地下核试验简介当前位置:首页 > 科普知识

地下核试验简介

文章来源:信息中心   时间:2013-02-27

 共1页  1 


  内华达国家安全场址(NNSS,即以前的内华达试验场)是美国核武器综合体的一个重要组成部分,建于1950年12月,占地680平方英里。从1951年1月11日到1992年9月23日,共进行了100次大气层核试验和828次地下核试验。

  本文简要介绍了美国内华达试验场的地下核试验准备情况、核爆过程以及对环境的影响。相关内容仅供参考。

  一、地下核试验的过程

  地下核试验的主要目的是开发新的核武器系统以及评估核武器效应,此外还有少数地下核试验与和平利用核爆有关(如研究核爆在开挖运河、港口以及在开采石油资源方面的应用)。地下核试验的方式有竖井和平洞等,竖井试验通常与开发新的核武器系统有关,而平洞试验通常与评估核爆效应(如地面冲击和辐射)对军事设施的影响有关。进行一次地下核试验十分繁琐,需要进行长期规划,并且在资源上给予充分保证。一次竖井试验主要包括了七个操作过程。

  〔步骤1〕试验场地的选择和钻井

  地下核试验场地的选择可能有两种方法:⑴选择已有的竖井;⑵如果已有竖井不适合,选择新场地并钻井。场地选择是为了优化各种参数,使试验具有可行性,并成功密封核爆,同时降低成本。

  场地选择需要考虑诸多因素,包括:⑴现场资源调度;⑵试验安排;⑶核爆冲击感度以及与其它实验的相互影响;⑷设备配置需要的深度范围;⑸地质结构;⑹地质材料属性;⑺地下水位深度;⑻钻井面临的潜在问题;⑼成坑、冒顶、或表层坍塌等问题;⑽对邻近的开放性竖井、未封闭待用竖井以及勘探用竖井的影响;⑾对地下水、道路以及输电线等与试验无关事物的影响。如果承担核试验任务的核武器实验室要求在新的指定位置钻井,那么将制定相应的钻井计划,进行环境评估并标桩被选场地。环境评估完成后,将对场地进行评分,建造泥浆池和钻井液池,随后钻探设备进场。

  竖井的标准直径在1-3米之间,深度为180-760米。钻井过程中每3米收集一次岩屑样本,并按要求对岩心采样。钻井完成后,地球物理测试设备将被送入竖井,以便进一步了解地质情况。最后,进行回填和加盖特制覆盖物来保护场地。

  〔步骤2〕试验场地工程与建设

  若某竖井被选作核试验场地,那么将根据承担试验任务的核武器实验室提出的标准来调查并标桩周围区域。再次进行环境调查以确定区域状态是否改变。竖井覆盖物将被移除,并通过地球物理测试井确定其状态。一旦环保评估通过,将清理和平整地表“零点”和邻近区域,并为装载设备和记录仪器的拖车选择合适的停放位置。天然材料可用于封盖井口;假如天然材料不稳定,需用合适的填充材料替换。试验完成后,所有现场工作将被中断。地表面零点周围放置有混凝土垫,可为井下作业提供稳定平台,同时也作为组装塔的地基。相关设备被移至竖井中,这些设备用来放置核装置,记录核试验数据,并提供环境辐射数据和地震监测数据。一个庞大的接地系统构成了基线测试仪器的基础,其中可能包括一个盐水坑。放置在爆炸点的设备用铝箔和防震材料或者致密泡沫保护。多个辐射探测器环形安置在表面零地点周围,以探测和评估试验泄露。最后,建立周界栅栏,试验场地的进出将受到控制。

  〔步骤3〕设备运输及组装

  核试验装置的相关物品先运送到一个名为“设备组装设施”的建筑物内,在那里执行所需装配,然后在武装护航下运送至试验场地。核试验装置将与诊断设施组件连接。诊断设施组件最终将被放置在竖井中,随后接受检查。所有涉及核试验装置的操作必须保持很高的安全状态。

