Боярчук Прикладная ядерная космофизика 2007

Федеральное агентство по образованию Московский инженерно-физический институт (государственный университет)

К.А. Боярчук, А.М. Гальпер, С.В. Колдашов, С.Е. Улин

ПРИКЛАДНАЯ ЯДЕРНАЯ КОСМОФИЗИКА

Под общей редакцией профессора А.М. ГАЛЬПЕРА

Рекомендовано УМО «Ядерные физика и технологии» в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений

Москва

2007

УДК 621.039.8 (075) ББК 24.13я7 П 33

Прикладная ядерная космофизика: Учебное пособие /

К.А. Боярчук, А.М. Гальпер, С.В. Колдашов, С.Е.Улин; Под. ред. А.М. Гальпера. М.: МИФИ. 2007. 216 с.

В учебном пособии рассмотрены общие вопросы радиационного мониторинга Земли и околоземного космического пространства, осуществляемого с помощью космических аппаратов. Дано описание дистанционных методов и аппаратурно-измерительных комплексов, применяемых для радиационного контроля ядернофизических объектов, расположенных как на Земле, так и в ближайшем космическом пространстве, а также для регистрации радиационных возмущений, связанных с солнечно-магнитосфер- ными и геофизическими процессами.

Предназначено для студентов, обучающихся по курсу «Прикладная ядерная космофизика», и аспирантов.

Пособие подготовлено в рамках Инновационной образовательной программы.

Рецензенты: д.ф.-м.н., профессор Дмитриенко В.В., д.ф.-м.н., профессор Воронов С.А.

ISBN 978-5-7262-0868-8

©Московский инженерно-физический институт (государственный университет), 2007

Редактор Н.Н. Антонова

Оригинал-макет изготовлен С.В. Тялиной

Подписано в печать 1.11.2007 Формат 60х84/16 Печ.л. 13,5 Тираж 200 экз. Изд. № 4/26 Заказ №0-629

Московский инженерно-физический институт (государственный университет) 115409, Москва, Каширское шоссе, 31

Типография издательства «Тровант», г. Троицк

2

3

4

5

6

Введение

Для современного общества энергоисточники играют особо важную роль. Чтобы иметь высокий жизненный уровень страна должна иметь в достаточном количестве разнообразные энергоисточники для электроэнергетики, промышленности, сельского хозяйства, автомобильного, авиационного, морского транспортов, отопления и бытовых нужд.

Многие развитые страны, не имея в достаточном количестве своих национальных энергоисточников, вынуждены покупать их на мировом рынке. Спрос на углеводородное топливо во всем мире непрерывно растет. Ряд стран покупает для своей атомной электроэнергетики природный уран и ядерное топливо. Страна, которая не имеет в достаточном количестве энергоисточников и не имеет средств покупать их, - обречена на нищету.

В современных условиях растущего энергопотребления общества в России, по-видимому, трудно найти альтернативу ядерной энергетике. Ядерная энергетика должна стать главным энергоисточником двадцать первого века, не став таковым по ряду причин в конце двадцатого и, прежде всего, из-за наличия достаточного количества нефти и природного газа на мировом рынке по умеренным ценам, аварий на атомных станциях, вызвавших недоверие к ним общества, отсутствие убедительных концепций по ядерной и радиационной безопасности. Современная ядерная энергетика оставляет после себя радиоактивное наследство. Однако ядерная энергетика не потребляет кислород из атмосферы и не усиливает парниковый эффект. Сжигание углеводородного топлива в паровых котлах, автомобилях, самолетах влияет на увеличение содержания парниковых газов в атмосфере и, прежде всего углекислого газа. Также увеличение стоимости углеводородных энергоисточников, их добычи, затрат на защиту окружающей среды могут в экологическом плане сделать ядерную энергетику более выгодной, чем углеводородная. Уже в настоящее время есть районы в мире, где экономически выгоднее использовать атомную энергетику.

С ростом удельной доли атомных электростанций в общем производстве электроэнергии все более актуальной становится разработка новых эффективных методов обнаружения и контроля радиоактивного загрязнения окружающей среды.

