核爆炸的和平利用：和平利用核爆炸的几方面实例

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(1) 特大规模工程爆破

    地下工程爆破，如矿石和岩层的破碎与开采，建造岩层内大型储藏库，增加石油与天然气产量，开采石油、天然气、铜矿等，都可利用核爆炸进行。地面开挖工程，如开凿运河和隧洞、河流改道、筑水库等，也可利用核爆炸快速完成。

    核爆炸采矿，比起炸药来，既省时又省钱。如用炸药粉碎100万吨矿石岩块，要钻2～4千米巷道，钻1万米深的井，放50～60万吨炸药，所消耗的价值，大约占矿产价值的30～40%。如果采用核爆炸，就要经济得多。1969～1990年，苏联对利用核爆粉碎矿石的技术可能性和经济合理性进行了试验评估。他们在基洛夫斯克市北20公里处，在矿体厚度约30～60米，长200多米的矿石地段上，进行了两次试验。1972年，进行威力约2.1千吨的单弹头核爆炸，粉碎矿段体积为50×50×50米；1984年，进行相距75米的双弹头组合爆炸，每个弹头各1.8千吨TNT当量，粉碎矿段达50×125×90米，粉碎矿石数量超过155万吨。工程试验评估证明，技术上和经济上都是可行的，地震和辐射效应也是安全的。因为千吨级核爆炸，地震波不强，传不远；核燃料用的很少，半衰期很长的放射性产物留下的就更少，而且混在大量的矿石、泥土中，辐射影响就更小。

    苏联利用核爆炸在干旱地区建造人工水库网，解决工业区和农场的供水问题。他们在塞米巴拉金斯克州恰刚河滩地区，设计爆炸抛射土壤，于1965年1月15日完成了建造恰刚水库的工程。图6.1是塞米巴拉金斯克恰刚人工湖的照片。

图6.1     塞米巴拉金斯克恰刚人工湖

    恰刚人工湖工程在地下178米深处实施核爆炸，爆炸威力相当于14万吨TNT，结果形成深约100米，直径430米的漏斗形水库。该人工湖总容量1700万立方米，漏斗形水库容量6.4百万立方米。在爆炸瞬间，烟尘高达4800米，放射性沉降物约20%（主要是Co-60，约占85～90%）。爆炸后经过一昼夜，土脊上剂量强度20～30伦/小时，监测表明很快降低到1毫伦/小时以下，不久即处于天然本底水平（15～20微伦/小时）以下。为了说明工程质量和安全性，当时的苏联原子能部部长Е ·П ·斯拉夫斯基，第一个跳进湖内游泳。

   1995年，我国科学院何祚庥院士在《中国科学报》上发表文章，建议在我国雅鲁藏布江大峡谷，用地下核爆炸开凿隧洞，引进印度洋的暖湿气流，源源不断地向青藏高原内地输送，改善那里的干旱气候。他还设想如图6.2中箭头所示部位。

图6.2     雅鲁藏布江大峡谷地理位置和形势图

    从大峡谷的上口（海拔3000米左右的米林县派区大渡卡一带）筑坝，截弯取直开凿隧洞引水，隧洞通过大喜马拉雅山（多雄拉山），到大峡谷下游的墨脱县邦博一带出口（海拔约630米）。具体位置和地势可见1998年7月19日北京日报第八版有关的报道。开凿隧洞的直线距离不到40公里，可获得2500米的水位落差，其水能发电装机容量可达3800万千瓦之多，远远超过长江三峡。这一宏伟工程的设想，既可发展我国水能发电事业，又可改变青藏高原内部和西北干旱区、沙漠区的生态环境，其水源量还可支援中亚地区，是个功德无量的世代工程。如果实现它，必将彻底改变我国中西部地区贫穷落后的面貌，该地区还可成为未来的世界著名旅游胜地。