  〔步骤4〕诊断设备组装

  诊断设施组件在场外组装好再运输至试验场地。诊断设施组件的尺寸取决于竖井的直径,其直径可达3.6米,长度可达36米,能够容纳所有爆炸时接收数据需要的仪器。诊断设施组件内可含铅或者其它材料以保护探测仪器。到达场地后,诊断设施组件将被安装在组装塔内,与场地中的设备配套。仪器电缆连接到试验以及记录用的活动拖车上。

  〔步骤5〕放置实验包

  将核炸药包和特殊测量设备移至洞井并放于爆轰处,同时所需诊断材料和仪器电缆也将放入洞井。井下操作将按照规定要求进行,并由单独的检查员监视。整个组件将放在一个横跨洞口的不易断裂的横梁上。然后将所有辅助设备放入洞井,随后该区域将处于安全保护状态。在移出安放设备后,试验将在洞井中进行。将对洞井进行填埋以防止放射性材料泄露。根据密封设计指标,确定填埋材料的放置位置。典型的填埋材料包括:沙、石膏、水泥浆、冷沥青,或环氧树脂塞,它们都将形成不同隔离区。必须保证穿过隔离区中的仪器电缆没有为放射性气体形成通道。一旦完成上述操作,该区域将清除一切多余设备。同时,将向密封评估委员会递交一份报告,表明现有实际状态反映了密封设计规划的要求。

  〔步骤6〕核试验

  在密封评估委员会认可现有密封设计且所有预备试验都成功后,就可进行核爆试验。出于安全和安保的原因,必须通过安保操作来确保核爆前撤离所有与试验无关人士。随后将解保炸药、启动放射性监控器;跟踪飞机将准备好,以在万一气体和碎片进入地表的情况下开始工作。在评估完天气影响和放射性尘埃扩散方式后,将引爆核装置。试验进行后,在保证成功密封住放射性产物之前,试验场地将仍处于安保状态。一个工作队将适时派入场地,将对实验数据进行初步处理。在确保所有操作都安全后,将恢复常规NNSS操作。试验场地将被隔离,标明此区域存在潜在塌陷的危险。

  〔步骤7〕核试验后取样

  在爆炸腔温度降下来后,将向爆轰处回钻一个孔,以获取碎片样品。这些高放样品能提供试验的重要信息。回钻孔的直径要尽可能小,并且钻孔的角度要使钻孔器械安全地处于地面零点之外。回钻和取样完成后,将对钻孔器械和工具去污。场地的残余放射性污染清理工作也将进行,并用水泥将洞井回堵至地表。至此,核试验操作基本结束。

  二、地下核试验对环境的破坏

  地下核试验对环境的主要影响是地面运动、地质扰乱、表面沉陷,以及对地下地质和表面土质的污染。地面运动是暂时的(落石和陆地微小移动除外),它不会对场地外其它区域产生永久影响。地下核试验对环境的重要和持续影响包括:形成沉陷坑、扰乱地下地质、向环境释放放射性核素。

  图1为地下核爆发生后的事件序列。在时间为1微秒的爆轰中,大量原子释放了能量。爆炸核装置中的压力将达每平方英寸数百万磅,温度达100万摄氏度。爆炸将产生强冲击波并从爆轰点向外扩散。

  核爆后数十毫秒内,核装置及周围岩石被蒸发,产生大量高压蒸汽和气体。这种高压气流在地下产生一个球形空洞,爆炸的势能传递给了主体岩石。

地下核试验简介

  图1 地下核爆炸试验空洞、碎石竖洞及沉积坑的形成

  随着空洞继续扩大,压力减退,通常在爆炸后的几十分之一秒内,压力就只相当于上面的岩石的压力。此时,空洞达到最大直径。压力衰减的同时,爆炸冲击波向外传播,使核试验周围的岩石碎裂。最后,冲击波减弱,岩石不再被挤碎,而只是被压缩,随后岩石慢慢恢复最初状态。这种压缩和松弛产生地震波,其向地面传播方式与地震产生的地震波相同。

