CC BY
56
ГЛОБАЛЬНАЯ ЯДЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ, 2018 №4(29), С. 24-30
_ ПРОБЛЕМЫ ЯДЕРНОЙ, РАДИАЦИОННОЙ _
И ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ -
УДК 532.5:539.5:623.45
ЭКСПРЕСС-ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ НЕРЕГЛАМЕНТИРОВАННЫХ ДЕСТРУКТИВНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ЯДЕРНО- И РАДИАЦИОННООПАСНЫЙ ОБЪЕКТ
© 2018 О.А. Губеладзе, А.Р. Губеладзе
Донской государственный технический университет (ДГТУ), Ростов-на-Дону, Ростовская обл., Россия
Рассматривается развитие аварийной ситуации после деструктивных воздействий на гипотетическую ракету с гипотетическим ядерным боеприпасом (ЯБП). Проведена оценка возможности ударно-волнового инициирования заряда обычного взрывчатого вещества, входящего в состав ЯБП.
Ключевые слова: твердое ракетное топливо, ударно-волновое инициирование, детонация, ядерный боеприпас, аварийный взрыв.
Поступила в редакцию: 29.05.2018
В обнародованном в США 2 февраля 2018 года документе, который носит название «Обзор ядерной политики» (2018 Nuclear Posture Review Final Report), говорится: «Учитывая существующий и разрабатываемый ядерный потенциал, существующий потенциал в области химических, биологических и обычных вооружений, а также исключительно провокационную риторику и действия, Северная Корея представляет собой неотложную и непредсказуемую угрозу». Подобные заявления повышают вероятность возникновения вооруженного конфликта на Корейском полуострове. Несмотря на грядущие изменения в ядерной доктрине США, основным видом предполагаемого воздействия США по ракетным комплексам КНДР следует ожидать поражение пусковых установок (ПУ) и ракет обычными средствами стратегической и тактической авиации, а также крылатыми ракетами (КР) морского базирования в рамках операции группы армий или стратегической операции на театре военных действий. Планируемое воздействие: по стационарным защищенным ПУ -управляемые ракеты (УР) / управляемые авиабомбы (УАБ) - 2 или 2^3 КР в обычном снаряжении; по мобильным и незащищенным стационарным ПУ - КР с кассетной боевой частью или неуправляемые ракеты (НУР) [1, 2].
Существуют следующие виды опасности ядерного оружия (ЯО): опасность несанкционированного применения ЯО; опасность ядерного взрыва; опасность ядерных энерговыделений самоподдерживающейся цепной ядерной реакции (СЦЯР); опасность возникновения СЦЯР; опасность выброса радиоактивных и токсичных веществ в окружающую среду; опасность ионизирующего воздействия радиоактивных веществ составных частей ядерного боеприпаса. К настоящему времени широко известно о многочисленных авариях и катастрофах, связанных с ЯО, среди которых особый интерес представляют следующие: в августе 1966 года в шахте взорвалась межконтинентальная баллистическая ракета «Титан-2» (США); в сентябре 1980 года произошел взрыв такой же ракеты (взрывной волной из шахты была выброшена ядерная боеголовка); в 1985 году произошел взрыв твердотопливного двигателя ракеты «Першинг-2» (база США на территории ФРГ) [3]. Наличие твердого ракетного топлива
© Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», 2018
(ТРТ) в составе ядерноопасного объекта повышает вероятность возникновения аварийной ситуации с наиболее тяжелыми последствиями. ТРТ, по сути - взрывчатые вещества, при нерегламентированных деструктивных воздействиях (НДВ) сами являются источником вторичных воздействий на ядерный боеприпас (ЯБП).
Для исключения неконтролируемых взрывов ядерных боеприпасов используются ступени предохранения, хотя выделения ядерной энергии и рассеивание ядерного горючего в случае аварийного взрыва боеприпаса полностью исключить не удастся. Ядерное горючее не может стать источником пожара или взрыва. Однако в ядерных боеприпасах содержится значительное количество обычного взрывчатого вещества, в состав головных частей могут входить дополнительные устройства, содержащие пирозаряды и твердое топливо. Поэтому в аварийных случаях (АС) ядерное оснащение ракет следует рассматривать как взрывоопасный элемент.