7

Реально атомная энергетика будет вне конкуренции по сравнению с другими источниками, если все звенья атомной отрасли будут предельно безопасными, если они не будут оставлять будущим поколениям опасность выхода радиоактивности из-под контроля, поражение радиоактивностью окружающей среды.

Для глобального контроля за распространением радиоактивных загрязнений на всей поверхности Земли, во всей толще атмосферы и околоземном космическом пространстве могут быть использованы только современные космические методы дистанционного зондирования, обеспечивающие глобальность и оперативность получения информации.

Следует отметить, что в мире уже сейчас существуют программы глобального мониторинга Земли, и поддерживающие эти программы орбитальные системы. Такая программа осуществляется в США (EOS-Earth Observing System – Система наблюдения Земли);

в объединенной Европе (GMES – мониторинг и обеспечение безопасности Земли), в Канаде и Индии. Подобная программа разворачивается и в России. Она базируется на ИСЗ типа «Ресурс 0», «Метеор 3», «Канопус».

В представленном пособии наше внимание прежде всего сконцентрируем на мониторинге радиационного загрязнения, что представляет важную часть в общих программах мониторинга Земли из космоса, или дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) и околоземного космического пространства.

Очевидно, что осуществление дистанционного зондирования (мониторинга) радиационной обстановки космическими средствами предполагает знание многих аспектов этого процесса, таких как: причины появления радиации, взаимодействие радиации с окружающей источники средой (атмосфера, почва, вода), возникновение под воздействием радиации новых свойств у окружающей среды, возможность дистанционного контролирования этих свойств из ближайшего космического пространства, физикотехнические условия работы аппаратуры дистанционного зондирования на борту искусственных спутников Земли, передача на Землю информации, ее прием и обработка. Все эти аспекты рассмотрены в пособии к курсу «Прикладная ядерная космофизика». Кроме того, в пособие включены разделы по мониторингу ядернофизических установок, размещенных на космических аппаратах, а

8

также возможность регистрации техногенных и естественных катастроф из космоса (в частности, прогноз землетрясений ядернофизическими методами).

Пособие, рассчитаное на студентов МИФИ старших курсов и других высших учебных заведений, предполагает знание студентами основ ядерной физики и физики космических лучей, процессов взаимодействия и прохождения излучения через вещество, методов регистрации излучения. Предлагаемое пособие не претендует на детальное рассмотрение перечисленных вопросов – его можно рассматривать как путеводитель для тех студентов и аспирантов, которые предполагают совершенствовать свои знния, а возможно и работать в сфере радиационного контроля окружающей среды и рационального использования окружающей природы.

Главы 1–3 написаны профессором К.А. Боярчуком, главы 4–6 – профессором А.М. Гальпером, глава 7 – профессором С.Е. Улиным, глава 8 – ведущим научным сотрудником С.В. Колдашовым.

Авторы выражают благодарность профессорам Воронову Сергею Александровичу и Дмитренко Валерию Васильевичу за полезные замечания, а также Пановой Ольге Федоровне за помощь в оформлении пособия.

9

ГЛАВА 1. ЯДЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ – ЦЕЛЬ РАДИАЦИОННОГО МОНИТОРИНГА

Развитие атомной энергетики в России и за рубежом. Необходимость контроля радиационной обстановки вблизи ядерно-физических объектов. Контроль за нераспространением ядерного оружия и делящихся элементов. Необходимость глобального мониторинга из космоса.

1.1. Причины появления радиационного загрязнения

Основные радиационные загрязнения на планете появились с момента начала исследования по созданию ядерного оружия. Были созданы необходимые радиохимические предприятия и исследовательские реакторы для наработки плутония. Причем на первых этапах за безопасностью не особенно следили, так как цель оправдывала средства. В результате мы имеем сильно радиоактивнозагрязненное наследство от первых лет производства и испытания ядерного оружия (рис. 1.1).

Полигоны и испытания ядерного оружия

По официальным данным на 1 октября 1992 г. на существующих в мире пяти ядерных полигонах – Невада (США, Великобритания), Новая Земля (Россия), Семипалатинский (Казахстан), Муруроа (Франция), Лобнор (Китай) – произведена большая часть из

2059 взрывов (табл. 1.1).

10