В последние десятилетия производство, наука и культура перемещаются в подземное пространство. Под землей располагаются научные физические центры, ракетные шахты, хранилища радиоактивных отходов, спортивные залы и даже электростанции и церкви, а созданные для них подземные полости — сами по себе архитектурные чудеса со специфическими методами строительства и дизайном. Разные причины приводят к выбору их расположения под землей. Особое значение такое решение имеет для физических лабораторий, исследующих проблемы физики элементарных частиц и астрофизики, в частности — нейтрино и так называемой темной материи, гипотетической и пока не обнаруженной формы вещества.
Нейтрино — элементарная частица, которая не несет электрический заряд, имеет крайне малую массу, летит со скоростью, близкой к скорости света, и чрезвычайно слабо взаимодействует со встреченным препятствием, даже с таким плотным как Земля. Для того, чтобы наблюдать редкие события подобных встреч, физики строят детекторы со специальными материалами и работают с ними долгие годы. Детекторы регистрируют следы столкновений пролетающих нейтрино с атомами этих материалов.
Человеку вообще присуще любопытство к явлениям природы, в особенности таким эксцентричным, как нейтрино. Исследователя привлекает то, что нейтрино в астрономии, возможно станет следующим наблюдательным средством после оптических приборов, радио, инфракрасного, ультрафиолетового и рентгеновского излучений. Учитывая высокую приникающую способность нейтрино, имеются надежды на его использовании в связи, например, при работах под водой и под землей.
Поиски и последующее изучение темной материи сыграют решающую роль в определении будущего Вселенной. Как известно, Вселенная расширяется и это расширение зависит от гравитационной силы ее суммарной массы. Если масса темной материи достаточно велика, то ее гравитационная сила сможет остановить разбегание галактик, расширение сменится сжатием, за которым начнется новое расширение. Если эта сила недостаточна для сжатия, расширение Вселенной будет продолжаться. Вот почему для определения ее судьбы так важен поиск темной материи.
Для того, чтобы решить эти важные и сложные проблемы, физики строят специальные лаборатории, где стараются защитить свое оборудование от попадания на него космических лучей из внешнего пространства. Вспышки в чувствительных приборах — детекторах, вызванные космическими лучами, существенно преобладают над вспышками нейтрино и возможных частиц темной материи, создавая фон, на котором физику очень трудно увидеть слабые и редкие следы тех элементарных частиц, на которых он охотится.
Для того, чтобы защитить физическую лабораторию от этого фона внешнего излучения, ее приходится «прятать» под землю, под перекрывающую толщу горных пород. Конкретные решения дизайна и строительства подземных лабораторий зависят от выбора их места и поставленных научных задач. Важное различие этих лабораторий — возможность доступа к ним либо по вертикальным шахтам (стволам) либо по горизонтальным туннелям. Далее описаны примеры таких решений.
The Sanford Underground Research Facility at Homestake (Сэнфордский подземный исследовательский центр) создан в шахте Хоумстейк, расположенной в штате Южная Дакота, США, которая была самой глубокой и самой крупной золотой шахтой в Северной Америке. Месторождение золота было открыто в 1876 году, добыча началась в 1878 году и ко времени прекращения работ в 2001 году составила за 125 лет 1240 тонн золота. Причинами закрытия шахты стали низкие цены на золото, низкое качество руды и высокие затраты на добычу.
Месторождение было выкуплено у первооткрывателей группой богатых и влиятельных людей, главным из которых был Джордж Херст, отец будущего газетного магната Вильяма Херста, чье имя, кстати сказать, в 1906 году было связано с приездом в Америку великого русского писателя Максима Горького. Экслюзивный контракт Горького с газетами Херста вызвал ревнивое негодование его конкурента Джозефа Пулитцера, привел к репутационному скандалу вокруг писателя и спровоцировал преждевременный отъезд Горького из страны.
Возвращаясь к шахте Хоумстейк, любопытно узнать, что, например в 1905 году, то-есть почти через тридцать лет после начала ее работы, журнал “Mining World” в номере 23 называл эту шахту единственным местом в мире, где решены все трудовые вопросы, где никогда не было забастовок, где условия работы оценивались, как превосходные, а системы вентиляции и дренажа считались лучшими в стране. На шахте работало 3000 человек в режиме 10-часового рабочего дня, что по объяснению менеджмента оправдывалось необходимостью создания разрыва между сменами (при двусменной работе) для проветривания горных выработок после взрывных работ, удаления газа и пыли. При 8-часовой смене такие разрывы было невозможно обеспечить. Дневная зарплата рабочих составляла от 3 до 4 долларов в день, что позволяло им иметь счет в банке 20000 или 30000 долларов. В 1905 году покупательная способность суммы 3 долларов соответствовала современной зарплате 80 долларов в день. Большинство рабочих имело собственный дом, построенный на участке земли, принадлежащем компании, за который они не должны были платить.