Вероятность того, что аварийный взрыв ЯБП будет активным, составляет 0,3%. Само по себе деление на аварийный неактивный (АНВ) и аварийный активный взрыв (ААВ) довольно условно. Так ААВ считается взрыв, при котором энерговыделение превышает энерговыделение взрыва заряда обычного взрывчатого вещества (ВВ) ЯБП более чем на 10 кг в тротиловом эквиваленте (ТЭ) [4].
Из перечня возможных АС и этапов их развития [5] выбрана АС-Ш «Воздействие обычных средств поражения на агрегат» с параметром «Характеристики поражающих элементов». Этапы развития АС-Ш:
- Э-2 - пожар агрегата с ракеты (Э-2-1 - пожар (взрыв) топлива ракеты;
Э-2-2 - срабатывание пожаро-взрывоопасных элементов ракеты и ЯБП);
- Э-5 - разрушение корпуса двигательной установки;
- Э-7 - воздействие обычных средств поражения;
- Э-8 - воздействие поражающих факторов взрыва элементов ракеты, ЯБП;
- Э-13 - взрыв, сгорание ЯБП.
Анализ возможных аварийных ситуаций (АС) при НДВ на твердотопливные двигательные установки ракет показал, что наиболее опасным для ЯБП, является ударное воздействие, создаваемое действием продуктов детонации и разгоняемыми элементами конструкции.
На рисунке 1 представлена логическая схема развития А-Ш (дерево событий) для наихудшего сценария (исход - Э-13).
Рисунок 1 - Логическая схема развития А-III для наихудшего сценария (исход - Э-13) [The logical scheme of the development of A-III for the worst scenario (outcome - E-13)]
Рассмотрим развитие АС после НДВ на гипотетическую ракету с гипотетическим ЯБП. Так как достоверных сведений о ракетных топливах баллистических ракет КНДР
нет, то по материалам работ [6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13] был определен диапазон механических, теплофизических и химических свойств ракетных топлив. Для расчетных исследований механизма возбуждения и распространения взрывчатых превращений в зарядах ТРТ брались гипотетические образцы (№№ 1^3). Некоторые их характеристики в сравнении с взрывчатыми веществами представлены в таблице 2.
Таблица 2 - Характеристики гипотетических образцов с взрывчатыми веществами (Characteristics of
hypothetical samples with explosives)
Взрывоопасные Плотность, Критический Критическое давление Скорость Теплота
вещества кг/м3 диаметр, мм инициирования, ГПа детонации, м/с взрыва, кДж/кг
Перхлорат 1000 30 1,5 3750 2030
аммония
Гексоген 1800 1-3 10 8860 5610
Октоген 1870 1-2 10 8900 5400
Тротил 1600 5 2,2 6970 4120
Образец № 1 1830 34 2,0 6500 6600
Образец № 2 1740 36 2,0 6000 6600
Образец № 3 1790 27 7,2 5500 6600
Модельные испытания показали, что при определенном воздействии в образце № 1 может быть возбуждена детонация, в остальных случаях послойное или конвективное горение либо взрыв в низкоскоростном режиме (ТЭ ~ 20-30% от ТЭ детонации).
При взрыве заряда ТРТ распределится по поверхности оболочки. Определения скорости метания конструкции подробно рассмотрено в работе [15]. Наибольший интерес для исследования воздействия на ЯБП представляет движение переднего днища и других элементов конструкции, разделяющих РДТТ и ЯБП (агрегатный, соединительный и переходной отсеки), которые будут вовлечены в движение. На рисунке 2 представлена расчетная схема конструкции гипотетической твердотопливной ракеты.
Приборный отсек (тпо), агрегатный отсек (шло), соединительный отсек (meo) и днище (ткДН ) как правило выполнены из АМг-6 и стеклопластика. При расчете следует учитывать их суммарную массу.
Для рассматриваемой гипотетической ракеты скорость метания определим по упрощенной формуле (1) [13]:
D
U = 2
2[, + ^
Р (1)
Приняв р-1,7 к D = 5500^6500 м/с, получим U= 2230 -2630 м/с.