  几秒之后,热气冷却,熔融的岩石开始集聚和凝固在空洞侧壁上,并在底部积聚和凝固成玻璃体。爆炸产生的绝大部分放射性产物都将密封在玻璃体固化岩石中。

  随着气体冷却,压力衰减至不能支撑上面的岩石和土壤,空洞可能开始坍塌,并沿该空洞向上形成一个“碎石竖洞(chimney)”。坍塌时,上面的岩石破裂成碎石,并落入空洞中。这个过程一直持续,直至空洞里完全填满了碎石,“碎石竖洞”一直到达岩石强度能够承受重负的地方,或者通常“碎石竖洞”到达地面。当“碎石竖洞”到达地表面,地面下沉,形成碟状沉降坑。沉降坑通常在爆炸后几个小时内形成,也可能几个月后形成。

  由于空洞周围的被压缩岩石的密封特性、岩石的孔隙率、岩石埋藏深度以及洞口填塞等综合效果,核爆炸产生的放射性物质将保留在地下。

  如上所述,爆炸形成充满蒸汽的压力空洞。随着空洞向外推移,周围岩石被挤压。由于空洞内气体量基本是固定的,空洞扩大压力就减小。最终,压力降低到周围材料形变需要的水平以下。同时,冲击波向外将动能传递给空洞周围的材料。一旦冲击波通过,材料尽力恢复(回弹)到原来的状态。这种回弹在空洞周围产生一个大的压缩应力场,称为“应力密封罩”。“应力密封罩”的物理特性类似于石拱支撑自身的方式。石拱中每块石头的重量推挤并依赖其它石头,从而支撑了石拱。在地下核爆炸中,回弹的岩石在空洞周围形成封锁,产生一个应力场,应力场的强度高于空洞内压力。“应力密封罩”中止任何已经开始的断裂,并防止形成新裂纹。

  充满蒸汽的空洞最终坍塌,形成碎石竖洞。空洞坍塌期间,空洞内蒸汽与掉入空洞的冷却碎石接触后开始冷凝。不凝气体保留在压力较低的碎石竖井下部。空洞坍塌之后,不再有驱动气体从空洞区到地面的高压蒸汽。

  如果核试验是在冲积岩或凝灰岩这类多孔质材料中进行的,这些介质的多孔性可以吸收爆炸产生的气体。比如,地下水位以下150千吨爆炸当量产生的所有蒸汽可能以凝聚态形式被密封在60-90米厚沉积层孔隙中。尽管大部分蒸汽在离开空洞区域前已凝结,但这种地理介质的多孔性有利于密封不凝气体,如二氧化碳和氢。不凝性气体分散到互连的孔隙中,使压力大幅降低,直至不能驱动岩石断裂。内华达试验场的深地下水位和多孔岩石将有利于密封气体。

  上面岩石的压力也会产生密封效果。填埋的深度提供限制断裂生长的应力。比如,当裂纹开始生长,气体从裂纹渗入周围的材料。最后,裂纹中压力降低,直至裂纹不再延伸。此时,裂纹停止生长,气体渗入周围材料。

  岩石强度是影响密封的另一个重要因素,强度极弱的岩石(如水饱和粘性土)不能支撑“应力密封罩”。因此,内华达试验场含大量水饱和粘性土的场地未来应避免进行任何试验。

  最后一个密封要素是在核装置就位之后和爆炸之前,在垂直竖井中回填材料。

  各种密封效果取决于许多变量,包括爆炸威力大小、填埋深度、岩石中水含量和地理结构。当应力密封罩未完全形成,以及来自空洞的气体通过回填洞或负重材料,就会出现问题。当空洞坍塌,蒸汽凝结,只有二氧化碳和氢这类不凝气体保留在空洞内。岩石中碳酸盐材料汽化形成二氧化碳;水与核装置和诊断工具中的铁发生反应形成氢。如果没有可用孔隙,二氧化碳和氢就保留在碎石竖洞内。如果不凝气体太多,它们将作为一股驱动力,通过碎石竖洞或上面的岩石输运放射性物质。因此,在评估某次特定试验的密封物时,爆炸附近的碳酸盐材料数量和岩石中水含量、可发生反应的铁的含量都是重要的考量因素。

  内华达试验场历史上的竖井地下核试验产生数百个坑,这使该区域的地表坑坑洼洼,如图2。这些沉积坑直径通常为60-600米,深度为几米到60米。坑的大小主要与核装置放置深度和爆炸产生能量有关。在内华达试验场的PahuteMesa区进行核试验后产生坑洞较少,与该区域岩石强度以及大部分核试验进行的深度有关。坑洞形成和发展是地下核试验最主要后果。

