Появление ядерного оружия, его дальнейшее совершенствование как в части самих боеприпасов, так и в сфере средств доставки, привело современное мировое сообщество на грань межгосударственного ядерного противостояния. В военных доктринах ряда государств, например, США, прямо указывается на возможность применения ядерного оружия в «ограниченной ядерной войне».
Эта угроза становится еще более реальной с появлением новых видов ядерного оружия. Поэтому создание адекватных средств защиты остается актуальным, несмотря на снижение вероятности возникновения глобальных войн.
Рис. 1. Принципиальная схема испытаний ПРЗ |
Основными поражающими факторами ядерного оружия и любых других источников ионизирующих излучений являются проникающая радиация мгновенного гамма-нейтронного излучения и гамма-излучения, возникающего в результате радиоактивного заражения местности. СССР одним из первых в мире начал разработку противоатомной защиты сухопутной военной техники и военнослужащих. Уже в конце 50-х годов в НИИ Стали создается специальное подразделение для исследования перспективных направлений в области защиты, в том числе и противорадиационной.
Основные направления исследований
НИИ Стали начал широкий поиск и разработку эффективных материалов для противорадиационной защиты. Исследования проводилась совместно с институтами и предприятиями Минхимпрома и АН СССР в рамках НИР и ОКР по постановлениям ЦК партии и Совета Министров СССР.
Исходя из критерия «стоимость-эффективность», из широкого спектра подходящих материалов были выбраны материалы с высокими показателями по кратности ослабления поглощенной дозы нейтронного и гамма излучений. Предварительный состав материала был получен посредством оптимизационных расчетных исследований. Из полученного композита изготавливались элементы противорадиационной защиты. Далее эти элементы проходили экспериментальную проверку на специальных моделирующих установках, которые включали в себя источники гамма и нейтронного излучения и системы детектирования. Применялись различные источники излучения с разными спектральными характеристиками. Исследования проводились как в экспериментальном зале отдела противорадиационной защиты НИИСтали, так и на специальных площадках других организаций.
Моделирующая установка с нейтронным генератором |
В рамках второго направления исследований специалисты института разрабатывали расчетные методы и методики измерений защитных характеристик как создаваемых материалов, так и самих изделий. Эти работы требовали колоссальных расчетов, поэтому институту специально были выделены самые мощные на тот период ЭВМ.
В основу расчетных исследований был положен принцип суперпозиции, в соответствии с которым доза D в каждой расчетной биоточке определяется как совокупность доз излучения, проходящего через i-тый элемент конструкции машины (Di).
Уровень защиты численно определяется величиной кратности ослабления дозы –К, представляющей собой отношение доз на открытой местности (Do) и в машине (Dм), то есть К= Do/Dм.
Величина дозы, приходящей в расчетную точку от рассматриваемого i-того элемента защиты, определяется интегрированием излучения по внутренней поверхности элемента защиты, обращенной к расчетной точке, т.е.
(см. рис.3).
Принцип суперпозиции |
Здесь φ - телесный угол, исходящий из расчетной точки к краям i-того элемента защиты.
С целью расчета противорадиационных характеристик плоских элементов был разработан комплекс программ решения интегро-дифференциального уравнения переноса нейтронов и гамма-излучения в одномерной геометрии и многогрупповом приближении по энергии с использованием оцененных ядерно-физических данных элементов, применяемых в защитных материалах. По этой программе расчетным путем оценивались противорадиационные характеристики плоских гетерогенных преград, а также проводились оптимизационные исследования различных материалов.
Используя данные расчетов, специалисты НИИ Стали начали работы по созданию конструкции защиты. По этому направлению проводилась разработка конкретных систем для противорадиационной защиты и привязка их как к боевым машинам, так и к инженерной технике.
Уже через год в институте был создан высокоэффективный противорадиационный материал, из которого изготовили детали защиты и провели оборудование этой защитой нескольких объектов Т-55А. Это была первая в мире противоатомная защита.
Элемент ПРЗ |
Впоследствии были проведены работы по созданию слоистых материалов, обладающих более рациональным распределением защитного вещества. Это позволило уменьшить стоимость материала при сохранении его защитных характеристик. Такие материалы были установлены на серийных объектах. Дальнейшие работы были направлены на совершенствование программного обеспечения расчетов, поиски новых композиционных материалов, обладающих комплексом свойств.
Испытания защиты
Испытания на полигонах проводились в условиях, имитирующих условия облучения при ядерном взрыве. Замеры проникающего излучения проводились в различных так называемых критических точках и затем сравнивались с расчетами.
Достоверность как расчетных, так и экспериментальных данных, полученных в модельных условиях, вызывала сомнения, поскольку не было данных, полученных в условиях реальных испытаний. НИИ Стали получил разрешение на испытание своей защиты в реальных условиях.
Институт разработал и подготовил детекторы излучения и регистрирующую аппаратуру. В состав комплекса разработанной регистрирующей аппаратуры входил измеритель поглощенной дозы. Вся аппаратура поверялась в СНИИП. Необходимое оборудование и несколько образцов с разработанной защитой отправлялись на полигон с бригадой испытателей.
Среди участников испытаний были такие специалисты НИИ Стали как:испытание в атмосфере 1962г.: Горбатов В.С.,Кощеев Е.А., подземные испытания 1966- 1979г.г.: Баранов Н.В., Воропай А.П., Глушков В.Ф., Емельянов Е., Ирдынчеев Л.А., Козлов Н.А., Малофеев А.М., Пугачев Б.Л., Рейтблат В.Л., Скворцов Ю.Г., Соколиков А.И., Фрид Е.С., Швайков Д.К., Швайков В.К., Шергина З.,подземные испытания 1980-1984г.г.: Ирдынчеев Л.А., Козлов Н.А., Малофеев А.М., Долгов В.В., Назаров В.Г., Пугачев Б.Л.,
Полученные результаты полностью подтвердили данные модельных испытаний и расчетов, проведенных НИИ Стали. Применение разработанной защиты на объектах существенно увеличило их защищенность от радиации, что позволило значительно повысить их боеспособность.