тпо тло тсо ¿ mj
VÙ тР* J t v *
V
J
Рисунок 2 - Расчетная схема [Design scheme] ГЛОБАЛЬНАЯ ЯДЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ, № 4(29) 2018
На рисунке 3 представлены результаты моделирования деформации рассматриваемой конструкции для различных моментов времени т (сек).
а) т = 0 с; б) т = 3,5-10~4с; в) т = 5,510"4с; г) т = 8,5 10"4с.
Рисунок 3 - Деформация элементов конструкции [Deformation of structural elements]
Проведенная оценка возможности ударно-волнового инициирования заряда ВВ ЯБП показала, что детонация обычного взрывчатого вещества рассматриваемого устройства возможна в диапазоне скорости 3000^4500 м/с. Поэтому ожидаемый исход развития этапов данной АС - аварийный неактивный взрыв (разрушение ЯБП) с возможным развитием пожара. Результаты математического моделирования подобной аварийной ситуации с гипотетическим ЯБП (~ 0,33 Мт в ТЭ) представлены на рисунке
Рисунок 4 - Радиоактивное (а) заражение местности при АНВ (пожаре) гипотетического ЯБП (пунктиром показаны зоны при пожаре) [Radioactive (а) contamination of the area in case of fire of a hypothetical nuclear warhead (dotted lines indicate fire areas)]
При АНВ заражение будет только X -излучением, возможен пожар. При температурах на деталях радиоактивных веществ: 5000 С - горит плутоний (х-фаза горения); 5900 С - горит плутоний (8 - фаза горения); 6800 С - воспламеняется уран и дейтерид лития. При сгорании урана и плутония происходит образование окислов металлов, сорбированных на частицах дыма. Облака дыма с диспергированными радиоактивными веществами ядерного боеприпаса ветром относит на значительные расстояния, вызывая радиоактивное заражение местности. Пожар гораздо опаснее, чем АНВ. При этом возможны заболевания человека: отек легких, склероз легких, отдельные поражения легких.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Слипченко, В.И. Войны нового поколения: дистанционные бесконтактные. [Текст] / В.И. Слипченко. - Москва : ОЛМА-ПРЕСС Образование, 2004. - 382 с.
2. Кирьян, М.М. Внезапность в операциях вооруженных сил США [Текст] / М.М. Кирьян. -Москва : Воениздат, 1982. - 328 с.
3. Кириллов, В.М. Физические основы радиационной и ядерной безопасности. [Текст] /
B.М. Кириллов - Москва : РВСН, 1992. - 212 с.
4. Денисов, О.В. Комплексная безопасность населения и территорий в чрезвычайных ситуациях. Проблемы и решения: моногр. [Текст] / О.В. Денисов, О.А. Губеладзе, Б.Ч. Месхи, Ю.И. Булыгин; под общ. ред. Ю.И. Булыгина. - Ростов-на-Дону : Издательский центр ДГТУ, 2016. - 278 с.
5. Михайлов, В.Н. Безопасность ядерного оружия России. [Текст] / под ред. В.Н. Михайлова -Москва : Мин. по атомной энергии - 1998. - 148 с.
6. Жарков, А.С. Состояние, перспективы и проблемы утилизации ракетных топлив [Текст] /
A.С. Жарков, В.И. Марьяш, С.М. Уткин // Проблемные вопросы методологии утилизации смесевых ракетных топлив, отходов и остатков жидких ракетных топлив в элементах ракетно-космической техники : сб. трудов научно-практической конференции. Бийск : ФНПЦ «Алтай», Российская академия ракетных и артиллерийских наук, 2003 г. - С. 5-10.
7. Маклаков, С.Ф. Ракеты стратегического назначения. Курсовое и дипломное проектирование: метод. пособие [Текст] / С.Ф. Маклаков, Л.Л. Маджугин, О.А. Губеладзе - Ростов-на-Дону : РВИ РВ, 2009. - 128 с.
8. Косточко, А.В. Пороха, ракетные твердые топлива и их свойства : учебное пособие Казан. гос. технол. ун-т. [Текст] / А.В. Косточко, Б.М. Кабзан - Москва : ИНФРА-М, 2014. - 399 с.