  除空洞、碎石竖洞和沉积坑外,某些情况下地表会产生压力脊和小的位移断层。地表断裂和断层是爆炸时土壤的突然上行,以及碎石竖洞和坑洞形成期间的破裂造成的。核试验的另一个永久后果是沿现有地理断层的垂直位移,尤其是沿断层带。位于内华达试验场的Carpetbagger断层带发生了2米的垂直位移,由于该区域岩石强度的损耗,上方发生断裂。

  尽管核试验对环境产生的后果是长期的,但试验的效应是累积的,而不是相互促进的。也就是说,多次试验的效应之和不会产生意料之外的后果,或者说这些后果不会大于单次试验的后果之和。

地下核试验简介

  图2 内华达试验场鸟瞰

  爆点附近的岩石断裂可能使内华达试验场下面岩石的天然可渗透性发生某些改变。核试验产生的冲击波和压缩力可以使试验附近的岩石产生更多的裂缝,从而使这种可渗透性增强,也可以使距试验更远的裂缝加宽然后闭合,从而实际上降低这种渗透性。试验后,对从试验隧道采集的岩石样品进行的测量表明,一般情况下,在距爆点空腔三倍直径以外的主体岩石的特性没有改变,在这一距离以外,爆炸没有产生裂缝,但随着冲击波在主体岩石中传播,先前已有的裂缝变宽,冲击波过后裂缝闭合。在某些情况下,裂缝闭合可能缩小裂缝孔径,导致该岩石的总渗透性永久降低。地下核试验引起的这种岩石渗透性变化的意义在下一节讨论。

  三、地质介质和地下水的放射性污染

  除了对实体环境的影响外,地下核试验的另一个主要影响是在地下试验周围形成放射性污染袋(孤立的小块地区)以及将放射性核素和其它污染物注入地下水。一次试验释放进地下环境的放射性的总量称为“放射性核素源项”。源项包括许多中、短寿命和长寿命的同位素。列如,在1000吨的大气核试验中,初始放射性约为410亿居里,经过12小时后衰变为1000万居里。所有的放射性以特定的速率衰变,衰变过程用“半衰期”表示。某一给定同位素的半衰期即任何样品中一半的放射性核经历衰变所需的时间。放射性同位素的半衰期差别巨大。列如,钋-216的半衰期为0.15秒,钚-239的半衰期为2.4万年,其它的同位素的半衰期可能更短或更长。举一个简单的例子,氚的半衰期为12.3年,那么从初始样品中的100个氚原子开始,经过12.3年就只有50个氚原子,再经过12.3年就只有25个氚原子了。这一衰变过程一直持续到样品中再也没有放射性同位素为止。

  在2001年的一份报告中,洛斯阿拉莫斯国家实验室和劳伦斯利弗莫尔国家实验室计算出1952~1992年间地下核试验留在内华达试验场的放射性核素存量的详细清单,该放射性存量清单被分为六个主要的地下核试验地理区域:Frenchman平地、19区的Pahute平顶山、201区的Pahute平顶山、Rainier平顶山/Shoshone山、Yucca平地(高于地下水位)以及Yucca平地(低于地下水位)。该存量清单没有包含地下核试验产生的所有放射性核素。包含的放射性核素是:1)残余的和未燃烧的裂变燃料和微量物质,如铀、钚、镅和锔-244的同位素;2)裂变产物,如铯-137和锶-90;3)氚;4)中子在装置零件、外部硬件和周围地质介质中诱发的放射性同位素,如碳-14、氯-36和钙-41。没有包含在该清单的放射性核素有:1)半衰期极端小(微秒至数小时),试验后无法探测到的那些同位素;2)初始量非常小,从不会超过被认为不安全或管理机构不允许的水平的那些同位素。由于1992年后再未进行过核试验,放射性核素因自然衰变而减少。

  表1给出了计算出的整个内华达试验场和六个地理试验区总的放射性源项。

  表1 NNSS六个试验区的地下放射性存量清单

  NNSS的试验区域           放射性核素     
Frenchman平地  19
19区的Pahute平顶山  1920
20区的Pahute平顶山  6090
Rainier平顶山/Shoshone山  88.7
Yucca平地(高于地下水位100米以上)         1580
Yucca平地(高于地下水位100米以下)  3520
总存量  13200
(放射性核素单位:万居里,衰变修订到1992年9月23日)

