Меню

Что такое ядерная земля

Ядерная земля

Как «Кузькину мать» испытывали на Новой Земле и что там испытывают сейчас

Недавно «Росатом» опубликовал документальный фильм о создании и испытании «Царь-бомбы», самого мощного термоядерного боезаряда в истории. Хотя отрывки из него появлялись в сети и раньше, полная версия официально была обнародована впервые. Испытания 50-мегатонной бомбы состоялись на военном полигоне на Новой Земле в 1961 году. Мы решили вспомнить историю этих испытаний и рассказать, что происходит на полигоне на Новой Земле сейчас.

«Ядерный блеф»

После Второй мировой войны отношения между вчерашними союзниками — СССР и США — быстро ухудшились. Сверхдержавы начали гонку вооружений, создавая, испытывая и принимая на вооружение все более мощные образцы военной техники. Хотя ядерное оружие к началу 1950-х было у обоих государств, к середине десятилетия ядерный баланс был в пользу США, которые обладали преимуществом как по количеству ядерных боевых блоков, так и по средствам их доставки.

СССР создал и испытал собственное ядерное оружие, однако разнообразие боевых блоков было небольшим. Кроме того, у страны не было баллистических ракет для доставки ядерных зарядов на сколь-нибудь значительные расстояния, в то время как в США уже полным ходом разрабатывалась межконтинентальная баллистическая ракета Minuteman с дальностью полета более 9 тысяч километров. Пользуясь этим, американские власти начали во взаимоотношениях с СССР прибегать к ядерному шантажу: так называют доктрину, при которой одно государство, угрожая ядерным ударом, пытается заставить другое выполнить его требования.

В случае с СССР ядерный шантаж проявлялся, помимо прочего, в регулярном патрулировании границ Советского Союза стратегическими бомбардировщиками B-52 Stratofortress с ядерным оружием на борту. Полеты проводились в рамках операции «Хромированный купол» и предназначались не только для запугивания советского руководства, но и для того, чтобы в случае начала войны нанести быстрый удар по целям на территории СССР.

В качестве ответной меры в середине 1950-х годов руководство СССР приняло концепцию ядерного сдерживания, которая в 1961 году была принята Министерством обороны в качестве основного документа о противодействии ракетно-ядерной угрозе. Концепция предполагала разработку новых ядерных боевых зарядов разной мощности, новых носителей разной дальности, а также созданию видимости ядерного равновесия с помощью пропагандистских средств — «ядерного блефа».

«Кузькина мать»

Именно в рамках концепции ядерного сдерживания в 1956 году под руководством академика Игоря Курчатова стартовали работы по созданию мощной термоядерной бомбы. Целей у проекта было несколько: запугивание США, разработка и проверка технологий проектирования и конструирования термоядерных зарядов многоступенчатого типа (для подрыва необходим перенос энергии взрыва от первичных зарядов к основному заряду).

Этот проект шел в рамках строжайшей секретности, а потому даже не имел официального обозначения. В документах создаваемое оружие иногда не имело названия вовсе, а иногда проходило как РДС-202, АН602 или «изделие В». Названия «Царь-бомба» и «Кузькина мать», под которыми боеприпас широко известен сегодня, появились позже и тогда в ходу не были. «Царь-бомбой» боеприпас назвали, чтобы обозначить подчеркнуть его исключительную мощность, а «Кузькиной матерью» — с легкой руки Никиты Хрущева, который в 1959 году в обращении к президенту США Ричарду Никсону использовал это выражение.

Позднее к бомбе прилипло еще несколько названий, включая «Ивана», но они популярными не стали.

Проект создания самой мощной в мире термоядерной бомбы проводился в два этапа. Первым из них занимался НИИ-1011 (сегодня — «Российский федеральный ядерный центр — Всероссийский НИИ технической физики» в Снежинске). Изначально планировалось оценить возможности создания термоядерных зарядов мощностью от 150 мегатонн до одной гигатонны. Для этого требовалось разработать боеприпас мощностью до 30 мегатонн — для подтверждения возможности создания боеприпасов очень большой мощности.

