© "Семь искусств"
  сентябрь 2018 года

Леонид Кауфман: Подземные физические лаборатории: дизайн и строительство

В 2008 году бывший физик, а затем работник ботанического сада на Гавайах Вальтер Вагнер и испанский журналист Луис Санчо обратились в суд с требованием запретить запуск в работу ускорителя LHC. Они заявляли, что столкновения элементарных частиц могут привести к образованию черной дыры, которая поглотит Землю.

Леонид Кауфман

Подземные физические лаборатории: дизайн и строительство

(продолжение, начало в № 6/2018)

Леонид Кауфман

 В предыдущей статье мы рассказали о двух типичных примерах архитектуры подземных физических лабораторий: Сэнфорд, использующей полости и протяженные выработки, оставшиеся после закрытия шахты Хоумстейк (штат Южная Дакота, США) и Гран Сассо (Италия) — специально построенной в Апеннинских горах.

 Еще один вид подземных физических комплексов — линейные и циркульные (циклические) ускорители элементарных частиц. Их работа основана на взаимодействии элементарных частиц с электрическим и магнитным полями. В линейных ускорителях пучок частиц только один раз проходит мимо ускоряющего оборудования. В циклическом, построенном в виде кольца, пучки двигаются по замкнутым кривым, проходя ускоряющие пункты по многократно. Ускорители можно классифицировать не только по конструктивным признакам, но и по физическим параметрам, по назначению и другим особенностям. Здесь, не останавливаясь на физических возможностях, средствах и задачах ускорителей, мы ограничимся рассказом об архитектуре — дизайне и строительстве самого крупного из них, оснащенного самым современным оборудованием и самого дорогого ($6,4 млрд).

Европейская лаборатория физики частиц, СERN (аббревиатура происходит от французского названия «Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire» — Европейский совет по ядерным исследованиям) расположена в кольце основного туннеля длиной около 26,6 км и диаметром 3,6 м на границе между Францией и Швейцарией (рис.1-3).

Размеры туннеля определяются необходимостью поддерживать высокую скорость пучков элементарных частиц. Они теряют энергию при движении по изогнутой траектории и поэтому для них требуются большие радиусы поворотов пути.

 Основной целью этой лаборатории служит физика элементарных частиц — изучение их материи и сил, действующих между ними. Частицы разгоняются почти до скорости света и сталкиваются друг с другом во встречных пучках. Инструменты, используемые в CERN — ускорители частиц (коллайдеры), разгоняющие эти пучки, и детекторы, наблюдающие и фиксирующие эти наблюдения.

 Фундаментальной задачей физиков и инженеров, собравшихся здесь, служит совершенствование так называемой Стандартной модели современной теории строения и взаимодействия элементарных частиц. Если в химии периодическая система элементов позволяет предопределять, а затем направленно искать еще неоткрытые вещества, то в физике Стандартная модель играет такую же роль в поиске предсказанных элементарных частиц, чтобы построить полноценную картину окружающего нас мира. Физики, однако, считают, что, несмотря на то, что Стандартная модель прекрасно описывает практически все эксперименты с участием элементарных частиц, она нуждается в совершенствовании и подтверждении.

Рис.1. Общая схема расположения туннелей ЦЕРН

Рис.1. Общая схема расположения туннелей ЦЕРН

Рис.2. Схема ускорителя CERN

Рис.2. Схема ускорителя CERN

Подземное расположение комплекса позволило:

— создать кольцо ускорителя диаметром более 8 км, плоский участок для которого было невозможно найти на поверхности,

— обеспечить полную изоляцию радиации, генерируемой ускоренными частицами и их столкновениями, и гарантированную безопасность проводимых исследований для окружающей среды и населения,

— соорудить фундаменты с устойчивостью и безопасностью, позволяющими поддерживать оборудование в рабочем состоянии с чрезвычайной точностью,

— иметь пространство для возможного нового строительства и расширения существующих устройств,

— успешно разрешить с властями вопросы, связанные с отводом земельных участков под строительство.

 Составной частью в комплекс CERN вошли подземные и наземные сооружения двух существующих кольцевых ускорителей: SPS (Super Proton Synchrotron) в девятикилометровом туннеле, служащего для предварительного разгона частиц, и LEP (Large Electron Position), расположенного в том же туннеле, в котором позднее был размещен более мощный LНC (Large Hadron Collider), заменивший LEP, который к 2000-м годам исчерпал свои возможности (рис.4,5).

