В конце текущего года исполняется 10 лет с момента ввода в эксплуатацию объекта «Укрытие» (более известного как «Саркофаг») над разрушенным блоком реактора Чернобыльской АЭС. Кровоточащая рана глобальной катастрофы в невероятно сложных условиях была оперативно закрыта. Но, как говорится, проблема осталась и, по-видимому, еще долго будет оставаться острой головной болью Украины, будоражить сознание мирового сообщества. Состояние громадного железобетонного сооружения, укрывшего собой то, что когда-то называлось четвертым реактором ЧАЭС, не вызывает доверия в своей долговечности. Тому есть тревожные предпосылки. Если эта конструкция рухнет, то тогда… состоится вторичное планетарное знакомство с Чернобыльской АЭС. И пока этого не случилось, нужно разобраться, почему в последние годы усилилась трещиноватость тела конструкции (а ведь на сооружение шел самый прочный бетон!), как, в конце концов, наладить совершенный контроль за состоянием «Укрытия». Мы говорим о контроле, подразумевая продолжение работы ЧАЭС, так как помощи от международной общественности, необходимой для ее закрытия, очень трудно дождаться. Что нужно сделать, чтобы объект «Укрытие» был надежным и долговечным? Как избежать непродуманных, поспешных решений и ошибок, которые впоследствии могут стать роковыми? По этому поводу не только размышляет, но - и это главное - предлагает конкретные, научно обоснованные подходы доктор технических наук Анатолий КОМАРОВСКИЙ. Следует заметить, что ученый является автором открытия компрессонно-дилатонной природы твердых тел, исходя из которой он делает вывод, что состоянием материалов, конструкций и технических сооружений можно управлять, тем самым предотвращая аварии и катастрофы.
И так, «Укрытие» запро-
ектировано с исполь-
зованием знаний и методик 10-летней давности, а построено в экстремальной ситуации. Основное время ему, по-видимому, придется служить в XXI веке. Вместе с тем, уже сегодня основные представления о физике прочности и механизме разрушения материалов и конструкций существенно изменились. Они напрямую связаны с методами обеспечения надёжности и долговечности инженерных сооружений, и в первую очередь высокоответственных, т.е. таких, разрушение которых сопряжено с большими материальными, моральными и социальными потерями. Поэтому, вполне правомерно рассматривать проблему «Укрытия» с учётом новых теоретических знаний и надёжно установленных экспериментальных фактов.
С начала эксплуатации материалы и конструкции «Укрытия» находятся под воздействием различных по физической природе внешних полей: силовых (технологические, гравитационные, ветровые и т. п.), радиационных, тепловых, климатических и других. При этом нельзя сбрасывать со счёта фактор неопределённости, связанный с остаточными процессами, протекающими в разрушенном реакторе. Со временем эти воздействия изменяют физико-механическое состояние материалов. Совсем недавно получено уравнение состояния твёрдого тела (см., напр., А.Комаровский «Аварии и катастрофы - не фатальная неизбежность», «Зеркало недели», № 29, июль 1997 г. - Ред.) Это уравнение связывает параметры внешних полей (давление или механические напряжения, температуру, уровень радиации и её тип, химические ингредиенты агрессивных сред, влажность и др.) с внутренними характеристиками структуры. В качестве независимой переменной в это уравнение входит объём материала.
Структуру материалов, а следовательно, их эксплуатационные свойства целиком определяют следующие параметры атомно-молекулярных (AM) связей: ориентация в пространстве, удельная концентрация в объёме, форма, размеры и, самое главное, тип сил связи. В макромире (т.е. на уровне эксперимента) в связанной системе АМ-связей (каковой по своей сути является твёрдое тело) ориентационные процессы проявляются в виде деформаций, изменение их удельной концентрации приводит к зарождению и последующему развитию трещин (т.е. разрушению материала), а переход одного типа связи в другой сопровождается фазовыми превращениями и сменой знака внутренних напряжений. В материаловедении эти напряжения не совсем точно называют остаточными. Они не связаны напрямую с действием внешних силовых полей и бывают двух видов - растягивающие и сжимающие. Современная наука и инженерная практика основное внимание уделяют процессам деформирования и разрушения, считая именно их ответственными за надёжность и долговечность материалов и конструкций. Однако это не совсем так. В недооценке роли фазовых превращений, в корне изменяющих несущую способность конструкций, кроется первая ошибка традиционных представлений о природе прочности. Она может приводить к вполне предсказуемым последствиям - к внезапному и, на первый взгляд, случайному отказу конструкций и, что ещё хуже, выходу из строя всего сооружения. Поясним причину этого явления.
Многолетний опыт материаловедения показывает, что избавиться от остаточных напряжений практически невозможно. В любом материале всегда можно найти области (вплоть до
АМ-размеров), где действуют либо сжимающие, либо растягивающие напряжения. Такой же вывод следует непосредственно из уравнения состояния твёрдого тела? Оно показывает, что вне зависимости от химического состава тела его АМ-связи могут находиться в двух принципиально различных состояниях: компрессонном (т.е. поджатом) или дилатонном (т.е. слегка растянутом). Эти состояния различаются пространственной конфигурацией внешних электронных оболочек связанных атомов. Это порождает коренное отличие в их свойствах и заключается оно в том, что компрессоны могут воспринимать извне только растягивающие нагрузки, в то время как дилатоны лишь деформируются, поглощая тепло. Наоборот, дилатоны воспринимают только сжимающие усилия, компрессоны же при этом лишь деформируются с выделением тепла.