Полученные по проекту наработки были использованы уже во втором этапе проекта, который вело КБ-11 (сегодня — «Российский федеральный ядерный центр — Всероссийский НИИ экспериментальной физики» в Сарове). Это конструкторское бюро в 1960 году приступило к разработке термоядерного заряда проектной мощностью 100 мегатонн. Боеприпас предполагалось создать по трехступенчатой схеме. Согласно проекту, в корпусе из природного урана-238 планировалось разместить три ядерных заряда. Два первичных — в носовой и хвостовой частях бомбы, а один — вторичный — между ними. Сам корпус должен был стать третичным зарядом.

Предполагалось, что при подрыве два первичных заряда мощностью 750 килотонн каждый будут обжимать вторичный ядерный заряд, запуская в нем цепную реакцию. Мощность подрыва этого заряда составила бы 50 мегатонн. Затем уже вторичный заряд запустил бы подрыв третичного заряда, вклад которого в итоговую мощность взрыва составила бы еще 50 мегатонн. Однако позднее от такой конструкции бомбы отказались: расчеты показали, что подрыве образовался бы очень высокий уровень радиоактивного загрязнения из-за подрыва третичного заряда.

В итоге разработчики сосредоточились на создании двухступенчатой бомбы, в которой третичный заряд был бы заменен на свинец. Это позволило бы ограничить разлет непрореагировавшего вещества, а значит область заражения, а также касания огненного шара земной поверхности, что тоже внесло свой вклад в загрязнение. В итоге к 1961 году в СССР был создан ядерный боеприпас, в котором было реализовано множество инновационных технических решений, в том числе обжатие основного заряда с двух полюсов, а не по кругу, как в бомбах предыдущих конструкций.

Была разработана и высокоточная система синхронизации, которая инициировала подрыв двух первичных зарядов с разницей не более 0,1 микросекунды.

Белый самолет

Для испытаний новой бомбы планировалось использовать стратегический бомбардировщик Ту-95, но его конструкцию пришлось сильно модифицировать. Дело в том, что новый боеприпас не помещался в стандартный бомбовый отсек. Разработчикам пришлось убрать фюзеляжные топливные баки, усилить систему крепления и перенести ее таким образом, чтобы крупный боеприпас (его макет к этому времени был уже готов) уместился в специально расширенном бомбовом отсеке.

В итоге для модифицированного Ту-95, получившего обозначение Ту-95-202, был создан новый балочный держатель авиабомбы с тремя бомбардировочными замками, каждый из которых был рассчитан на нагрузку массой до 9 тонн. Срабатывание замков обеспечивалось новой системой синхронизации. Впрочем, на деле все оказалось сложнее. К тому моменту, когда бомба была готова, оказалось, что она имеет массу существенно большую расчетной. Габариты боеприпаса также оказались больше ожидаемых. Масса бомбы составила 24 тонны, а масса ее парашютной системы — 0,8 тонны.

Чистый взрыв

К концу октября готовый самолет и бомбу перевезли на аэродром в Оленье Губе на Новой Земле, где к тому времени также был оборудован полигон. Испытания состоялись 30 октября 1961 года. Ту-95-202 с бомбой на борту взлетел в сопровождении бомбардировщика Ту-16, с которого велось наблюдение за экспериментом. В качестве цели для сброса боеприпаса был выбран один из островов архипелага Новая Земля. Бомбардировщик успешно сбросил бомбу с высоты 11,5 тысячи метров над целью, вскоре после этого раскрылся парашют бомбы.

Спустя 189 секунд после сброса по команде барометрического взрывателя (устройства, срабатывавшего при определенном атмосферном давлении) был произведен подрыв. В этот момент бомба находилась на высоте около четырех тысяч метров над целью. К моменту взрыва носитель отлетел от точки сброса на 39 километров. Вспышка взрыва была настолько яркой, что ее было видно за тысячу километров. Облако взрыва поднялось на высоту 67 километроов.