 Кроме расширения и реконструкции подземной структуры существующего туннеля, в состав нового ускорителя вошли два детектора в пунктах 1 и 5 туннельного кольца — ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus) и CMS (Сompact Muon Solenoid), а также связанные с ними компьютерные комплексы и вертикальные стволы (шахты) с диаметрами от 12 до 20,4 м для доступа персонала с поверхности к оборудованию. Габариты оборудования требовали сооружения для них больших полостей в породном массиве, например, для детектора ATLAS — 53х30х35 м. Примерно такие же размеры были необходимы для полостей детектора CMS и вспомогательного оборудования для математического обеспечения экспериментов. Потребовалась также проходка дополнительных туннелей (рис.6,7).

 При разработке дизайна подземных структур в больших объемах применялось компьютерное моделирование с использованием двух- и трехмерных программ, чтобы определить наиболее целесообразную последовательность экскавации и конструкцию крепи. Главной проблемой были напряжения и смещения массива, которые ожидались в породах средней и малой крепости вокруг полостей во время строительных работ. Предсказанные результаты существенно повлияли на принятые решения. Ожидается, что с течением времени образовавшиеся сдвижения подземного породного массива будут постепенно прекращаться, а напряжения вокруг наземных построенных структур станут стабильными и сбалансированными.

Рис.3. Схема подземных сооружений ускорителя LHC

Рис.3. Схема подземных сооружений ускорителя LHC

Рис.4. Сечение туннеля LHC с размещением ускорителя LEP (существовавшего)

Рис.4. Сечение туннеля LHC с размещением ускорителя LEP (существовавшего)

 

 

Рис.5. Туннель ускорителя LHC

Рис.5. Туннель ускорителя LHC

Весь комплекс располагается на глубине 75 — 150 м, в среднем 100 м. Породы, в которых велись работы, имеют осадочное происхождение и общее название «молассы», состоят из чередования горизонтально расположенных слабых песчаников, глин и мергелей. Слои молассы перекрыты отложениями гравия и песков, оставленных ледниковыми периодами. Кроме плохой связанности и малой крепости пород, их массив насыщен подземными водами, что очень затрудняло ведение проходческих работ: из кровли и стен туннелей и полостей выпадали фрагменты пород, а при попадании воды на глинистые слои почвы сооружаемых объектов они вспучивалась на высоту до 30 см. Такие условия требовали установки дополнительной крепи из анкерных болтов и слоев набрызгбетона. Анкерная крепь — металлический или полимерный стержень (иногда канат), устанавливаемый в скважине, в которой закрепляется конец стержня — якорь. Набрызгбетон — раствор, наносимый безопалубочным методом (рис.8).

 Вспученная почва удалялась и заменялась железобетонной плитой.

 В пункте 5 (CMS) особые трудности возникли при проходке стволов доступа. Здесь уровень подземных вод находится на глубине 10-12 м от поверхности. Для того, чтобы стволы могли пройти через обводненный участок, потребовалось создать вокруг стволов замороженные барьеры.

Через скважины, пробуренные вокруг каждого ствола, закачивался рассол, охлажденный до -250С, образующий вокруг ствола ледяную стену толщиной 3 м. Однако, подземные воды двигались быстрее, чем предполагалось, а небольшое расстояние между стволами создавало между ними гидравлическую связь, что снижало фактическое давление закачиваемого рассола. Проблема была решена закачкой жидкого азота с температурой -1950С (рис.9,10).

Рис.6. Дизайн комплекса ATLAS

Рис.6. Дизайн комплекса ATLAS

Рис.7. Дизайн комплекса СMS

Рис.7. Дизайн комплекса СMS

Рис.8. Набрызгбетон в подземной полости

Рис.8. Набрызгбетон в подземной полости

Но на этом трудности не закончились. Под стволами строились огромные полости для оборудования, но только 15% окружающих пород были достаточно прочными. В этих условиях построенные полости или их части могли обрушиться, тем более что по требованию физиков рядом с полостью детектора и параллельно с ней располагались полости со вспомогательным оборудованием. К примеру, полости комплекса CMS разделялись породным целиком, прочность которого была недостаточна для обеспечения их устойчивости. Поэтому он был заменен бетонной стеной толщиной 7 м, длиной 50 м и высотой 30 м (рис.11).