    核爆炸用于建造地下储存库很有优越性，它的施工周期短、用料少、安全可靠。苏联在1970年至1985年，在奥伦堡、阿斯特拉汉等地，用核爆炸方法在岩层中建造了三个巨型地下储存库。共有23个储存容器，总容积超过86.6万立方米。核爆炸形成的容器，周壁是熔融状的玻璃体，可安全地无泄漏地储存气体，可承受上千万大气压的压力。

    石油和天然气目前仍然是世界上的主要能源。当前的钻井技术还是不够完善，不能经济地从复杂构造的低渗透性岩层中抽取石油和天然气。专家认为，现在的技术水平仅能提取地层储量中不大于20～25%的份额。还有75～80%没挤出来，多么可惜！为什么抽不出来，肯定是有些地层被隔断了，有些地层太板结了，缝隙太细。如何能将地下的石油和天然气挤出更多一些，于是想到用地下核爆炸把它周围的介质震松，这样石油和天然气就可以流出来多了。这个设想，曾被美、苏优先列入和平利用核爆炸的计划。

    国人根据“犁头”计划，于1967～1973年在科罗拉多州油页岩层中做了三次地下核爆炸试验。他们为增产油气及其他商业应用，设计了一种直径不大于20公分的核弹头，于1973年5月13日，在相隔130米的不同爆深（1780、1898.8、2039米）处，进行了当量为33千吨的三个核弹头的组合爆炸。现场监测辐射影响表明，可降低到不大于本地区的自然本底剂量。

    从美、苏的试验资料可以得出结论：

① 选用地下核爆炸技术增产石油、天然气，技术路线可行。与常用技术相比，大约可提高10倍以上的效费比。

② 没有出现过由于放射性对矿区造成的麻烦。工业试验中测定的放射性指标是安全的。苏联的将近20次增产油气试验，每次爆炸当量不超过15千吨，这就避免了诱发天然地震的影响。

③ 只有在一定的地质条件下（如岩层的岩性、厚度、空隙度、渗透率、饱和流体、比例埋深等等），地下核爆才能实现技术的有效性。

(2) 用于扑灭突发性自然灾害

    开发深层高产气田容易发生事故性井喷，井喷压力一般为几百大气压，此时可用常规技术处置。如果遇上异常高压力的井喷，常用技术就很难解决，但苏联人曾用地下核爆炸解决了问题。1966年9月3日，在乌兹别克布哈拉区和卡尔希市以西70公里处，进行过两次封堵井喷的试验工作。1972年至1981年，在土库曼、乌克兰哈尔科夫区和俄罗斯的阿尔汉格尔斯克区，进行过三次封堵天然气井喷，工程上均取得了成功的经验。

    用核爆技术扑灭井喷的原理，是用爆炸能量挤压周围的地质介质，就像卡脖子一样，卡死喷射的井筒。在发生井喷的主流通道的适当距离处钻一口井，选择合适当量的核装置，针对爆炸地岩石的物理力学特性，正确选择相对于事故喷流的安装点，即可成功。苏联曾有个典型的实例，乌兹别克乌尔塔–布拉克气田，钻到2450米处，打开了一个异常高压的气层，发生了压力特别高的井喷。1963年12月，打了三口深井，企图扑灭井喷，均告失败。原因是井口情况异常复杂，喷射井筒空间状况不确定，井喷能量过大。1965年12月，苏联部长会议委托原子能部和地质部联合研究，提出扑灭这个井喷的方案。1966年2月至9月，专门打了两口斜井，在第一口井的1532米深的粘土层中，安放了三万吨TNT当量的核装置，从安装点到事故井筒的距离为35±10米。1966年9月30日9时施爆，爆后23秒事故井筒气体逸出完全被停止。在矿区地面和井筒中都没有出现放射性产物，也没有对进一步开采造成任何麻烦。

