Противорадиационная защита: вчера, сегодня, завтра

Противорадиационная защита: вчера, сегодня, завтра

И. В. Балашов, А. М. Малофеев, М. В. Чистяков, Н.Н. Хазов

Иллюстрации предоставлены ОАО «НИИ Стали».

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 нового вида ядерного оружия – гамма-бомбы (или «чистой бомбы»). Ее отличительная характеристика – поражение живой силы противника при неактивации местности, на которой оно используется. Поэтому создание адекватных средств защиты остается актуальным, несмотря на снижение вероятности возникновения глобальных войн.

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 военнослужащих и сухопутной военной техники. Уже в конце 1950-х гг. в НИИ Стали было сформировано специальное подразделение для исследования перспективных направлений в области защиты, в том числе и противорадиационной.

Моделирующая установка с нейтронным генератором в ОАО «НИИ Стали» позволяет проводить исследования защитных характеристик материалов.

Принцип суперпозиции.

Схема проведения эксперимента на открытой местности.

Основные направления исследований

НИИ Стали начал широкий поиск и разработку эффективных материалов для противорадиационной защиты. Исследования проводились совместно с институтами и предприятиями Минхимпрома и АН СССР в рамках НИР и ОКР.

Учитывая критерий «стоимость-эффективность», из широкого спектра противорадиационных материалов были выбраны образцы с большими концентрациями ядер водорода. Мелкодисперсные порошки бора, свинца, вольфрама и других компонентов вводились в полимерную матрицу из полиэтилена, полиизобутилена, полиэтиленимина и пр. 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 источники излучения с разными спектральными характеристиками – от изотопных до экспериментального ядерного реактора и нейтронного генератора. Исследования проводились как в экспериментальном зале отдела противорадиационной защиты НИИ Стали, так и на специальных площадках других организаций.

В рамках второго направления исследований специалисты разрабатывали расчетные методы и методики измерений защитных характеристик как создаваемых материалов, так и самих танков. Эти работы требовали колоссальных расчетов, поэтому институту специально выделили самые мощные на тот период ЭВМ. Для выполнения расчетных задач в НИИ Стали установили импортную графическую станцию НР-9000. В Советском Союзе в конце 1970-х гг. были всего две-три такие станции.

В основу расчетных исследований был положен принцип суперпозиции, в соответствии с которым доза D в каждой расчетной биоточке определялась как совокупность доз излучения, проходящего через i-тый элемент конструкции машины (D) и попадающего в расчетную точку.

Уровень защиты численно определялся величиной кратности ослабления дозы К, представляющей собой отношение доз на открытой местности (Do ) и в машине (Dм), т.е. К= Do/ Dм.

Величина дозы, приходящей в расчетную точку от рассматриваемого i-того элемента защиты, определялась интегрированием излучения по внутренней поверхности элемента защиты, обращенной к расчетной точке.

С целью расчета противорадиационных характеристик плоских элементов был разработан комплекс программ РОЗПРИЗ-ОБРАЗ 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 полученные данные, специалисты НИИ Стали начали работы по созданию конструкции защиты. В этом направлении совместно с конструкторами заводов, выпускающих объекты БД разрабатывались конкретные системы для противорадиационной защиты и привязка их к боевым машинам – танкам, БМП, инженерной технике.

Уже через год был создан высокоэффективный противорадиационный материал ПОВ на основе смеси полиэтилена и полиизобутилена с добавками соединений бора и свинца. Из него изготовили детали защиты и оборудовали этой защитой несколько танков Т-55А. Комплект деталей состоял из пластин различной толщины и конфигурации, которые крепились на броню как внутри (подбой), так и снаружи (надбой). Это была первая в мире противоатомная защита для танков.

В связи с тем что стоимость борных соединений, используемых в этих материалах, была весьма высока и существенно повышала стоимость противорадиационных материалов, разработали специальные слоистые материалы, в которых борное вещество располагалось в тонкой прослойке, что обеспечивало его наиболее рациональное использование. Это позволило уменьшить расход бора приблизительно вдвое и во столько же раз снизить стоимость материала при сохранении его защитных характеристик. Такие материалы установили на серийных танках Т-72Б и Т-80. Дальнейшие работы были направлены на совершенствование программного обеспечения расчетов, поиски новых композиционных материалов, обладающих комплексом свойств, например – как противорадиационными, так и противоснарядными.

Танк Т-55А с ПРЗ (фото из архива М. Павлова).

Элемент ПРЗ танка Т-72 (подбой).

Элементы ПРЗ (надбой) на башнях танков Т-55 и Т-72Б (фото из архивов С. Поддубного и С. Суворова).

Испытания защиты

Испытания на полигонах войсковых частей проводились в условиях, имитирующих условия облучения при ядерном взрыве. Для этого источник излучения помещался на специальную вышку, а танк – на вращающуюся платформу. Замеры проникающего излучения проводились в различных так называемых «критических точках» и затем сравнивались с расчетами.

Достоверность расчетных и экспериментальных данных, полученных в модельных условиях, вызывала у военных сомнения, поскольку не было данных, полученных в условиях реальных испытаний. Провести их оказалось невозможно, так как на испытания ядерного оружия в то время был наложен мораторий. Однако в связи с Карибским кризисом мораторий отменили. Вскоре Правительство СССР приняло решение возобновить испытания ядерного оружия в воздушной среде на полигоне под Семипалатинском. Получил разрешение на испытание своей защиты и НИИ Стали.