Эта стена была усилена стекловолоконными и стальными анкерами, а также слоями набрызгбетона. Перед работами по бетонированию устанавливалась водонепроницаемая мембранная система. После сооружения разделительной стены проводилась экскавация полостей, крепежные системы которых связывались анкерными болтами и бетоном. Геологические условия и технология работ требовали поэтапной экскавации и стены и полостей, в ходе которой их сечения формировались последовательным извлечением породных уступов (рис 12,13).

Рис.9. Строительство стволов доступа

Рис.9. Строительство стволов доступа

Рис.10. Макет цилиндра замороженных пород вокруг ствола

Рис.10. Макет цилиндра замороженных пород вокруг ствола

Рис.11. Сечение полостей детектора CMS (пункт 5)

Рис.11. Сечение полостей детектора CMS (пункт 5)

Рис.12. Последовательность экскавации полости для детектора CMS

Рис.12. Последовательность экскавации полости для детектора CMS

Одной из самых инновационных технологий была «подвеска» армированной бетонной кровли полости детектора ATLAS (рис.14).

Одной из самых инновационных технологий была «подвеска» армированной бетонной кровли полости детектора ATLAS (рис.14).

а)

Рис.13. Последовательность экскавации полости UХ15: а)последовательность экскавации, б)стадии строительства: I – туннель, II – ствол доступа РХ14, III – полость USA15, IV – cуществующая полость US15. Арабскими цифрами обозначены стадии экскавации.

Рис.13. Последовательность экскавации полости UХ15: а)последовательность экскавации, б)стадии строительства: I – туннель, II – ствол доступа РХ14, III – полость USA15, IV – cуществующая полость US15. Арабскими цифрами обозначены стадии экскавации

Рис.14.Подвеска кровли полости UX15 при ее экскавации

Рис.14.Подвеска кровли полости UX15 при ее экскавации

Компьютерное моделирование показало, что в реальных геологических условиях даже с плотной сетью анкерной крепи, усиленной металлической сеткой и слоями набрызгбетона, устойчивость полости будет весьма рискованной, когда ее сечение будет формироваться сверху вниз поэтапной экскавацией породных уступов. Для снижения нагрузки на породный массив от пород и крепи кровли полости она была подвешена на канатных анкерах, установленных из почвы четырех коротких галерей, пройденных от стволов доступа на высоте 20 метров над полостью. К кровле полости будущего детектора были пробурены 38 скважин, в которых размещались пучки канатных анкеров из 13 стальных предварительно натянутых тросов (рис.6). Общий вес подвешенной бетонной кровли полости составил примерно 8000 тонн. Сдвижения пород и нагрузки на канаты контролировались геотехническими приборами, установленными вокруг полости. Удивительно, но проведенные через примерно 9 месяцев измерения показали, что подвешенная на канатах кровля над уже построенной полостью сдвинулась, но не более, чем на один миллиметр, подтверждая надежность схемы. После бетонирования базовой плиты в почве толщиной 5 м и стен толщиной 2 м для фиксации рельсовых балок крана за крепь инъектировался цементный раствор (рис.15).

Рис.15. Строительство полости UX15 под подвешенной кровлей

Рис.15. Строительство полости UX15 под подвешенной кровлей

Как уже говорилось, общим проектом предусматривалась замена ускорителя LEP ускорителем LHC со строительством дополнительных туннелей и полостей, необходимых для его работы. На одном из участков этих туннелей длиной 2,5 км подрядчик — швейцарская строительная фирма испытала возможность применения туннельной буровой машины фирмы Роббинс с диаметром рабочего колеса 3,6 м. Из-за сложных геологических условий этот эксперимент оказался неудачным: во многих местах происходили обрушения породы. От применения буровой машины пришлось отказаться, и она была заменена проходческим комбайном избирательного действия, позволяющим поочередно извлекать уступы сечения туннеля.

