Обоснование безопасной реализации концепции захоронения "долгоживущих" радиоактивных отходов в земной мантии

"По мнению члена редакционной коллегии Л. Ф. Черногора, идея автора не лишена некоторых недостатков. По-прежнему, как и в случае с транспортировкой радиоактивных отходов в космос, сохраняется опасность аварии ракеты-носителя с ядерными отходами над планетой, необходим запуск большого количества (десятков-сотен) одноразовых ракет, остаются высокими требования к энергетике ракеты, ничуть не уменьшаются финансовые затраты. Кроме того, нет никакой гарантии, что вулканы не выбросят радиоактивные вещества в атмосферу. Существует опасность, что вмешательство в «жизнь» вулкана может спровоцировать преждевременный выброс."

Безопасная реализация захоронения «долгоживущих» радиоактивных отходов зависит от правильности выбора вулкана «горячей» точки планеты Земля, в который будет осуществлён вход головной части, содержащей контейнер с «долгоживущими» радиоактивными отходами, а также конструкции ракеты-носителя (маршевой ступени и головной части) и её надёжности.

Описание внутреннего строения планеты Земля, размещение по поверхности «горячих» точек и циркуляция магмы в земной мантии были представлены ранее в статье "Перспективный путь решения проблемы утилизации и захоронения долгоживущих радиоактивных отходов", опубликованной в журнале "Наука и Техника" (№ 9, 2017)[12]. Внутреннее строение планеты Земля дополнительно представлено на Рисунке 1, где цветными стрелками показаны конвективные потоки магмы под земной корой[7].

Рисунок 1 – Строение планеты Земля

Циркуляция магмы под основанием жерла вулкана обеспечивает унос головной части, содержащей контейнер с «долгоживущими» радиоактивными отходами, от жерла, что исключает её возврат на поверхность Земли. Тем более, что из-за термостойкости и прочностных особенностей конструкции ГЧ и контейнера, в частности, преждевременное их разрушение невозможно.

Конструктивные особенности маршевой ступени и головной части ракеты «Астра» приведены ниже.

1. Конструктивный облик ракеты – носителя «Астра»

Предлагаемая к разработке ракета – носитель «Астра» предназначена для доставки головной части, имеющей контейнер с «долгоживущими» радиоактивными отходами, к кратеру вулкана. Она состоит из универсального ракетного модуля (УРМ) многоразового использования (до~20-ти раз) и являющегося первой ступенью, а также головной части, содержащей контейнер с «долгоживущими» радиоактивными отходами (см. Рисунки 3,4).

Анализ современных эксплуатируемых ракет – носителей космического назначения показал, что наиболее подходящей для реализации концепции захоронения «долгоживущих» радиоактивных отходов в кратере вулкана подходит по своим характеристикам первая ступень ракеты – носителя «Зенит» ~ 110 тс. (Рисунок 2).

2. Универсальный ракетный модуль

На базе первой ступени РН «Зенит» был создан ракетный модуль11С25 для включения в состав блока А ракеты – носителя 11К25 «Энергия»[5,6], предназначенной для выведения на низкие околоземные орбиты пилотируемого орбитального корабля «Буран», что определяло высокие требования к её надёжности и безопасной эксплуатации.

Основным принципом при разработке модульной части 11С25 была её максимальная унификация с соответствующим ракетным блоком первой ступени РН «Зенит» с приоритетом в части обеспечения высоких энергетических характеристик РН 11К25, что определило выбор двигателя, габариты и конфигурацию топливных баков, выбор конструкционных материалов корпуса.

Модульная часть блока А (Рисунок 2) представляет собой ракетный блок, состоящий из следующих основных элементов:

• двигателя 11Д521 (в дальнейшем после его модернизации - РД – 170, (горючее – керосин, окислитель – жидкий кислород), имеющий тягу на земле 740 тс, что больше тяги американского ЖРД Ф-1 (~670 тс), использовавшегося на первой ступени РН Сатурн -5 по программе Аполлон) с рамой, теплозащитой, приводами систем регулирования, датчиками, кабелями;
• баков окислителя и горючего;
• пневмогидравлических систем;
• элементов системы контроля заправки и системы управления расходованием компонентов топлива;
• элементов системы управления и системы телеизмерений;
• элементов системы пожаровзрывопредупреждения;
• системы гидроприводов качания камер двигателя

Дополнительные элементы, включающие хвостовой отсек, приборно-агрегатный отсек, теплозащитные панели, средства отделения и спасения блока А.

Исходя из сказанного выше, предлагается взять в качестве прототипа ракетный модуль 11С25 блока А для разработки универсального ракетного модуля (УРМ), являющегося первой ступенью ракеты – носителя «Астра». Она должна состоять из универсального ракетного модуля (УРМ) многоразового использования (до~20-ти раз), а также головной части, содержащей контейнер с «долгоживущими» радиоактивными отходами (см. Рисунки 2, 3, 4).