9. Соколовский, М.И. Опыт экологически чистой утилизации малогабаритных РДТТ [Текст] / М.И. Соколовский, В.3. Каримов, Ю.Н. Щербаков // Проблемные вопросы методологии утилизации смесевых ракетных топлив, отходов и остатков жидких ракетных топлив в элементах ракетно-космической техники : сб. трудов научно-практической конференции. Бийск: ФНПЦ «Алтай», Российская академия ракетных и артиллерийских наук, 2003. -
C. 2-4.
10.Алемасов, В.Е. Теория ракетных двигателей: учебник для студентов ВТУЗов [Текст] /
B.Е. Алемасов, А.Ф. Дрегалин, А.П. Тишин; под ред. В.П. Глушко. - Москва : Машиностроение, 1989. - 464 с.
11. Цуцуран, В.И. Военно-технический анализ состояния и перспективы развития ракетных топлив: Учеб. [Текст] / В.И. Цуцуран, Н.В. Петрухин, С.А. Гусев. - Москва : МО РФ, 1999. -332 с.
12. Энергетические конденсированные системы. Краткий энциклопедический словарь [Текст] / под ред. Б.П. Жукова. - Москва : Янус К, 2000. - 483 с.
13. Орленко, Л.П. Физика взрыва и удара: учебное пособие для вузов. [Текст] / Л.П. Орленко -Москва : ФИЗМАТЛИТ, 2008. - 304 с.
14. Методы исследования взаимодействия кинетических ударников с тонкостенными конструкциями: научно-методические материалы. - МО РФ, 1999. - 217 с.
15. Губеладзе, О.А. Оценка результатов нерегламентированных воздействий на взрывоопасный объект [Текст] / О.А. Губеладзе // Глобальная ядерная безопасность. - 2011. - №1. - С. 61-63.
ЭКСПРЕСС-ОЦЕНКА PE3Y.HBTATOB HEPERrtAMEHTHPOBAHHtlX 29
REFERENCES
[1] Slipchenko V.I. Voyny novogo pokoleniya: distantsionnye beskontaktnye [Wars of New Generation: Remote Contactless]. Moscow. OLMA-PRESS Obrazovanie [OLMA-PRESS Education Publishing House]. 2004. 382 p. (in Russian).
[2] Kir'yan M.M. Vnezapnost' v operatsiyakh vooruzhennykh sil SShA [Suddenness in Operations of Armed Forces of the USA]. Moscow. Voenizdat. 1982. 328 p. (in Russian).
[3] Kirillov V.M. Fizicheskie osnovy radiatsionnoy i yadernoy bezopasnosti [Physical Bases of Radiation and Nuclear Safety]. Moscow. RVSN. 1992. 212 p. (in Russian).
[4] Denisov O.V., Gubeladze O.A., Meskhi B.Ch., Bulygin Yu.I. Kompleksnaya bezopasnost naseleniya i territorij v chrezvychajnyx situaciyax. Problemy' i resheniya: monografiya [Complex Safety of the Population and Territories in Emergency Situations. Problems and Solutions.]. Rostov-on-Don. Publishing center Don State Technical University. 2016. 278 p. (in Russian).
[5] Mikhaylov V.N. Bezopasnost' yadernogo oruzhiya Rossii [Safety of Nuclear Weapon of Russia]. Moscow. Min. po atomnoy energii [Ministry of Nuclear Energy]. 1998. 148 p. (in Russian).
[6] Zharkov A.S., Mar'yash V.I., Utkin S.M. Sostoyanie, perspektivy i problemy utilizatsii raketnykh topliv [State, Prospects and Problems of Utilization of Rocket Fuels]. Problemny e voprosy' metodologii utilizacii smesevy x raketny x topliv, otxodov i ostatkov zhidkix raketny x topliv v eTementax raketno-kosmicheskoj texniki: sb. trudov nauchno-prakticheskoj konferencii [Problem Questions of the Methodology of Mixed Rocket Fuel Utilization, Waste and Residues of Liquid Rocket Fuels in the Elements of Rocket and Space Technology: Collection of the scientific-practical conference]. Biysk. Russian Academy of Rocket and Artillery Sciences. Federal research and production center «Altai». 2003. P. 5-10 (in Russian).