    利用地下核爆炸还可预防煤层的突发喷射，且可有助增加产量。在乌克兰一些煤矿区，随着开采深度增加，煤和瓦斯突出的频率和强度急剧增加。乌克兰科学院和全俄工业技术设计勘察研究所，联合提出利用地下核爆炸防止突发喷射。其原理是，当强度极高的压力与振荡位移的爆炸波作用在含煤矿层时，在半径几百米的体积内的应力–应变状态发生急剧变化，出现裂缝，使应力场均匀化，并从岩层排出气体，从而减少了突发喷射的概率。岩层松动出现裂缝后，日产量还会增加。

    1979年9月16日，苏联在乌克兰顿涅茨煤矿地下903米深处，实施了0.3千吨地下核爆炸。实践证明不但增加了矿井的安全性，而且提高了矿井的技术经济指标，增加了日产量。只要设计合适的核爆当量，就能作到保证井场、主干道及生活区楼房的安全和不受放射性剂量的影响。

(3) 用于保护环境和排放废料

    设想通过一般钻井方法掩埋剧毒工业污水，在实践上是不可行的。苏联选择了利用地下核爆炸，建立扩大的增压井掩埋工业污水的新技术。1973～1974年，苏联进行了卡马-Ⅰ和卡马-Ⅱ两项地下核爆炸工程，用来深埋工业污水。深度在2026和2123米位置，威力1万吨左右，选定用于掩埋工业污水的吸收层宽度约400米。它是一个厚实的碳酸盐沉积层，由不透水层将处于上方的深水层可靠地隔离。卡马-Ⅱ自1976年运行以来，到1993年1月，已掩埋2300万立方米的工业污水。该两项工程至今仍在运行，安全可靠，具有很高的经济效益和社会效益。

    地下核爆炸还可以用于处理核电站废料、核动力装置废料及其它强放射性废料。因为地下核爆炸产生的高温高压，把周围的介质熔融成玻璃体，使所有的放射性废物在熔岩中固化。这种处理方法，效费比很高。据计算，使用一次10万吨级的地下核爆炸，就可以将核电站一年的全部废料固化在熔岩中，无需工厂再处理。

(4) 用于地震勘探

    地震勘探已是深部地质结构研究常用的方法。地下核爆炸可以人为控制，当量和时间都可以根据需要来确定，有主动权。封闭式的地下核爆炸是一个强大的人工地震源，利用这种新的地震勘探方法，可以加速探明极有前途的石油、天然气及其他矿藏，被认为是效费比极高的探宝途径。

    核爆炸地震探测，也是研究地壳深层结构的一种非常有前途的途径。苏联在这方面进行了独一无二的研究工作。苏联地质部和原子能部，1965年开始摸索试验，1966～1970年完善了整套方法，1971～1988年对地壳地质构造进行了综合研究。在14个地质断面上进行了39次深层地震探测，总的地质断面延伸到70000公里。他们利用远离城镇的安全区或废矿井，核装置安置于500～1000米深度，记录地震的仪器，按地层断面用直升飞机布置于各处，通过无线电指令接通。地层断面延伸从1500至4000千米，核爆炸点数3至5个，各点之间距离500至900公里。苏联进行这种实验已取得成功经验，他们已有高超的技术。这种实验要特别注意地震信息的去耦效应。如若爆心附近的空腔过大，就会使被测的地震波信息偏小，有时会使地震信号的去耦因子上百倍。

    和平利用核爆炸所需要的地震特性环境，要在全耦合地质环境下进行。图6.3是国际地震中心监测地震信息所记录的关于苏联和平利用核爆炸的102次地震等级。由图上可见苏联和平利用核爆炸的地震等级，绝大部分在4级到6级之间。图中实线是实验点的拟合线，虚线是其所有爆炸地震等级的下限，用于评价苏联和平利用核爆炸的状况。mb<2.5 是噪声，尚无能力测出；mb =2.5~3.0 是小于10吨级爆炸；mb =3.0~3.5 是10吨～100吨级爆炸；mb >3.5是100吨级以上的爆炸。