Условия работ усложнялись не только геологической обстановкой. Физики поставили жесткие условия по взаимному расположению детекторов и компьютерных залов. Если бы полости можно было сдвинуть, для них нашлись бы более благоприятные геологические условия или возможности для увеличения расстояния между строящимися объектами и уменьшения влияния одних проходческих работ на другие.

Поскольку строительство новых полостей и стволов происходило в непосредственной близости от существующих, потребовались дополнительные бетонные работы по усилению последних. Между бетонной крепью и породной стеной полости устанавливалась водонепроницаемая мембрана. В некоторых местах зазор между постоянной бетонной крепью и окружающими породами заполнялся сжимаемым слоем, включающим анкерную крепь, набрызгбетон, усиленный стальным волокном, и листы материала, подобного полистиролу, толщиной 100 мм. Этот слой обеспечивает податливость крепи при сдвижении пород.

В подземных полостях устанавливалось большое количество оборудования (рис.16), в том числе весьма крупногабаритного. Оно опускалось под землю либо в собранном виде (рис.17), либо узлами, которые могли транспортироваться по стволам доступа и туннелям к месту установки. Их предварительная сборка проводилась на поверхности в специально построенных зданиях (рис.18). Там же перед спуском под землю выполнялась контрольная сборка всего агрегата в целом. Окончательная сборка производилась под землей (рис.19). Обслуживание установленного оборудования проводится со специально предусмотренных балконов, лестниц, лифтов.

Рис.16. Схема расстановка оборудования в главной полости пункта ATLAS

Рис.16. Схема расстановка оборудования в главной полости пункта ATLAS

Рис.17. Спуск оборудования на горизонт туннеля ускорителя

Рис.17. Спуск оборудования на горизонт туннеля ускорителя

Сейчас комплекс CERN успешно работает. Самым ярким его достижением было доказательство существования бозона Хиггса, за предсказание которого ученый в 2013 году получил Нобелевскую премию. Для физиков эта элементарная частица имеет монументальную важность и позволяет понять происхождение вселенной и ее последующую эволюцию.

С работой ускорителя, однако, связаны и забавные эпизоды. Так, в 2008 году бывший физик, а затем работник ботанического сада на Гавайах Вальтер Вагнер и испанский журналист Луис Санчо обратились в суд с требованием запретить запуск в работу ускорителя LHC. Они заявляли, что столкновения элементарных частиц могут привести к образованию черной дыры, которая поглотит Землю. Иск подавался дважды в американский суд и оба раза был отклонен на формальном основании, что CERN не подлежит юрисдикции США.

Работа ускорителя доказала, что страхи истцов были напрасны. Но и в самом деле возникновение в нем черных дыр при столкновении элементарных частиц теоретически возможно. Тем не менее, физики уверены, что даже если черная дыра возникнет, она в ту же долю секунды покинет Землю.

Рис.18. Детектор до полной сборки

Рис.18. Детектор до полной сборки

Рис.19. Собранный детектор

Рис.19. Собранный детектор

Есть и другие, более веские причины, по которой ученые считают, что LHC не представляет угрозы для Земли. Черные дыры, согласно предсказанию Стивена Хокинга, излучают энергию. Из-за этой потери энергии они в конечном итоге испаряются. Чем меньше черная дыра, тем интенсивнее излучение Хокинга и тем быстрее она исчезает. Для случая ее искусственного создания она исчезнет почти мгновенно в результате быстрого всплеска излучения.

Кроме забавных, при работе ускорителей случаются и трагические эпизоды. Конечно, здесь, как и в любом производстве, неосторожность персонала, несогласованность его действий, небрежное отношение к технике безопасности, может привести к несчастному случаю. Имеется грустный пример, когда в июле 1978 года сотрудник Института физики высоких энергий (Россия) Анатолий Бугорский, работавший с ускорителем U70 попал под удар в голову пучка элементарных частиц (протонов). Это случилось из-за мелких случайностей — неполадки в сигнальном табло, отключение автоматической блокировки входной двери, непунктуальность пострадавшего. Он наклонился к приборам и его голова попала в невидимую зону опасности. В глазах вспыхнули искры и он потерял сознание. Поток протонов размером 2х3 мм вошел в голову над левым ухом и вышел через левое крыло носа. Луч в зоне поражения сжег кожу, кость и ткань мозга. Когда Бугорского доставили в больницу, вся левая половина его лица опухла. Врачи считали, что он обречен, но он выжил, и, хотя оглох на левое ухо, сохранил интеллектуальные способности и сейчас продолжает работать в планировании и проведении физических экспериментов.