Читайте также:  Самые плодородные земли в подмосковье

Ударная волна догнала сбросивший бомбу самолет на расстоянии 115 километров от точки сброса, но уже была ослаблена и не повлияла на полет. При этом экипаж ощутил жесткие вибрации. В нескольких местах на самолете, покрытом белой краской, образовались подпалины. В результате взрыва термоядерной бомбы возникли электромагнитные помехи, которые нарушили радиосвязь в округе на 40 минут. В частности, все это время не было связи с Ту-95-202 и сопровождавшим его Ту-16, из-за чего наблюдатели не знали, что произошло с самолетами.

Взрывная волна обогнула Землю три раза. На острове Диксон в Карском море на расстоянии 780 километров от точки взрыва взрывной волной выбило окна в домах. Но радиационное загрязнение на острове, над которым был произведен взрыв, оказалось минимальным. Когда через два часа после подрыва «Кузькиной матери» на место прибыли исследователи, уровень радиации не представлял опасности для людей. По этой причине испытанную бомбу позднее иногда называли «чистой».

Сброс бомбы с бомбардировщика Ту-95-202

Несмотря на успешные испытания «Царь-бомбы», о принятии ее на вооружение речи не шло. Бомба получилась настолько тяжелой, что существенно ограничивала дальность полета Ту-95-202, аэродинамическое качество которого тоже было не лучшим из-за выпирающего из корпуса боеприпаса и снятых люков бомбового отсека. Таким образом бомбардировщик с 50-мегатонной бомбой просто терял свою стратегическую ценность. Но ядерный блеф был относительно удачным. После испытаний США несколько сократили количество полетов бомбардировщиков B-52 вдоль границы СССР.

В 1963 году СССР и США заключили Договор о запрещении испытаний ядерного оружия в атмосфере, космическом пространстве и под водой.

Спустя несколько лет Ту-95-202 был использован для перевозки планера разрабатывавшегося тогда сверхзвукового пассажирского самолета Ту-144. Планер перевезли из Москвы в Новосибирск для проведения статических испытаний. Ту-144 подвесили на ту же балку, на которую была подвешена «Царь-бомба». История бомбардировщика закончилась в Казахстане на Семипалатинском полигоне, где самолет использовался в качестве учебного пособия.

Подкритический полигон

Сегодня на архипелаге Новая Земля располагается Центральный полигон Министерства обороны России, также обозначаемый как «Объект 700». До 1990 года, когда США и СССР договорились о прекращении ядерных испытаний, он находился в эксплуатации. На нем были произведены 135 ядерных взрывов, включая 87 атмосферных и 42 подземных. В 1996 году был открыт для подписания Договор о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний, который, впрочем, пока не вступил в силу, поскольку США и некоторые другие страны до сих пор не ратифицировали это соглашение.

В середине 2000-х годов Сергей Иванов, занимавший тогда пост министра обороны РФ, заявил, что полигон поддерживается в постоянной готовности к возобновлению ядерных испытаний. Тогда взаимоотношения между Россией и США несколько ухудшились, и российские власти предполагали, что американская сторона готовится к возобновлению ядерных испытаний. Следует отметить, что острой необходимости в проведении полноценных ядерных испытаний сегодня нет — процесс взрыва изучен достаточно хорошо, чтобы можно было строить модели высокой точности.

В 2010-х годах американская разведка несколько раз заявляла, что Россия продолжает проводить ядерные испытания на полигоне на Новой Земле. Российские власти восприняли такие заявления, как попытку США найти повод для выхода из действующего до 2021 года договора о сокращении наступательных вооружений (СНВ-3) или отказа от заключения нового такого соглашения. По заявлению американской разведки, речь шла о так называемых подкритических ядерных испытаниях, иначе называемых неядерно-взрывными.