Институт разработал и подготовил детекторы излучения и регистрирующую аппаратуру. В состав комплекса регистрирующей аппаратуры входил измеритель поглощенной дозы ИПД-9. Вся аппаратура проверялась в Специализированном научно-исследовательском институте приборостроения (СНИИП). Необходимое оборудование и несколько танков с противорадиационной защитой отправили на полигон в Семипалатинск с бригадой испытателей.

«Во время проведения испытаний, – вспоминает один из участников этих работ В. Горбатов, – мы жили в военном городке в гостинице, в нескольких километрах от места проведения взрывов. Контингент был чисто военным – летчики, танкисты и т.д.

К месту проведения взрыва, на так называемый исходный рубеж, который находился в нескольких километрах от эпицентра взрыва, всех участников подвозили на автобусах. Все наши испытуемые танки уже были размещены на необходимом расстоянии от эпицентра и оборудованы детекторами для измерения доз гамма-излучения и нейтронов.

Все участники испытаний стояли, ждали. И вот высоко в небе появляется бомбардировщик в сопровождении двух истребителей (наверное, чтобы не улетел за кордон). Через некоторое время по рации начинается обратный отсчет: 10, 9, 8… О – и яркая вспышка. Погода была солнечная с высокими перистыми облаками. И по этим облакам было видно, как идет ударная волна, и затем – грохот. Только потом начинает образовываться ядерный «гриб» – красивое яркое зрелище!

Следом разведка докладывает радиационную обстановку и раздается команда: «По машинам!» К своим танкам для съема детекторов мы ездили на БТР. У всех нас были индивидуальные дозиметры. Иногда показания дозиметра вдруг резко возрастали, и мы срочно объезжали это опасное место. Собирали детекторы очень быстро, но облучения было не избежать. Поэтому показания дозиметров каждый раз фиксировались в специальном журнале, контроль над полученными дозами велся строго».

Сотрудники НИИ Стали участвовали в 32 натурных испытаниях ядерных боеприпасов малого и среднего калибра. На испытаниях в атмосфере в 1962 г. были задействованы B.C. Горбатов и Е.А. Кощеев; на подземных испытаниях в 1966-1979 гг. – Н.В. Баранов, А.П. Воропай, В.Ф. Глушков, Е. Емельянов, Л.А. Ирдынчеев, Н.А. Козлов, А.М. Малофеев, Б.Л. Пугачев, В.Л. Рейтблат, Ю.Г. Скворцов, A.И. Соколиков, Е.С. Фрид, Д.К. Швайков, B.К. Швайков, 3. Шергина; на подземных испытаниях в 1980-1984 гг. – Л.А. Ирдынчеев, Н.А. Козлов, А.М. Малофеев, В.В. Долгов, В.Г. Назаров, Б.Л. Пугачев.

Полученные результаты полностью подтвердили данные модельных испытаний и расчетов. Применение противорадиационной защиты на танках увеличило их защищенность от радиации в 3-5 раз по суммарной дозе нейтронов и гамма излучения ядерного взрыва, что позволило значительно повысить их боеспособность в условиях, приближенных к боевым.

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 показала авария на Чернобыльской АЭС.

В результате разрушения реактора 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. Требовалось разработать и изготовить высокозащищенную 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 выполнению этой задачи был подключен и НИИ Стали, который к тому времени накопил богатый опыт разработки и испытания противорадиационной защиты.

В начальный период аварии не было возможности определить спектрально-угловые характеристики радиационно-зараженной местности (РЗМ), поэтому при создании защиты спецтехники для Чернобыля специалистам НИИ Стали пришлось опираться на данные, полученные на испытаниях ядерного оружия. Для корректных расчетов 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 разрешение на проведение исследований непосредственно в Чернобыльской зоне. Основными участниками этих работ являлись В.И. Шашкин, Е.С. Фрид, А.Б. Милентьев, А.Ю. Романовский, С.В. Студенецкий и М.В. Чистяков. Расчетное проектирование защиты проводил конструкторский сектор совместно с расчетным сектором отдела противорадиационной защиты института. Исследования показали, что выполненные расчеты характеристик защиты, прошедшей эксплуатацию в чернобыльской зоне, адекватно отражали ее реальные защитные функции.

В один из 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 создании специального автомобиля КАМАЗ для МЧС, защищенного от гамма-излучения, который предназначен для преодоления радиоактивно- зараженной местности.

Техника с ПРЗ, принимавшая участие в ликвидации последствий аварии на Чернобыльской АЭС.

Автомобиль КАМАЗ с ПРЗ, разработанный по заданию МЧС.

Оценка доз излучения, получаемых органами человека, одетого в противорадиационный жилет, с помощью фантома (тканеэквивалентный манекен с встроенными датчиками).

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:

1. Совершенствование и модернизация программного комплекса, обеспечивающего решение задач по проектированию и созданию системы противорадиационной защиты (ПРЗ), а именно:

– создание новых (для новейших ядерных боеприпасов и техногенных катастроф) полей облучения (т.е. спектрально-угловой плотности потока нейтронов и гамма-излучения на открытой пространстве 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, создание экспериментальных установок, позволяющих моделировать конструкцию защиты объектов с учетом фантомных измерений, под которыми понимаются измерения эквивалентной дозы компонентов излучения внутри тканеэквивалентной модели человека (манекена, материал которого подобен по ядерно-физическим свойствам телу человека); создание методического обеспечения измерений.

В комплексе это позволит оперативно создавать адекватные средства защиты для использования в любых условиях появления радиационной опасности.

Вверху: рисунок «Ночной бой» из русского журнала 1915 г. демонстрирует, в том числе, использование осветительных средств.