Следующим шагом в развитии строительства циркульных ускорителей станет туннельное кольцо длиной до 80-100 км, контракт на концептуальный дизайн которого заключен в 1914 году Европейским советом по ядерным исследованиям (CERN) с компанией Аруп (Arup Group Limited). Будущий ускоритель (Future Circular Collider — FCC) к 2035 году дополнит существующий 27-километровый LHC. Его основные сооружения будут расположены в Швейцарии, остальные — во Франции. Аруп — многонациональная профессиональная группа в Лондоне, выполняющая работы по планированию, проектированию, дизайну, управлению и консультациям. Аруп (имя основателя) включает персонал более 14 000 человек, базирующихся в 92 офисах 42 стран мира. Аруп участвовал в проектах для 160 стран.

Как уже говорилось, для предшественника FCC комплекса LEP был построен основной туннель длиной 26,6 км, а общая протяженность туннельных работ составила 32, 6 км, включая разного рода обходные туннели различных диаметров. Кроме туннелей были сооружены 37 полостей и 19 стволов доступа персонала, подъема грузов и вентиляции.

За этим проектом последовал еще более амбициозный проект LHC, кульминацией которого в индустрии подземного строительства стали две экспериментальные полости детекторов. К комплексу LEP добавились 30 новых полостей, 6,5 км туннелей и шесть стволов. В ускорителе LHC было установлено оборудование нового поколения.

Концепция следующего шага развития физики элементарных частиц включала три основных варианта, связанных с разной степенью рисков (рис.20,21).

Рис.20. Варианты расположения ускорителя FCC

Рис.20. Варианты расположения ускорителя FCC

Рис.21. Риски вариантов расположения ускорителя FCC

Рис.21. Риски вариантов расположения ускорителя FCC

Water ingress — приток воды,
Heaving ground — пучение почвы туннеля,
Weak marls — слабые глины
Hydrocarbons — углеводороды: нефть, природный и сланцевый газ, каменный уголь
Support & Lining — крепь,
Ground response & convergence — реакция пород, конвергенция,
Hydrostatic pressures & drainage — гидростатическое давление, дренаж,
Pollution/exhaustion of aquifers — загрязнение и истощение водоносных горизонтов,
Effect of shafts on nature — экологическое воздействие столов доступа,
Effect of shafts on urban/recreation areas — воздействие стволов на городские зоны.

Вариант с длиной кольца 47 км был физиками отвергнут. Более детально рассматривались варианты с кольцом длиной 80-100 км. Глубина туннеля достигает 140 м, составляя в среднем 100 м. Положение FCC, кроме геологических условий, определяется также необходимостью подключения к существующему ускорителю LHC, который будет подавать элементарные частицы в новую конструкцию.

Кроме описанных циркульных, для экспериментальных и теоретических исследований в физике частиц используются также линейные ускорители. Принцип их работы позволяет использовать эти ускорители, в частности, в медицине, как источник рентгеновского или электронного излучения.

Самый большой из линейных ускорителей SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) длиной 3,2 км расположен на территории Стэнфордского университета (штат Калифорния, США). Он считается «самым прямым в мире» а наземная галерея над линией пучков элементарных частиц — самым длинным зданием в мире (рис.22).

Рис.22. Линейный ускоритель Стэнфордского университета

Рис.22. Линейный ускоритель Стэнфордского университета

Дальнейшим развитием технологии линейных ускорителей будет комплекс, строительство которого предполагается в регионе Tohoku, Япония. Здесь в гранитах гор Kitakami, будет сооружен туннель длиной 31 км Международного линейного ускорителя (ILC — International Linear Collider) (рис.23,24). Выбор района строительства определился наличием твердых коренных пород в местах будущих подземных сооружений и отсутствием активных зон тектонических нарушений, которые обычно являются причинами и центрами сейсмических событий.

Ожидаемая стоимость строительства составляет около $7-8 млрд. Окончание работ предполагается после 2025 года.