Неядерно-взрывные испытания могут проводиться в двух видах — с использованием изотопов урана-235 или плутония-239. Эти изотопы извлекаются из уже прошедших определенный срок хранения ядерных зарядов. При подобных экспериментах производится подрыв химического взрывчатого вещества, взрывная волна от которого обжимает исследуемые материалы. Для испытаний могут использоваться и фрагменты ядерных зарядов. В этом случае обжатие взрывной волной происходит не со всех сторон, чтобы избежать возникновения цепной реакции.

В целом, подобные эксперименты позволяют исследователям получить представления о происходящих в ядерных зарядах физических процессах, определить остаточный срок хранения боеголовок и подтвердить их надежность. Кроме того, благодаря таким экспериментам становится возможным оценить влияние длительного хранения на конструкцию боеголовок и используемых в них материалов, а также возможность замены одних материалов другими.

При подкритических испытаниях доля энерговыделения при взрыве непосредственно ядерного вещества не превышает 0,1 микрограмма в тротиловом эквиваленте или 0,0041 джоуля. При подготовке к испытанию макет ядерного устройства помещается в специальный контейнер, покрытый бентонитовой глиной. Этот контейнер опускается в заранее подготовленную штольню, которая затем бетонируется. При взрыве основную защитную функцию выполняет контейнер, однако, в случае его прорыва, бентонитовая глина стекленеет под воздействием тепла от химической взрывчатки, забивая возможные трещины в штольне.

Сложно сказать, можно ли считать подкритические испытания ядерными. Договор о всемерном запрещении ядерных испытаний не определяет максимальную мощность взрыва с использованием делящегося вещества, которую можно было считать нарушением его условий. Контролем за соблюдением договора занимается организация ДВЗЯИ, в распоряжении которой есть контрольно-измерительное оборудование, позволяющее зафиксировать ядерный взрыв мощностью не менее 100 тонн.

Любопытно, что проведение неядерно-взрывных испытаний Россия никогда особо и не отрицала. Так, еще в 2010 году Владимир Верховцев, занимавший тогда должность начальника 12-го Главного управления Министерства обороны, заявил, что в стране проводятся неядерно-взрывные эксперименты. «В условиях отсутствия полномасштабных ядерных испытаний обязательным инструментом контроля работоспособности, надежности и безопасности ядерных зарядов служат неядерно-взрывные эксперименты, которые не сопровождаются выделением ядерной энергии», — отметил Верховцев.

Помимо неядерно-взрывных испытаний Центральный полигон Министерства обороны России используется и для испытаний новых видов стратегического вооружения. В частности, там с 2018 года проходили проверки перспективной ракеты «Буревестник» с ядерной двигательной установкой.

Источник

Ядерная топка Земли

Общеизвестно, что Солнце и другие звезды черпают свою колоссальную энергию из пылающего в их недрах «термоядерного котла». Но и относительно холодная Земля излучает тепла заметно больше, чем можно было бы предположить на основе таких широко распространенных в природе процессов, как, например, естественный радиоактивный распад. Некоторые ученые считают, что причина этого кроется в работе гигантского атомного реактора в земных глубинах. Только в нашем геореакторе происходит не термоядерный синтез, как в звездах, а цепные реакции деления

В 1972 г. на заводе во Франции, производящем обогащенное ядерное топливо, случилось ЧП. До сих пор считалось, что изотопный состав природного урана повсюду на Земле одинаков. Однако в одной партии исходного сырья обнаружилось заметно меньше урана-235, чем обычно. Комиссариат по атомной энергии начал расследование.

Специалисты увидели в случившемся не злой умысел, но потрясающий природный феномен. Оказалось, что около 1,8 млрд лет назад на нескольких участках уранового месторождения в Окло (Габон), откуда поступила партия урана, происходили цепные ядерные реакции деления. Иными словами, там работал настоящий ядерный реактор, только не рукотворный, а природный! В частности, при изучении продуктов деления одного из таких реакторов было установлено, что он действовал в течение нескольких сотен тысяч лет в импульсном режиме – с рабочим циклом в полчаса и перерывом 2,5 часа, – выжигая уран-235.