[7] Maklakov S.F., Madzhugin L.L., Gubeladze O.A. Rakety strategicheskogo naznacheniya. Kursovoe i diplomnoe proektirovanie. Metodicheskoe posobi [Rockets of Strategic Appointment. Course and Degree Design. Methodical Grant]. Rostov-on-Don. Rostov Military Institute of Rocket Troops. 2009. 128 p. (in Russian).
[8] Kostochko A.V., Kabzan B.M. Porokha, raketnye tverdye topliva i ikh svoystva : uchebnoe posobie Kazan. gos. tekhnol. un-t [Gunpowder, Rocket Solid Fuels and their Properties]. Moscow. INFRA-M. 2014. 399 p. (in Russian).
[9] Sokolovskiy M.I., Karimov V.Z., Shcherbakov Yu.N. Opyt ekologicheski chistoy utilizatsii malogabaritnykh RDTT [Experience of Environmentally Friendly Utilization of Small-Sized RDTT]. Problemnye voprosy' metodologii utilizacii smesevyx raketnyx topliv, otxodov i ostatkov zhidkix raketny x topliv v eTementax raketno-kosmicheskoj texniki : sb. trudov nauchno-prakticheskoj konferencii [Problem Questions of the Methodology of Mixed Rocket Fuel Utilization, Waste and Residues of Liquid Rocket Fuels in the Elements of Rocket and Space Technology: Collection of the scientific-practical conference]. Biysk. Russian Academy of Rocket and Artillery Sciences. Federal research and production center «Altai». 2003. P. 2-4 (in Russian).
[10] Alemasov V.E., Dregalin A.F., Tishin A.P. Teoriya raketnykh dvigateley: uchebnik dlya studentov VTUZov [Theory of Rocket Engines]. Moskva. Mashinostroenie [Moscow. Mechanical Engineering]. 1989. 464 p. (in Russian).
[11] Tsutsuran V.I., Petrukhin N.V., Gusev S. A. Voenno-tekhnicheskiy analiz sostoyaniya i perspektivy razvitiya raketnykh topliv [Military and Technical Analysis of a State and Prospect of Development of Rocket Fuels]. Moscow. MO RF. 1999. 332 p. (in Russian).
[12] Energeticheskie kondensirovannye sistemy. Kratkiy entsiklopedicheskiy slovar' [The Power Condensed Systems. Short Encyclopedic Dictionary]. Moscow. Yanus K. 2000. 483 p. (in Russian).
[13] Orlenko L.P. Fizika vzryva i udara: Uchebnoe posobie dlya vuzov [Physics of Explosion and Blow: Manual for Higher Education Institutions]. Moscow. FIZMATLIT [Moscow. PHIZMATLIT]. 2008. 304 p. (in Russian).
[14] Metody issledovaniya vzaimodeystviya kineticheskikh udarnikov s tonkostennymi konstruktsiyami: Nauchno-metodicheskie materialy [Methods of Research of Interaction of Kinetic Drummers with Thin-Walled Designs: Scientific and Methodical Materials]. Moscow. MO RF. 1999. 217 p. (in Russian).
[15] Gubeladze O.A. Otsenka rezul'tatov nereglamentirovannykh vozdeystviy na vzryvoopasnyy ob'ekt [Estimating of Unregulated Influence Results on Explosive Object]. Global naya yadernaya bezopasnost' [Global Nuclear Safety]. 2011. №1 (1). P. 61-63 (in Russian).
30
rYEEHAfl3E h gp.
Express Assessment of Results of Independent Destructive Impacts on Nuclear and
Radiation-Hazardous Object
O.A. Gubeladze1, A.R. Gubeladze2
Don State Technical University, Gagarin square 1, Rostov-on-Don, Russia, 344000 1ORCID iD: 0000-0001-6018-4989 WoS Researcher ID: F-6921-201 e-mail: [email protected] 2ORCID iD: 0000-0002-6966-6391 WoS Researcher ID: F-7215-2017 e-mail: [email protected]
Abstract - The paper considers the development of an emergency after destructive impacts on a hypothetical rocket with hypothetical nuclear ammunition. Assessment of a possibility of shock and wave initiation of usual explosive charge which is a part of hypothetical nuclear ammunition carried out.
Keywords: solid rocket fuel, shock and wave initiation, detonation, nuclear ammunition, emergency explosion.