Рис.23. Схема расположения туннеля Международного линейного ускорителя ILC

Рис.23. Схема расположения туннеля Международного линейного ускорителя ILC

Рис.24. Расположение будущего ускорителя (Япония)

Рис.24. Расположение будущего ускорителя (Япония)

Литература

Chapter 2. The site, buildings and underground structures. http://ekpwww.etp.kit.edu/~rabbertz/Office/Physics_Talks/QNP06_200606/Publications/LHC_

Eisenstin. Constructing ATLAS: a modern ‘ship in a bottle’. http://cerncourier.com/cws/article/cern/28956

Frohlich. This is what happened to the scientist who stuck his head inside a particle acceleraitor. https://qz.com/964065/this-is-what-happened-to-the-scientist-who-stuck-his-head

Iconic underground structures. https://www.tunneltalk.com/Discussion-Forum-Sep10-Iconic-underground-structures.php

International Linear collider ready for construction. https://home.cern/about/updates/2013/06/international-linear-collider-ready-construction

Kenyon. Designing a 100km collider tunnel for CERN. https://www.tunneltalk.com/CERN-10Dec2014-Future-Circular-Collider-preliminary-alignment-

Knights. Ever increasing circles — construction of the LHC at CERN http://keith.jones.free.fr/Papers/Ever%20Increasing%20Circles.pdf

H.-C. Kurzweil. The LHC-Project of CERN Large Caverns in Soft Rock a Challenge for Scientists and Engineers. https://indico.cern.ch/event/149232/attachments/148850/210934/…

Leonard. ‘Big Bang’machine could destroy the planet, says lawsuit https://www.telegraph.co.uk/news/science/science-news/3337990/Big-Bang-machine-could-destroy…

Massive Underground Excavation. https://cms.cern/detector/massive-underground-excavation

No, the LHC won’t destroy the Earth. http://www.slate.com/blogs/bad_astronomy/2008/03/29/no_the_lhc_wont_destroy_the_earth

Osborne. CERN Civil Engineering. https://www.stfc.ac.uk/files/09cern-civil-engineering/

Overbye. Asking a Judge to Save the World, and Maybe a Whole Lot More. https://www.nytimes.com/2008/03/29/science/29collider.html

Piésold. Large Hadron Collider, CERN. http://www.engineering-timelines.com/scripts/engineeringItem.asp?id=1449

Rammer. Two new caverns for LHC experiments: ATLAS and CMS. https://cds.cern.ch/record/357157/files/st-98-005.pdf

Wallis. Spectacular excavations for physics research. https://www.tunneltalk.com/CERN-Aug01-Construction-of-great-excavations2.php

Share

Леонид Кауфман: Подземные физические лаборатории: дизайн и строительство: 2 комментария

  1. Петр Волковицкий

    Замечательная статья, но в ней опущена печальная судьба Сверхпроводящего Суперколлайдера в Техасе, который строился с 1988 по 1993 год. Два миллиарда долларов были закопаны в землю и 2000 квалифицированных физиков и инженеров потеряли работу. Возможны разные объяснения закрытия проекта и наиболее правдоподобное связано с окончанием холодной войны. Как бы то ни было, этот проект должен был быть упомянут в статье.

    1. Leonid Kaufman

      Уважаемый Петр!
      1)В отношениях между пишущим и критикующим, насколько я понимаю, есть главное правило: критиковатать написанное, но не отсутствующее.
      2)Предлагаемая серия статей вовсе не является всеобъемлющей энциклопедей. Каждая из этих статей рассматривает один-два примера подземных решений, в основном инновационных, по технологии осуществленного строительства, но не прекращенного по тем или иным причинам. В мире есть совершенно впечатляющие примеры действующих подземных физических объектов, например, японская Камиоканде. Разве это означает, что нужно писать обо всех из них?
      3) Вряд ли по недостроенному объекту можно написать что-то убедительное о дизайне и неосуществленной технологии его строительства. Но ведь цель моих статей — рассказать читателю именно об успешных примерах подземных работ, нужных физикам
      Ваш Леонид Кауфман

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

(В приведенной ниже «капче» нужно выполнить арифметическое действие и РЕЗУЛЬТАТ поставить в правое окно).

AlphaOmega Captcha Mathematica  –  Do the Math