Защита от «мирного атома»
Бурное развитие ядерной энергетики, создание целого ряда ядерно-энергетических производств, применение в народном хозяйстве, в науке, медицине различного рода ядерных установок, реакторов и других источников ионизирующих излучений, нуждающихся в обслуживании и ремонте, потребовало создания соответствующих средств защиты. Особую актуальность средства противорадиационной защиты приобретают при ликвидации последствий техногенных катастроф, возникающих на территории или вблизи ядерных комплексов. В отличие от противорадиационной защиты военной техники к защите от «мирного атома» предъявляются несколько иные требования, поскольку и дозы, и спектры излучений значительно отличаются от характеристик ядерного взрыва. Это наглядно показал Чернобыль.
В результате разрушения реактора на Чернобыльской АЭС сама АЭС и прилегающие территории подверглись такому сильному радиоактивному заражению, что ликвидация последствий аварии оказалась проблемной задачей, поскольку ни люди, ни существующая на тот момент инженерная и военная техника не могли работать в этих условиях. Необходимо было срочно разработать и изготовить высокозащищённую спецтехнику с кратностью ослабления дозы на 2-3 порядка выше существующей.
В мае 1986 г. вышло постановление ЦК КПСС и СМ СССР о создании такой спецтехники. К работам был подключен и НИИ стали, который к тому времени накопил богатый опыт разработки и испытания противорадиационной защиты.
Техника с высоким уровнем ПРЗ после ликвидации аварии на ЧАЭС |
В начальный период аварии не было возможности определить спектрально-угловые характеристики радиационно-зараженной местности (РЗМ), поэтому при создании защиты спецтехники для Чернобыля разработчикам НИИ Стали пришлось опираться на ориентировочные данные по изотопному составу 60Со и 137Cs в отработанном топливе АЭС. Для корректных расчётов нужно было получить реальные характеристики РЗМ и внести соответствующие правки в разработки защиты спецтехники. Поэтому, как только выбросы радиоактивных частиц из реактора уменьшились до приемлемого уровня, было получено разрешения на проведение исследовательских работ непосредственно в Чернобыльской зоне. Основными участниками этих работ были специалисты института: Шашкин В.И., Фрид Е.С., Милентьев А.Б., Романовский А.Ю., Студенецкий С.В., Чистяков М.В.. Расчетное проектирование защиты проводил конструкторский сектор совместно с расчетным сектором отдела противорадиационной защиты института. Эти исследования показали, что проведенные специалистами НИИ Стали расчеты характеристик защиты, прошедшей эксплуатацию в чернобыльской зоне, адекватно отражали ее реальные защитные функции.
КАМАЗ с ПРЗ для МЧС |
В один из рабочих дней пребывания в Чернобыле группу из НИИ Стали посетил будущий министр МЧС (а ныне министр обороны РФ) С.К. Шойгу. Он говорил о необходимости разработки специальной инженерной техники для ликвидации подобных аварий, систематизировании и использовании в будущем полученных в ходе исследования данных. К опыту Чернобыля конструкторы НИИ Стали обратились при разработке специального защищенного от гамма-излучения КАМАЗа для МЧС, предназначенного для преодоления радиоактивно-зараженной местности.
Будущее противорадиационной защиты
Аварии на атомных электростанциях и других ядерных установках вероятны, пример тому - недавняя крупная радиационная авария на АЭС «Фукусима» в Японии. Оперативное использование техники с соответствующей защитой жизненно необходимо для уменьшения последствий таких техногенных катастроф.
Ученые НИИ Стали определили следующие перспективные направления развития противорадиационной защиты:
Оценка доз излучения с помощью фантома (тканеэквивалентный манекен) |
1) Совершенствование и модернизация программного комплекса, обеспечивающего решение задач по проектированию и созданию системы противорадиационной защиты (ПРЗ), а именно:
- создание новой системы исходных данных ( для техногенных катастроф) по полям облучения т.е. спектрально-угловой плотности потока нейтронов и гамма-излучения на открытой местности в месте наиболее вероятного расположения объекта;
проведение исследований по развитию и совершенствованию константной базы, т.е. ядерно-физических параметров, характеризующих ослабляющие по дозе свойства веществ, как существующих, так и вновь создаваемых материалов, необходимой для проектирования системы ПРЗ.
2) Адаптация разработанных конструкторских программных комплексов в систему автоматизированного проектирования радиационной защиты, состоящей из индивидуальной, локальной и коллективной защиты с различными защитными характеристиками.
3) Разработка стандартных конструктивных решений и схем по созданию защиты наиболее часто встречающихся элементов, например, мест размещения приборов наблюдения, люков и т.д.
4) Модернизация экспериментальной базы, направленная на приобретение новейшего дозиметрического оборудования, создания экспериментальных зальных установок, позволяющих моделировать конструкцию защиты объектов с учетом фантомных измерений, т.е. измерений эквивалентной дозы компонентов излучения внутри тканеэквивалентной модели человека (манекена, материал, которого подобен по ядерно-физическим свойствам телу человека), и создание методического обеспечения измерений.
В комплексе это позволит оперативно создавать адекватные средства защиты для использования в любых условиях появления радиационной опасности.
Авторы: И.А.Балашов, А.М.Малафеев, М.В.Чистяков, Н.Н.Хазов
