вместе с утилизацией опасных радионуклидов это позволило бы уточнить модели тектонической активности недр нашей планеты и приблизиться к вековой мечте предсказания землетрясений и извержений вулканов.

Получается, что проект доктора физ.-мат. наук Бялко, в отличие от построений профессора Стивенсона, не только может полностью окупить все расходы, но и принести существенную прибыль!

В старте «Горячей капли» можно использовать хорошо отработанные технологии проведения подземных ядерных взрывов. Это минимизирует риски радиоактивного заражения верхних слоев земной поверхности, где располагаются водоносные пласты. Это может выглядеть так: в подходящем геологическом разрезе бурится узкая скважина, и на километровой глубине создается взрывная полость, в которую загружают радиоактивные отходы.

Так несколько легкомысленный и экологически опасный проект Стивенсона, не только требующий многомиллиардного бюджета, но и грозящий опасностью стать своеобразной Машиной судного дня, залив землю масштабным тектоническим извержением магмы, превращается в свою полную противоположность. Будет ли «Горячая капля» осуществлена в ближайшие годы? Вопрос сложный, ведь все, что связано с утилизацией радиоактивных элементов, требует еще и определенных политических решений…