Устанавливаемый в хвостовом отсеке УРМ маршевый жидкостный ракетный двигатель РД-170, имеющий высокие энергетические характеристики, с качающимися камерами сгорания обеспечит управляемый полёт РН «Астра» на активном участке траектории полёта. На наружной поверхности хвостового отсека устанавливают четыре тормозных двигателя, обеспечивающих торможение ступени при отделении её от головной части.

В верхней части УРМ над верхним днищем топливного отсека устанавливают переходник (адаптер), соединяющий УРМ с головной частью. УРМ оснащается также приборами системы управления полётом РН на активном участке траектории полёта, а также системой спасения и другими системами, входящими в комплектацию ракетного модуля 11С25.

Универсальный ракетный модуль как и ракету – носитель «Астра» в целом целесообразно разрабатывать в Украине, а именно в Государственном предприятии «Конструкторское бюро «Южное» имени академика М. К.Янгеля», имеющим большой опыт в создании ракет с высокой степенью надёжности. Изготовление составных частей РН необходимо будет производить на Южном машиностроительном заводе имени А.М.Макарова (г.Днепр), обладающим высокими ракетными технологиями. Разработку аппаратуры системы управления УРМ и ГЧЗО может осуществить НПО «Хартрон-Аркос» (г.Харьков). Разработку и изготовление тепловых головок самонаведения (ТГСН) может провести ПО «Арсенал» (г.Киев), имеющий практический опыт в разработке и изготовлении ТГСН для самолётных ракет.

Рисунок 2 – Модульная часть 11С25 [5] блока «А» первой ступени ракеты-носителя 11К25 «Энергия» и её маршевый двигатель РД-170 [6]

Рисунок 3 – Компоновка ракеты-носителя «Астра» (Концептуальная схема)
1 - головная часть; 2 – переходник; 3 – топливный отсек ступени; 4 – хвостовой отсек с маршевым двигателем РД-170

3. Головная часть для захоронения отходов (ГЧЗО)

ГЧЗО ракеты – носителя «Астра» является конструктивным блоком, предназначенным для доставки контейнера, содержащего «долгоживущие» радиоактивные отходы, непосредственно к кратеру вулкана и транспортировки его по жерлу вулкана в область земной мантии (см. Рисунок 4).

Головная часть включает в себя:

• не сбрасываемый обтекатель, состоящий из конической части и двухстворчатой цилиндрической части, изготавливаемых из жаростойкой стали, например, марки ХН28ВМАБ (ЭП-126) ГОСТ 5632-72;
• устройства формирования каверны в жидкой магме и создания тяги для движения ГЧЗО
  вдоль канала вулкана в область земной мантии;
• газогенератора, формирующего газ высокого давления из жидкого азота;
• отсек, содержащий бак для жидкого азота, а также арматуру и элементы автоматики;
• контейнер для размещения в нём «долгоживущих» радиоактивных отходов;
• систему наведения, включающую топливный отсек, жидкостный четырёхкамерный ракетный двигатель, аппаратуру наведения и управления полётом.

3.1. Коническая часть головного обтекателя

В верхней части головного обтекателя имеется ниша, в которую устанавливается тепловая головка самонаведения (ТГСН) авиационной ракеты К-27Т или ракеты Р-27Т самолёта-истребителя МиГ-29 и др., соединённая кабелем с герметичным контейнером,
содержащим аппаратуру передачи сигналов к приборам системы наведения.

Верхняя коническая часть головного обтекателя должна быть выполнена из жаростойкой или жаропрочной стали, обеспечивающей защиту внутренних элементов ГЧ от теплового воздействия излучений и ударов частиц грунта и магмы, вылетающих из кратера вулкана.

Верхняя коническая часть обтекателя имеет несколько выхлопных сопел, направленных вперёд по движению ГЧ. В нижней конической части обтекателя имеются выхлопные сопла, направленные против движения для создания тяги выхлопным под высоким давлением газообразным азотом.

3.2. Отсек жидкого азота

Отсек жидкого азота ГЧЗО целесообразно выполнять, взяв в качестве прототипа бак окислителя II ступени ракеты-носителя «Зенит».

Для подачи жидкого азота в газогенератор используется турбонасосный агрегат с пусковым устройством.

Для защиты отсека от тепловых потоков наружная поверхность его должна быть защищена теплозащитным покрытием (типа асботекстолита). Выбор теплозащитного покрытия проводится после проведения тепловых расчётов.