Почему вообще так важна роль урана-235? Дело в том, что именно этот изотоп охотно делится под воздействием медленных нейтронов в отличие от преобладающего изотопа – урана-238, который может делиться только быстрыми нейтронами (а быстрые – в среде замедляются, и цепная реакция гаснет, не успев начаться).

Читайте также:  Атмосфера роль защита земли

Таким образом, за миллиарды лет до появления человека природа уже освоила технологию, над реализацией которой в середине ХХ в. бились лучшие умы планеты.

ИЗОТОПЫ УРАНА И ЦЕПНАЯ РЕАКЦИЯ ДЕЛЕНИЯ

Сама идея атомного реактора в земных недрах возникла примерно в это же время – и почти за двадцать лет до открытия феномена Окло! В 1953 г. американские физики Дж. Везерилл и М. Ингрэм выдвинули смелую гипотезу, что в древнейшие времена в скоплениях радиоактивных элементов, главным образом урана и тория, могли протекать цепные ядерные реакции. Датируя эти предположительные процессы эпохой более 2 млрд лет назад, авторы исходили из соображения, что в середине геологической истории Земли доля изотопа 235 U в общем уране была существенно выше, чем сейчас, и составляла более 3 % – как в топливе современных АЭС.

Поиски геореакторов, подобных оклоскому, предпринимались впоследствии и в других древних месторождениях, но они успехом не увенчались. Может быть, африканский реактор – это шутка Бога, результат случайного стечения обстоятельств и он действительно уникален? Даже если это так, идея, что в Земле могут идти – причем и в далеком прошлом, и в настоящее время! – ядерные реакции деления, не оставляет ученых.

Красноречивый гелий

Признаки работы природных реакторов ищут не только в земной коре, но и в недрах планеты. Одна из причин упорства исследователей заключается в том, что Земля излучает тепла примерно в 2,5 раза больше, чем должна отдавать в результате естественного распада радиоактивных элементов в коре (радиогенное тепло) и первичного нагрева. (Тепловая энергия, получаемая от Солнца, в этом балансе не учитывается). Если такую большую разницу пытаться объяснить только радиогенным теплом из внутренних областей планеты, то Земля в целом должна иметь нереально большие запасы радиоактивных элементов.

Но вот в цепных ядерных реакциях как раз выделяется тепла в несколько раз больше, чем при естественном радиоактивном распаде. Цепной механизм выделения энергии мог бы объяснить и упомянутый тепловой дисбаланс, и многие другие необычные явления. И если гипотетические реакторы расположены глубоко в недрах, то понятно, почему следы их активности не удалось найти в урановых месторождениях (за исключением Окло). Искали где ближе, но, может, стоит «копнуть вглубь»?

Итак, предположим, что где-то в теле Земли действует такой реактор. По каким признакам его можно обнаружить? Один из методов поиска – анализ продуктов деления, мигрирующих из зоны реакции и достигающих земной поверхности. В частности, очень интересен изотопный состав «солнечного элемента» – гелия.

Природный гелий состоит из двух стабильных изотопов: 4 He и 3 He. Некоторая часть гелия-3 поступает в атмосферу Земли с солнечным ветром и при β-распаде трития – тяжелого водорода, образующегося при соударении космических частиц с ядрами атомов, входящих в состав воздуха. Гелий-4 попадает в атмосферу в результате естественного распада урана и тория.

В воздухе на миллион атомов гелия-4 приходится всего полтора атома гелия-3. Но в базальтах срединно-океанических хребтов изотопа 3 He больше уже в 8 раз, а в некоторых изверженных магматических горных породах – в 40!

Как объяснить происхождение гелия с высоким содержанием изотопа 3 He? Какие физические процессы могут быть ответственны за это? Обычный радиоактивный распад явно не годится, так как он продуцирует исключительно гелий-4. Попробуем привлечь на помощь ядерные реакции деления.