图6.3     苏联和平利用核爆炸的地震等级

    俄罗斯进行的所有深层地震普查，有三次试验稍有放射性气体泄漏。但很快采取了措施，使之降到本底以下。其余工程均符合放射性安全要求。俄罗斯科学家分析和确认了苏联境内众多的石油、天然气和各种矿物资源，地下核爆炸以高速高效方法摸清了国土资源家底，其总体收获和效费比是其他现存勘查方法无可比拟的。

    九十年代俄罗斯核专家曾向我们建议，选用10个左右深层地理位置进行地下竖井核爆炸，就可以快速地普查摸清我国的地下宝藏。

(5) 用于核爆氘能能源

    人们预测，核电、石化能和太阳能，将是解决21世纪能源问题的三大支柱。核电目前已占世界总发电量的17%，美国核电已占本国总发电量的21.7%。但靠裂变反应的原子能电站也面临着裂变材料的枯竭问题，铀-235所能利用的时间不会比石油的供应时间长，大约最多能维持使用几十年。世界能源不可能完全依靠裂变来解决。聚变能源尚有更多的技术障碍需要克服。人们在研制核武器过程中，自然会想到能否把核爆炸释放的能量安全地转化为电能，并且在利用过程中不会出现放射性污染，尽可能少用或不用放射性裂变材料和氚。1977年，苏联科学院院士А ·А萨哈洛夫在纽约发表的《核能与西方自由》一文中，曾把解决聚变能源的希望寄托在地下核爆炸爆室里。九十年代初，在中俄和平利用核爆炸双边讨论会上，曾提出了利用地下“纯聚变”核爆炸建造地下聚变电站的大胆设想。设想如图6.4所示。

图6.4     地下聚变电站回路示意图

    设想中的核爆炸发电，其基本技术要点如下：

    在地下大空腔中反复进行爆炸，重复使用。例如要建造一个106 千瓦的地下核爆电站，聚变放能大于90%，则可在地下建一个半径为68～80米的爆洞。扩大爆洞空间还可以减弱冲击波对洞壁的破坏效应。

    设计经济合算的核装置，最好不用氚和少用裂变材料。核装置要有尽可能高的聚变份额，同时要求系统对氚、钚、钍-233有较高的增殖因子。全俄技术物理研究所已设计出只烧氘的核装置，可达3万吨TNT当量。实际上初选核装置一般小于万吨为好。

    核装置在洞内反复爆炸，每次爆炸时往洞中喷液态钠约2～4万吨，以吸收大量爆炸能降低洞中温度，且显著减弱冲击波强度。钠作为工作介质，还要参与热交换。

    建立核燃料回收系统，回收氘、氚、铀、钚、钍等核材料，以保证核燃料的循环使用。

    由上可知，地下核爆电站一般由爆洞、核装置生产厂、核燃料回收厂和发电厂组成。爆洞与钠循环系统构成核爆电站的第一回路。如何降低爆洞工作温度和冲击波的破坏作用，这是设计的关键问题。一般热载体为钠和钾的混合物，热端可达6200C，冷端可达500C。可选用不锈钢作内衬，以花岗石作基岩。对于万吨以下的核爆炸，80米半径的爆洞洞壁的抗压安全系数大于10。

    1998年10月《核爆氘能能源学》的中译版一书中，推荐建造实验室型核爆燃烧锅炉的参数如下：

核装置约3千吨TNT当量。

爆炸频率，原理试验可为1次/月。如果发电能力120～240万千瓦，可选择10千吨TNT当量的核装置，爆炸频率每天6～12次。

爆室高度约130米，内半径约40米，体积约5×105立方米。

热载体混合物Na+K，T热≈6200C，T冷≈500C。

循环质量约26千吨，总质量为75千吨。

混凝土体积为1.2×106立方米。

钢质量约250千吨。

    科学家认为建造核爆电站技术上和工程上没有不可克服的障碍，投资强度不会超过我国大亚湾一座90万千瓦的核电站的投资额度。核爆电站消耗的仅是自然界中储量丰富的氘、锂和天然铀，因此，核爆电站是取之不竭的烧氘新能源。