3.3. Контейнер для транспортирования «долгоживущих» радиоактивных отходов

Контейнер для размещения и транспортирования «долгоживущих» радиоактивных отходов предлагается разрабатывать в Государственном предприятии «Конструкторское бюро «Южное» имени М. К. Янгеля» с учётом обеспечения радиационной безопасности. Изготовление контейнера целесообразно проводить на Южном машиностроительном заводе имени А.М. Макарова (г.Днепр). Основным конструкционным материалом контейнера должна быть нержавеющая сталь, как это делают для конструкции контейнеров, используемых для транспортирования и временного хранения отработанного ядерного топлива.

3.4. Система наведения

Конструктивно систему наведения целесообразно разрабатывать, используя в качестве прототипа топливный отсек РН "Зенит", а ЖРД необходимо будет разработать, учитывая рассматриваемые специфические условия полёта как на атмосферном участке, так и на участке вдоль жерла вулкана. Внутри отсека системы наведения устанавливаются бак горючего (РГ-1), выполненный в виде цилиндрического тора и бак окислителя (жидкий кислород), а также герметизированный приборный отсек, содержащий высокочувствительную к тепловому воздействию аппаратуру систем управления и наведения, и размещённый во внутреннем объёме бака горючего. Боковая поверхность отсека системы наведения покрывается теплозащитным покрытием. Полная комплектация отсека системы наведения определяется в ходе разработки.

К нижней части отсека наведения через силовое кольцо крепится переходник (адаптер), соединяющий ГЧЗО с универсальным ракетным модулем.

Отсек бака с жидким азотом, контейнер с ДРО и ступень наведения закрываются двухстворчатой цилиндрической частью обтекателя, выполненного из жаростойкой стали, например, марки ХН28ВМАБ (ЭП-126), на внутреннюю поверхность которых прикрепляются плитки из жаростойкой пенокерамики или волокон углерод-углерода.

Рисунок 4 – Компоновка головной части ракеты «Астра» (Концептуальная схема)
1 – Устройство формирования каверны в магме с контейнером приборов тепловой головки самонаведения; 2 – Сопловой блок для выхлопа газообразного азота, создающего тягу; 3 – Отсек с баком для жидкого азота; 4 - Контейнер с «долгоживущими» радиоактивными отходами; 5 – Топливный отсек двигательной установки системы наведения; 6 – Герметичный приборный отсек, содержащий аппаратуру системы управления полётом и системы наведения головной части, и размещённый во внутреннем объёме бака горючего, выполненного в виде цилиндрического тора; 7–Хвостовой отсек с двигателем системы наведения; 8 - Цилиндрическая часть обтекателя

Изготовленная по передовой ракетной технологии ракета «Астра» успешно может стартовать с плавучей пусковой платформы «Одиссей» и с очень высокой вероятностью доставить головную часть к кратеру вулкана. Это подтверждается многочисленными успешными безаварийными пусками ракеты «Зенит-3SL» по программе «Морской старт», а также двумя пусками РН «Энергия» и «Энергия-Буран». Таким образом, надёжное функционирование ракеты-носителя «Астра» и её головной части, укомплектованными хорошо отработанными и прошедшими эксплуатацию в полётных условиях в составе РН «Зенит» (Наземный старт и Морской старт) на атмосферном участке полёта не должно вызывать никаких сомнений.

Для проверки успешного прохождения головной части по каналу жерла вулкана был предложен в выводах статьи "Перспективный путь решения проблемы утилизации и захоронения долгоживущих радиоактивных отходов", опубликованной в журнале "Наука и Техника" (№ 9, 2017) экспериментальный вариант пуска РН «Астра» с ГЧЗО, содержащей контейнер с макетом груза в инертном исполнении. Это позволит провести проверку безопасной реализуемости концепции захоронения «долгоживущих» радиоактивных отходов в земной мантии с использованием ракетных технологий.

Что касается высокой эффективности предлагаемого метода, то следует отметить, что, например, для реализации захоронения только одной загрузки реактора РМБК-1000 Чернобыльской АЭС, составляющей ~ 190 т, понадобится 7 ГЧЗО и 1 УРМ (для 7 пусков РН «Астра») Исходя из энергетических возможностей УРМ, ГЧЗО может комплектоваться контейнером, содержащим 30 т «долгоживущих» радиоактивных отходов. Для реализации программы вывода в открытый космос по отлётной траектории  аналогичного количества «долгоживущих» радиоактивных отходов (~ 190 т) понадобилось бы 7 одноразовых трёхступенчатых РН Сатурн-5 (1-я ступень имеет 5 маршевых кислородно-керосиновых ЖРД Ф-1(общая тяга на земле 33,85 МН), 2-я ступень имеет 5
водородно-кислородных ЖРД Джей-2 (общая тяга в пустоте 5,115 МН), 3-я ступень имеет 1 водородно-кислородный ЖРД Джей-2 тягой 1,023 МН) [11], что представляет гораздо бόльшие финансовые затраты и весьма низкую эффективность и безопасность.