Известно, что при работе реактора тяжелые ядра, поглощая нейтрон, становятся неустойчивыми и могут делиться на два крупных осколка с испусканием легких заряженных частиц и 2—3 нейтронов. Среди легких заряженных частиц доминируют ядра гелия-4 (α-частицы); их доля выхода около 90 %. Эту реакцию можно записать, например, так:

235 U + n ® 131 Xe + 99 Tc + 4 He + 2n.

В реакциях несколько другого типа образуется тритий (доля выхода до 10 %):

235 U + n ® 132 Cs + 99 Tc + 3 H + 2n.

Радиоактивный тритий, в свою очередь, распадается, испуская электрон (β-распад) и антинейтрино, с образованием гелия-3:

В конечном продукте совокупности таких реакций доли обоих изотопов гелия хотя и отличаются, но представляют собой величины одного порядка. Напомним, что в «стандартном» атмосферном гелии их концентрации различаются на шесть порядков! Таким образом, относительно высокое содержание гелия-3, наблюдаемое в магматических породах, поднявшихся на поверхность из земных недр, может служить косвенным свидетельством работы глубинного геореактора.

Уран выпал в осадок?

Прежде чем продолжить разговор, хочется еще раз подчеркнуть принципиальное различие между естественным радиоактивным распадом и ядерной реакцией деления, ибо разница эта не всегда очевидна на неискушенный взгляд. Обычная радиоактивность – это самопроизвольный распад атомных ядер; для реакции деления обязательно требуется взаимодействие с внешней частицей (нейтроном). По этой причине для осуществления ядерной реакции нужна достаточная концентрация активного вещества; для спонтанного распада концентрация не имеет никакого значения.

Если в недрах Земли действительно идут цепные реакции, значит, там должны присутствовать скопления радиоактивных элементов (актиноидов). Как и где именно они образовались? На этот счет существует множество разных точек зрения: от мантии до геометрического центра Земли.

На рубеже XX–XXI вв. В.Ф. Анисичкин с соавторами предложили обоснованную гипотезу, согласно которой местом критической концентрации урана и тория могла быть поверхность твердого внутреннего ядра Земли. Эта концепция во многом базируется на работах по растворимости диоксида урана (UO2), проведенных в конце 1990-х гг. в Институте геологии и минералогии СО РАН (Новосибирск). В экспериментах на аппарате высокого давления типа «разрезная сфера» А. И. Туркиным было показано, что растворимость UO2 в расплавах на основе железа с ростом давления уменьшается. Исследуемый диапазон давлений составлял 5—10 ГПа (для сравнения: в центре Земли давление около 360 ГПа). Поскольку в природе уран встречается преимущественно в виде оксидов, то логично сделать вывод: чем глубже, тем хуже будет растворяться уран!

Этот важный экспериментальный факт наводит на мысль, что миграция актиноидов в теле Земли могла быть следующей. После образования планеты в океане магмы, состоящей, в основном, из расплавов железа и силикатов, присутствовали и соединения урана. Со временем магма остывала, и происходило гравитационное разделение вещества по плотности. Силикаты, кристаллизуясь, всплывали в магме, плотность которой за счет железа была выше. Соединения же тяжелых актиноидов, выделяясь из расплава по мере роста давления и кристаллизуясь, оседали на внутреннее твердое железоникелевое ядро планеты.

Из сейсмологических исследований известно, что переходная зона между внешним жидким и внутренним твердым ядром Земли толщиной 2—3 км имеет мозаичную структуру. При этом основными структурными элементами являются относительно тонкие взвешенные слои протяженностью до нескольких десятков километров. Возможно, именно они и являются областями концентрации тяжелых радиоактивных элементов.

Не можешь найти – моделируй!

Когда речь идет о процессах на глубинах в тысячи километров, следует иметь в виду, что, с одной стороны, они недоступны непосредственному экспериментальному исследованию, с другой – их не всегда возможно изучать и в лабораторных установках, где трудно создать аналогичные физические условия. Но в современной науке существует еще один универсальный инструмент познания – компьютерное моделирование.