  表1中的存量为地下水可输运的放射性核素的上限。被认为在NNSS地下水系可得到的源项部分是地下水位之上100米以内或以下的放射性存量。在NNSS上进行的核试验中,30%是在地下水位以下进行的。1996年,美国能源部估计,内华达试验场38%的地下核试验是在是地下水位上75米之内进行的。在这一估计的基础上,截至1992年9月,内华达试验场地下水文源项的放射性核素保守估计为5000万居里。美国专家认为,放射性源项绝不会被整体输运,水文源项只包括溶于地下水或可被地下水输运的那些放射性核素。此外,在水文源项内,放射性核素的迁移率同时受化学动力学和水文学的控制。

  大多数研究人员认为,除了氚以外,一次地下核试验释放的放射性大部分被封闭在爆炸腔中的熔融岩石中,特别是耐高温的同位素(如钚、稀土元素、锆、碱土金属等元素)。易变的核素(如碱金属、钌、铀、锑、碲、碘)则倾向于凝结在烟囱状砾石上。最容易迁移的同位素是气体同位素(包括氩、氪、氙),倾向于通过烟囱状岩石缝隙上升,最终冒出地表。

  放射性核素进入地下水的机制包括:从爆炸腔和烟囱状砾石中的熔融玻璃和凝结中过滤,试验爆炸后头几微秒内注入爆炸腔外面的裂缝,气体同位素与地下水相互作用。在地下水位以下或在表层含水层内或以下进行核试验时,从烟囱状砾石中过滤放射性核素可能是放射性进入地下水的一个重要途径。爆炸腔区域内的地下水在核爆炸时被汽化,部分蒸汽被冲击波挤入爆炸腔周围的岩石,随着时间推移,地下水逐渐向爆炸腔和烟囱内回流,直接与凝结在烟囱状砾石上的放射性核素接触,根据放射性核素的可溶性,地下水溶解核素直至化学平衡。一旦溶解,放射性核素就可能随着地下水迁移。

  从熔融玻璃和爆炸腔砾石中过滤放射性核素可能达到某种程度。据美国研究人员声称:1)靠近烟囱底部的熔融玻璃中的放射性核素有不到1%会分散到烟囱状砾石中,2)约一年后,大部分氚会与烟囱与爆炸腔中的水混合,而有部分氚被困于熔融玻璃中。从熔融玻璃中过滤放射性核素可能要在更长的时间之后才会出现,沥出物才会随水流迁移。

  裂缝注入是放射性核素进入地下水系的最后一种途径。爆炸后,爆炸腔的水蒸气被迅速“泵入”试验造成的裂缝和被试验冲击波加宽的其它裂缝。在达到平衡条件后,被注入地下水位下面的裂缝的放射性核素会被水流输运。

  氚是地下核试验后存在于爆炸腔周围地下环境中最容易迁移的放射性核素之一,试验后100~200年内,它的浓度(到1992年9月,占总放射性源项的95%)高于其它放射性核素,通常被认为主要表现为游离水分子的一部分,而不是滞留在包含试验后残留的大部分放射性核素的胶土玻璃之中。已知试验井附近的氚容易迁移,而其它放射性核素则残留在爆炸腔内或附近。因此,由于其高迁移性和高浓度,在未来100年内,氚是地下水使用者最为担心的放射性核素。

  鉴于此,在评估来自地下水途径的影响时,已经和正在开发的用于认识NNSS地下水的流动与风险的模型中使用的主要放射性核素是氚。美国专家计算出内华达试验场的总放射性源项中的氚量约为1.2556亿居里。用前面提到的38%的比率,截至1992年9月23日,约有4800万居里的氚被认为是水文源项的一部分。根据氚的放射性衰变速率,目前水文源项中的氚大大低于4800万居里。

 

    注:根据文献编译 http://energy.gov/nepa/eis-0426-site-wide-environmental-impact-statement-continued-operation-department-energy

延伸阅读