Структура любого материала всегда соткана из компрессонов (К) и дилатонов (Д). От их соотношения в данный момент времени зависит его деформативность и несущая способность (имеется в виду не только величина, но и направление действия внешней нагрузки). Во внешних полях, которые действуют в зоне «Укрытия»,материалы не только деформируются с возможным появлением трещин (за этим процессом обычно наблюдают), но одновременно в их структуре изменяется компрессон-дилатонное (КД) соотношение. КД-неоднородность структуры - не какая-то аномалия или исключение из правил. Она само правило, являющееся неизбежным следствием воздействия на неё внешних полей.
По истечении некоторого времени материалы и конструкции могут и не иметь заметных признаков ухудшения своего технического состояния (например, трещин или остаточных деформаций), и на первый взгляд кажется, что они остались прежними. Однако это вовсе не так. Они уже другие. Изменился фазовый состав материалов (причём это изменение необязательно происходит в худшую сторону), и конструкции теперь имеют совершенно иные несущие и деформативные свойства. Возможно, в некоторой ситуации они перестанут удовлетворять эксплуатационным требованиям, что влечёт за собой внезапный отказ конструкций. Инженерная практика имеет тому достаточное количество примеров. Фазовые превращения, так же, как и процессы деформирования и трещинообразования, сравнительно легко определяются при помощи неразрушающих методов исследования.
С ледующее предостере-
жение связано с объё-
мом материала, заложенного в конструкцию. Влияние этого параметра на прочность, надёжность и долговечность не однозначно. С одной стороны, увеличение объёма материала, участвующего в сопротивлении внешним полям, уменьшает уровень внутренних напряжений. На этом, собственно, основаны все известные ранее и разрабатываемые ныне подходы к проектированию и расчёту деталей и конструкций (детерминированный, полувероятностный и статистический). С другой, и это не менее важно, уменьшается трещиностойкость (точнее, способность материалов к сопротивлению процессам зарождения, объединения и распространения трещин). Эта неоднозначность находит своё выражение в известном каждому инженеру масштабном эффекте. На опыте он проявляется в прогрессирующем уменьшении средней прочности образцов данного материала при увеличении их размеров.
Статистическая теория прочности даёт этому эффекту своё объяснение и предлагает методы его учёта при проектировании. Их можно найти в любом учебнике по сопротивлению материалов. Однако это объяснение и сами статистические методы формальны по своей сути. Они основаны на математической логике развития событий, но никак не учитывают реальных физических процессов, протекающих в структуре материала, начиная с АМ-уровня.
Сторонники статистического подхода полагают, что если устранить дефекты всех уровней, являющихся очагами зарождения трещин, то масштабный эффект можно свести к минимуму или вовсе исключить. Однако при этом упускается из виду тот хорошо известный факт, что он проявляется и у материалов с идеальной структурой. Это показывает, что его физическая природа иная.
Дело в том, что АМ-связи любого тела существуют во внутреннем потенциальном поле (в макромире его аналогом может служить гравитационное воле). Оно может иметь различную пространственную конфигурацию. Можно показать, что в малых объёмах это поле имеет ярко выраженную рельефность. В таком поле движение трещин (если они и возникают) затруднено. Увеличение массы материала размывает рельефность. Это снижает порог чувствительности процесса трещинообразования. В большом объёме трещины легко возникают и распространяются. Получается, что чем больше масса конструкции, тем ниже трещиностойкость материала. Этот эффект прослеживается экспериментально по изменению удельной поверхности разрушения при вариации размеров образцов. Это означает, что в традиционных методах проектирования с резервированием материала скрыта пока ещё не до конца осознанная опасность. Она иногда даёт о себе знать в преждевременных и, как ошибочно считают, случайных разрушениях, казалось бы, благополучных, инженерных объектов.
Очередная, третья, опасность возникает в связи с упрощённым представлением о процессах деформирования и разрушения, особенно тогда, когда на силовые, радиационные, химические и иные воздействия накладываются тепловые поля. Доказано, что в связанной АМ-системе существует не один, а по крайней мере три принципиально различных механизма деформирования и разрушения: низкотемпературный, высокотемпературный и дебаевский. Первый и второй преобладают соответственно при низких и высоких температурах. Для широкого круга конструкционных материалов (в том числе сталей и сплавов) в области комнатных температур дебаевский механизм следует считать характерным и определяющим.
Физическая сущность такого механизма состоит в следующем. Границей между компрессонным и дилатонным состояниями служит дебаевская температура. Более подробно о её роли говорится в упомянутой газетной статье. При КД-фазовых превращениях безопасный переход через неё возможен только при определённых энергетических условиях. Если они не выполняются, то КД-переход не реализуется. Вместо этого происходит отказ АМ-связи и возникновение микроскопического дефекта структуры. Объединяясь, такие дефекты образуют трещину.