Читайте также:  История земли от сотворения мира

В 2005 г. ученые из Института гидродинамики СО РАН (Новосибирск) и Физико-энергетического института (Обнинск) численно смоделировали различные режимы работы геореакторов, начиная со времени образования Земли. Задача была не из легких, поскольку методы теории реакторов традиционно применяются для расчета процессов длительностью максимум в годы, а здесь потребовалось просчитывать интервалы в миллиарды лет!

Моделируемая среда представляла собой железоникелевый расплав с примесью углерода, в котором находились взвешенные кристаллы диоксида урана. Время начала моделируемых процессов – 4 млрд лет назад (содержание делящегося изотопа 235 U в природном уране тогда составляло 16 %, т. е. в 20 раз превышало современное значение).

238 U + n ® 239 Pu ® 235 U + 4 He.

В результате содержание легко делящегося урана-235 поддерживается на достаточно высоком уровне, и получается реактор-размножитель на быстрых нейтронах.

90 тыс. лет), надежно установленная в этих исследованиях, может свидетельствовать в пользу импульсного режима работы геореакторов, тепловые потоки от которых достигают поверхности Земли.

Вполне естественно предположить, что при работе реактора из-за тепловыделения возникают конвективные потоки, вызывающие разрыхление активной зоны. В какой-то момент цепная реакция деления останавливается. Когда выделение тепла прекращается и конвективные потоки ослабевают, уран медленно оседает – цепная реакция возобновляется. Таким образом, геореактор может работать и в импульсном режиме.

Определяющим показателем хода цепной реакции является коэффициент размножения нейтронов k, который равен отношению числа нейтронов, вновь образовавшихся в реакциях деления, к количеству нейтронов, поглощенных в ходе реакции либо покинувших активную зону.

Чтобы цепная реакция была возможна, должно выполняться неравенство k ≥ 1. Тогда в каждом новом поколении нейтронов становится все больше, и они, в свою очередь, вызывают все больше делений ядер. Возникает лавинообразный процесс. Согласно проведенным расчетам максимально возможный коэффициент размножения ведет себя следующим образом: вначале он падает в течение 1 млрд лет, однако затем более-менее стабилизируется и остается больше единицы вплоть до настоящего времени.

Представляется, что более вероятен импульсный сценарий работы реактора, когда периоды активности перемежаются периодами «простоя». Так, как это было в маленьком природном реакторе Окло, но только с большей продолжительностью циклов. По мнению авторов, временные характеристики рассчитанного импульсного режима можно соотнести с рядом периодических явлений, наблюдаемых на поверхности Земли, таких как глобальные изменения климата или смена магнитных полюсов.

Откуда летят геонейтрино?

Сторонники точки зрения, что Земля является ядерным реактором, сегодня связывают особые надежды с электронным антинейтрино. Эта частица в больших количествах образуется в цепных реакциях, при последовательных β-распадах осколков деления тяжелых ядер.

В 2005 г. группа исследователей, работавшая на нейтринном детекторе KamLAND (Япония), сообщила о первых результатах регистрации антинейтрино из недр Земли – геонейтрино. В течение двух лет ученые зафиксировали 152 события, но после отсечения фона осталось всего 25 – по одному в месяц. (Главными источниками фона оказались промышленные реакторы Японии и Южной Кореи).

Полное число антинейтрино может быть частично связано с мощностью действующего геореактора и частично – с естественным распадом различных нестабильных ядер в недрах Земли. Из данных KamLAND следует, что полная плотность потока геонейтрино составляет примерно 16 млн частиц в секунду на кв. см. Это соответствует источнику тепла, порождаемого ядерными реакциями, мощностью от 24 до 60 ТВт. Первое из двух чисел оказалось близким к величине «избыточного» тепла, излучаемого Землей, о котором шла речь выше. И многие специалисты склоняются к мнению, что это объяснение наиболее правдоподобно.

Энергетические спектры нейтрино, образующихся при делении разных ядер, отличаются. При интерпретации данных KamLAND в 2007 г. В.Д. Русов с коллегами выполнили компьютерное моделирование и определили спектральные составляющие геонейтрино от различных внутренних источников – урана-238, тория-232, плутония-239. Суммарную мощность геореактора они оценили в 30 ТВт. Результаты этой работы также свидетельствуют в пользу импульсного режима размножения.