    当前和平利用核爆能源的最大障碍，是怀疑会不会造成核扩散和带给人类社会不安定因素。但是随着时间的推移，不可避免地出现能源匮乏，人类终将清醒地用理智思考和妥善解决能源枯竭的问题。核爆发电问题，可以在建立和加强广泛而严密的国际监督机制的基础上，控制其消极因素，为造福人类服务。

(6) 用于拦截外星撞击地球

    天体相互碰撞的事件经常发生。水星、火星、月球表面有大大小小的陨石坑，就是见证。地球上也有许多陨石坑，大的有78个，最著名的是美国亚利桑那陨石坑，直径有1240米，深约170米，坑的四周比地面高出40多米。1908年6月30日，发生了著名的通古斯陨石事件，这天早晨西伯利亚上空出现了一个大火球，比太阳还亮，1000公里以内都能听到爆炸声。它的冲击波摧毁了几百平方公里的森林。各地震站记到了这次不平常的地震和强烈的冲击波。据推测，这是一颗直径约为70米的小彗星的冰核与地球相撞造成的。据说我国太湖也是远古时期形成的的一个陨石坑，经过多年的地理演变，变成了今天的太湖。

    现代科学已经能够预测星体之间的碰撞，最引人注目的是苏梅克––利维夫妇1993年3月在美国帕洛马天文台拍摄的三张照片上，发现苏梅克––利维9号（SL–9）彗星会在1994年7月17日～22日撞击木星。1994年7月16日格林威治时间20点左右开始，我们在电视屏上见到了彗星撞击木星的事件，非常壮观，至今记忆犹新。SL–9彗星的21个彗核碎块，以每秒60公里的速度撞击木星，产生了强烈的闪光，火球冲出数千公里高度，大量带电粒子在木星磁场激励起强烈的射电爆炸，猛烈地撞击使木星南半球44度纬度上留下一连串的黑斑（撞击坑）。撞击一直延至22日才结束。天文观测结果与天文预测吻合得很好。

    根据现有地质资料，近几亿年期间，地球上曾发生过6次大的生物灭绝，如200万年前古猛犸的灭绝。6500万年前恐龙突然灭绝，有可能是10公里级彗星撞击地球的结果。天文学家研究指出，近地小天体在轨道上约有1000～5000颗。直径在10米量级的小天体撞击地球，仅会造成局部损害；100米量级的小天体撞击地球，破坏范围约一个州；公里量级的小天体撞击地球，将造成全球性灾难，后果犹如“核冬天”；10公里量级的小天体撞击地球，将会使地球上半数以上的物种灭绝。根据目前掌握编目的200多颗近地小行星，几十颗彗星，最大的小行星是1627号“Lvar”，其直径不超过8公里。有一颗名叫“斯威夫特-塔特尔”的彗星，曾于1992年12月在地球附近掠过，下次回归应是2126年8月5日再次靠近地球。如果轨道有所改变，一些小行星有可能更靠近地球。小行星和彗星运动的特点是受大行星的摄动力而改变轨道，在一定条件下有可能与地球轨道相碰撞，造成严重后果。

    美国国会批准了“太空警戒计划”，预计用25年时间，将太空中直径大于1公里，对地球构成严重威胁的小行星，进行搜索、编目、统一监视，动态分析它们撞击地球的可能性和研究对策。

    预测是防范的前奏，而防御则可以依靠先进的航天技术和核爆技术。利用核爆炸防止行星或彗星撞击地球的技术设想，吸引了众多天文学家和物理学家的关注。1994年和1996年，全俄技术物理研究院举办国际性预防行星、彗星撞击地球的专题讨论会。1995年5月美国利物摩尔实验室也组织了相应的讨论会。著名的美国氢弹之父接近90高龄的爱德华 ·泰勒，亲自参加了这些讨论会。