Ч астые и резкие перепа-
ды температуры, осо-
бенно в условиях нерегулируемого теплообмена, могут приводить к интенсификации процессов трещинообразоваиия и, как следствие, к ухудшению технических свойств материалов. Особенно чувствительны к
КД-растрескиванию материалы, дебаевская температура которых близка к среднестатистической температуре эксплуатации. Долговечность материалов в таких условиях чрезвычайно низка.
КД-растрескивание сталей и сплавов при дебаевской температуре по конечному результату аналогично известному явлению разрыхления строительных материалов (например, бетонов или керамики) при частых переходах температуры окружающей среды через ноль градусов Цельсия. Однако если по морозостойкости к строительным материалам предъявляются жесткие требования, то определение дебаевской температуры металлов и сплавов не регламентировано, тем более не делается её сравнение с температурой эксплуатации.
Особенно опасной ситуация становится тогда, когда дебаевский механизм разрушения совпадает с одним из температурных. Это происходит при резком, неконтролируемом понижении или, наоборот, значительном повышении температуры окружающей среды. В первом случае имеет место так называемое явление «хладноломкости», а во втором - высокотемпературное разрушение. Оба случая почти всегда сопряжены с катастрофическими отказами конструкций.
Вывод уравнения состояния твёрдого тела и выяснение физической природы процессов, протекающих в структуре конструкционных материалов под влиянием разнообразных внешних полей, позволяют разработать энергетические методы управления напряженно-деформированным состоянием (см., напр., упомянутую выше публикацию). Они позволяют создавать детали и конструкции, которые адаптируются к внешним условиям и ни при каких обстоятельствах не допускают разрушения. На их основе могут быть построены инженерные объекты с искусственным интеллектом.
Так что же делать с объектом «Укрытие» с учётом новых знаний о природе прочности и вытекающих из них опасениях? По-видимому, целесообразно выполнить четыре последовательных этапа работ:
- определить выработанную часть ресурса материалов и конструкций;
- разработать и внедрить методы восстановления ресурса;
- оборудовать конструкции системами, не допускающими ухудшения их технического состояния;
- в перспективе (или при необходимости) разработать и построить дублирующий вариант объекта - «Укрытие-2» с искусственным интеллектом.
Специфика газетной статьи не позволяет увлекаться технической детализаций.
К ак видим, третий этап
предусматривает раз-
работку методов и технических средств предотвращения деформирования и разрушения и оснащения ими конструкций объекта «Укрытие». Их появление станет возможным благодаря открытию ориентационного и КД-эффектов и выводу термодинамического уравнения состояния твёрдых тел. Они показывают, что в процессе эксплуатации свойства материалов могут корректироваться исключительно за счёт изменения параметров состояния (температуры, создания определённого знака механических напряжений, изменения формы АМ-связей и их ориентации в пространстве). Инженерный опыт подтверждает эти выводы. Для этих целей разработаны основы механических, термических, магнитных, электрических и комбинированных методов управления напряжённо-деформированным состоянием. Они позволяют сохранять геометрические размеры, структуру и механические свойствa при всех видах внешних воздействий.
Механические методы основаны на ориентационном эффекте, создаваемом путём приложения внешних, специальным образом ориентированных нагрузок. В отличие от них, термические и термомеханические методы используют тепловые поля. Они позволяют изменять не только ориентацию, но и энергетику АМ-связей, существенно повышая результативность воздействия. Для управления состоянием магнитных и диэлектрических материалов применяются магнитные и электрические поля. Самыми эффективными являются комбинированные методы. Они используют одновременно несколько управляющих полей и предусматривают оснащение конструкций постоянно действующими системами диагностики в сочетании с активными методами восстановления структуры. Такие конструкции обладают уже признаками саморегулирования или искусственного интеллекта.
На четвёртом этапе предлагается разработать и построить дублирующий вариант «Укрытие-2» с использованием материалов и конструкций с искусственным интеллектом (ИИ). Цель предложения состоит в новой методике проектирования и изготовления таких конструкций, которые воспринимают все типы внешних полей без разрушения и изменения внутреннего состояния материалов. Эффект ИИ получают путём решения следующих задач:
- включение в состав несущих конструкций исполнительных элементов, через которые в материал вводится один или несколько из следующих видов энергии: механической, термической, магнитной, электрической или иной, активизирующей структуру и повышающей её несущую способность и трещиностойкость в экстремальных ситуациях;
- оборудование объекта исполнительной системой, вырабатывающей эти виды энергии;
- оснащение несущих конструкций следящей системой, воспринимающей характер изменения внешних полей и посылающей сигнал на срабатывание исполнительной системы.
В экстремальных ситуациях (напр., в периоды климатической, технологической или сейсмической активности) по сигналу следящей системы исполнительные элементы срабатывают и подготавливают (напр., по схеме механического, магнитного или электрического метода) структуру материала к восприятию активного режима нагружения. В этот период производятся непрерывное слежение за изменением напряженно-деформированного состояния и его корректировка с тем, чтобы предотвратить процесс разрушения.