Исходя из приведенных аргументов безопасная и весьма экономичная реализация концепции захоронения «долгоживущих» радиоактивных отходов в земной мантии с применением ракетных технологий является весьма перспективным и экономически целесообразным способом.

Внедрение в верхнюю мантию высокопрочной и термостойкой конструкции ГЧЗО с контейнером, содержащим «долгоживущие» радиоактивные отходы, никоим образом не повлияет на проходящую по своим законам «жизнь» верхней мантии и вулканическую активность в этом районе Земли. Если ГЧЗО удастся достигнуть верхней мантии, то из-за большого веса она будет погружаться в более глубокие слои мантии не разрушаясь. Когда под действием высоких температур и давлений начнётся разрушение ГЧЗО и контейнера с «долгоживущими» радиоактивными отходами, то в это время они будут уже далеко от основания жерла вулкана благодаря конвекции вещества мантии. «Долгоживущие» радиоактивные отходы, поступающие в вещество мантии из разрушенного контейнера, будут с ним перемешиваться, что исключит вероятность возникновения ядерных реакций и тем более взрыва. Поэтому выброс радиоактивных отходов на дневную поверхность Земли маловероятен и не представляет никакой опасности. Из-за относительной малости массы ГЧЗО и «долгоживущих» радиоактивных отходов в частности по сравнению массами мантийного вещества его возмущение и тем более сильное извержение вулкана невозможно. Поэтому «жизнь» вулкана будет проходить в прежнем режиме.

Список использованных источников

• АТОМНАЯ НАУКА И ТЕХНИКА В СССР, Редакционная коллегия: И.Д.Морохов (председатель), А.А.Задикян (заместитель председателя), А.К.Круглов (заместитель председателя), А.П.Александров, Б.Б.Батуров, А.А.Бочвар, В.Н.Добрповольский, Б.Б.Кадомцев, О.Д.Казачковский, В.Ф.Калинин, В.Н.Кулямин, Б.С.Поздняков, Д.И.Скоровыаров,А.С.Штань,
• В.Т.Михайлин (секретарь), Москва, Атомиздат, 1977.
• Національний інститут стратегічних досліджень, Дніпропетровський філіал, Енергетична безпека України. Стратегія та механізми забезпечення. За загальною редакцією директора ДФНІСД, доктора технічних наук, професора А. І. Шевцова. Дніпропетровськ, «Пороги», 2002.
• О.Венцковский, Интеграция Украины в Европейское космическое сообщество: Проблемы и перспективы, Межрегиональный журнал «Бизнес-класс», № 26(2), 2011,г. Днепропетровск.
• О.Венцковский, Н. Слюняев, Глобальные космические проекты и возможный вклад КБ «Южное» в их реализацию, Межрегиональный журнал «Бизнес-класс», № 26(2), 2011, г. Днепропетровск.
• Государственное предприятие «Конструкторское бюро «Южное» имени академика М. К. Янгеля», РАКЕТЫ И КОСМИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ КОНСТРУКТОРСКОГО БЮРО «ЮЖНОЕ», Под общей редакцией Генерального конструктора, академика НАН Украины С.Н. Конюхова, Днепропетровск, 2000.
• ВСЕМИРНАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ КОСМОНАВТИКИ, Председатель Редакционного совета Коптев Ю.Н., Заместители председателя Редакционного совета Алавердов В.В., Анфимов Н.А., Бодин Б.В., Галеев А.А., Глубоков Е.С., Гусев Ю.Г., Сенкевич В.П., Уткин В.Ф., Москва, «Военный Парад», 2002.
• Энциклопедия «РИДЕРЗ ДАЙДЖЕСТ», ПЛАНЕТА ЗЕМЛЯ, Киев, 2008.
• Кори С. Пауэлл, ВГЛЯДЫВАЯСЬ ВГЛУБЬ, В МИРЕ НАУКИ, SCIENTIFIC FMERICAN, Издание на русском языке, Август 8 1991, Издательство «Мир» Госкомпечати СССР, 1991.
• «РИДЕРЗ ДАЙДЖЕСТ», БОЛЬШОЙ АТЛАС МИРА, отпечатано в Сингапуре, 2007.
• Ю.С.Потапов, Л.П.Фоминский, С.Ю.Потапов – «Энергия вращения», г.Черкассы, «ОКО-Плюс», 2000.
• КОСМОНАВТИКА, Энциклопедия, Главный редактор В.П.Глушко, Москва, Издательство «СОВЕТСКАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ»,1985.
• “ПЕРСПЕКТИВНЫЙ ПУТЬ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ УТИЛИЗАЦИИ И ЗАХОРОНЕНИЯ «ДОЛГОЖИВУЩИХ» РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ”, Журнал Наука и Техника (№ 9, 2017).