    世界上著名的科学家发出同样一个声音：“我们生存在同一个地球上，这样的危机是存在的、现实的，必须引起有关各方的重视。”1996年的会议，形成了“号召书”及“决议”，并呼吁进行统筹规划和国际合作。1998年9月，全俄技术物理研究院举办了第五届查巴巴赫院士国际科学讨论会，会上提出了方案，利用人类掌握的航天科技成就和核武器技术成就，将核装置送至可能与地球相撞的近地小行星或彗星上引爆，将其击碎或改变其运行轨道，那么人类将免受灾难性的威胁。如图6.5所示，核装置送到近地小行星爆炸，使之轨道偏离或被破坏。

图6.5     宇宙飞行器与小行星交会示意图

    核装置命中小行星有三种方式：直接命中，将它击碎；在小行星上着陆后引爆；贴近引爆，改变小行星的轨道。前者要求命中率高，后两种方案易于实施。现代天文学、行星物理、航天技术和核武器技术的能力，完全可以作到这一点。

(7) 用于科学研究

    地下核爆炸是一种难得的“科学实验室”，可获得高强度的中子流和辐射流，进行在常规条件下无法进行的实验。人们所能创造的高温高密度等离子体环境如图6.6所示。

    氢弹爆炸的温度可达几千万至上亿度，核子数密度高达1024～26/cm3。2公斤氘与3公斤氚发生6×1026次聚变，产生6×1026个高能中子，共释放1.7×1025焦耳能量，即合40万吨TNT当量。一个25千吨当量的氘爆炸，将释放约3×1025 个中子。这些中子源和能量，可以研究物质在非常条件下的性能和状态。

图6.6     氢弹爆炸等离子体温度密度关系

    利用地下核爆炸可以研究受控热核聚变和惯性约束聚变的问题。俄、美科学家利用地下核试验开展了许多烧、烤、点燃氘等离子体和氘氚气体的基础物理研究。这项研究称为充氘氚气体的小囊聚变物理研究。1988年夏天在意大利召开的第八届核战争讨论会上，美国利物摩尔实验室的Erik Storm 宣布，他们利用地下核试验的条件，验证了用10MJ的能量驱动热核聚变，压缩氘氚气体密度达200g/cm3，电子温度约几keV，热核反应特征参量r r≌0.3（单位：克／厘米2；r 是氘氚的密度，r是氘氚压缩后的半径）。氘氚被点燃，释放出约1000MJ的聚变能，烧掉总量的30%，等效于0.25吨TNT当量。这充分说明用10MJ的驱动能量，实现高增益的惯性约束聚变是可能的。地下核试验可为惯性约束聚变研究以及与聚变有关的材料和能源工程研究，创造在实验室无法比拟的条件。

    对于大于千吨级当量的地下核试验，不仅可作聚变物理研究和能源验证工作，而且可以发展有关核定向能研究工作（如X光激光研究），还可开展电磁脉冲、微波产生和效应、模拟宇宙辐射等研究。俄罗斯原子能部在地下核试验中，进行了不少次核泵浦原子分子激光物理的研究。

    地下核试验是生产超钚元素极好的强辐射中子源，Milo D. Nordyke发表在“science and global security”(1997) vol.7.pp.1-120上的文章，介绍了美苏在这方面的情况。美国在1962～1969年进行了五次实验，获得大量系列重元素。根据计算，打在靶上的中子通量～40摩尔/平方厘米，可获得镄-257原子1017个，比以前最好的实验方法高出一万倍；同时还可获得锔-250原子超过1020个。苏联此类地下核试验进行过11次。获得少量的超钚锕系元素，以及在俘获1个或2个中子时，获得了一定量的重元素钚-238、钚-239、钍-232和钍-233。伴随超钚元素的研制生产，还开展了物质在超高温、高压条件下的性态研究，超强超硬材料的基础科学研究，如生产人造金刚石等。

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   本文摘自《揭开核武器神秘面纱》

   经福谦 陈俊祥 华欣生著

   清华大学出版社 暨南大学出版社

   出版时间：2002年7月