КОММЕНТАРИЙ СПЕЦИАЛИСТА ПО ГЕОДИНАМИКЕ

У замечательных экспериментов на KamLAND есть один существенный недостаток: в них нельзя определить расстояние до источника частиц, только направление. Для решения этой и других задач предполагается создать глобальную сеть детекторов. Подобный опыт у международного научного сообщества уже есть: в 2005 г. был запущен проект интеграции четырех нейтринных детекторов на четырех континентах – в Японии, Канаде, Италии и Антарктиде – для прогнозов вспышек сверхновых в Галактике.

Таким образом, в ближайшее десятилетие планируется зарегистрировать геонейтрино в нескольких точках земного шара. Объединение данных разных детекторов позволит наконец установить точное месторасположение источников этих частиц внутри нашей планеты и даст еще один довод «за» или «против» гипотезы «ядерной топки» Земли.

Вместо послесловия

Известно, что на атомной электростанции может произойти взрыв, если не регулировать ход цепной реакции в реакторе. Есть веские основания полагать, что в далеком прошлом по разным причинам – внутренним или внешним, например при столкновении с астероидом, – медленные ядерные реакции в недрах Земли могли трансформироваться во взрывные.

Если бы взорвался весь уран Земли, событие было бы эквивалентно взрыву тротила в количестве, сравнимом с массой планеты! И Земля перестала бы существовать. Однако даже теоретически трудно представить механизм, по которому бы земной уран мог сконцентрироваться и одновременно прореагировать. Но взрыва даже нескольких процентов актиноидов вполне достаточно, чтобы отделить от Земли фрагмент размером с Луну.

1 ТВт = 1000 ГВт = 10 12 Вт
Мощность геореактора = 30 000 ГВт
Мощность Саяно-Шушенской ГЭС = 6,4 ГВт

Этот «апокалиптический» пассаж касается не только нашей планеты, но и других. Ведь большие тела Солнечной системы образовались из одного протопланетного облака, поэтому и содержание радиоактивных элементов в них может быть схожим. Все планеты, вероятно, прошли стадию гравитационного разделения вещества по плотности, в результате которого тяжелые актиноиды могли сконцентрироваться в их недрах.

Катастрофические ядерные события хорошо объясняют ряд так называемых нерегулярностей в Солнечной системе, казалось бы, ничем между собой не связанных. Среди них аномально большая масса спутника Земли – Луны, малая масса Марса, обратное суточное вращение Венеры, множество хаотично движущихся астероидов и комет. Не исключено, что исследования нашего «домашнего» земного реактора заставят нас по-новому взглянуть и на вопросы эволюции планет.

Анисичкин В.Ф. // Физика горения и взрыва. – 1997. – T. 33. – C. 138.

Анисичкин В.Ф., Бордзиловский С.А., Караханов С.М. и др. // Физика горения и взрыва. – 2009. – T. 45. – C. 100.

Митрофанов В.В., Анисичкин В.Ф., Воронин Д.В. и др. // V Забабахинские научные чтения. – Снежинск: Изд-во РФЯЦ ВНИИТФ, 1999. (Тр. междунар. конф.)

Овчинников В.М., Краснощеков Д.Н., Каазик П.Б. // Докл. РАН. – 2007. – T. 417. – C. 389.

Anisichkin V.F., Bezborodov A.A., Suslov I.R. // Transport Theory and Statistical Physics. – 2008. – V. 37. – P. 624.

Araki T. et al. // Nature. – 2005. – V. 436. – P. 499.

Rusov V.D., Pavlovich V.N., Vaschenko V.N. et al. // Journ. Geophys. Res. – 2007. – V. 112. – P. 1.

Авторы признательны академику В. М. Титову за поддержку проводимых в СО РАН исследований по цепным ядерным реакциям в недрах планет

Источник