Наибольшей глубины разработки 8000 футов (2440 м) шахта достигла в 1970-х годах. Здесь температура пород была равна 1330 по Фаренгейту (560 по Цельсию). Потребовались большие затраты на создание эффективной системы кондиционирования воздуха.
Причинами закрытия шахты стали низкие цены на золото, низкое качество руды и высокие затраты на добычу.
Рис. 1. Рудные тела и схема вскрытия шахты Хоумстейк
В 2007 году было принято решение о размещении в шахте физической лаборатории. Разные предложения о создании американских подземных научных центров существовали по крайней мере десятилетие, включая, как существующие шахты, так и вновь создаваемые комплексы. Окончательный выбор был сделан в пользу Хоумстейк. Шахта расположена в крепком породном массиве, имеет более 800 км горных выработок на разных горизонтах, лежащих на глубине до 2,6 км. Все эти факторы обеспечивают создание толщи породного щита большой мощности над нейтринными детекторами.
Месторождение золота вскрыто двумя главными прямоугольными в сечении вертикальнами стволами (шахтами) Ятес и Росс, достигающими глубины 4850 футов (1480 м), где будут размещены полости для физического оборудования, строительство которых началось в июле 2017 года (рис.2).
Решение о строительстве подземного физического комплекса в шахте Хоумстейк было принято в 2007 году, однако исследования нейтрино начались в ней еще в ранних 60-х годах, а в 2002 году Раймонд Дэвис получил за них Нобелевскую премию. Он использовал детектор нейтрино, емкость бака которого составила около 380 м3, диаметр 6 м и длина около 15 м.
Сейчас в шахте ведутся горно-строительные работы, в финансировании которых значительную роль сыграл известный филантроп Дэнни Сэнфорд. В его честь назван научный подземный комплекс.
Рис.2. Существующие и перспективные лаборатории шахты Хоумстейк
Денни, оставшийся в юности без матери (она умерла от рака), провел лето после средней школы в тюрьме несовершеннолетних за пьяную драку. Судья отпустил его при условии, что он поступит в колледж. В течение года после окончания колледжа он создал компанию по производству строительных химикатов, чья продажа через пару десятилетий позволила ему комфортно уйти в отставку в возрасте 45 лет и отправиться во Флориду играть в гольф.
Вернувшись домой, он купил небольшой банк в Южной Дакоте и превратил его в национальную компанию кредитных карточек. Достигнув огромного финансового успеха, он начал благотворительную деятельность, сначала сосредоточившись на приемных детях, чьи проблемы он понял на собственной жизни. Затем, обратившись к медицине, он объединил региональные системы здравоохранения всей Южной Дакоты и нескольких соседних штатов в некоммерческую систему. Он пожертвовал около 1 млрд. долларов на различные формы медицинской филантропии, включая строительство детской больницы, попытку соединить геномную медицину с первичной медико-санитарной помощью, поддержку регенеративной медицины.
На создание нейтринной лаборатории он пожертвовал 70 миллионов долларов. Журналистам он, шутя, сказал, что хочет умереть разоренным.
Переустройство шахты Хоумстейк потребовало комплексного решения. Во время ее работы ствол Ятес был закреплен деревянной крепью и разделен на четыре отделения — два грузовых (скиповых) для выдачи руды и два клетевых для людей и оборудования. Ствол Росс был оборудован двухскиповым и двухэтажным клетевым подъемами. На горизонте 4850 футов стволы связаны главным туннелем длиной 1 км сечением 4×4 м. Горизонты ниже 4850 футов вскрыты так называемыми «слепыми» стволами, не имеющими прямого выхода на поверхность. Подъемное оборудование в стволах было установлено еще в годы второй мировой воины. К рудному телу каждые 45-50 м по глубине подходят участковые продольные и поперечные туннели, через которые производились взрывные работы по добыче руды и ее доставке на главные горизонты.
При размещении лаборатории в шахте Хоумстейк стволы Ятес, Росс и «слепой» ствол № 6 используются. Деревянная крепь стволов Ятес и Росс заменяется на металлическую. Через эти стволы обеспечивается связь поверхности с горизонтом 4850, а через ствол № 6 и наклонные выработки, пройденные при добыче руды — связь горизонтов 4850 (1480 м), 7400 (2260 м) и 8000 (2440 м). В стволах навешиваются новые подъемные сосуды, размещаются трубы, противовесы подъемных установок, а также аварийные подъемы людей, усиливаются крепь и балки, которыми направляется движение скипов и клетей.
Шахта имеет большое количество подземных полостей — помещений для размещения различного оборудования, расположенных на глубинах до 2100 м. Эти полости размерами 20x10x50 м поддерживаются, в основном, обычными видами крепи, такими, как анкерные болты (стержни, закрепляемые в толще горных пород) или набрызгбетон (бетон, наносимый безопалубочным методом), и могут принять лаборатории на разной глубине при некотором расширении и усилении существующей крепи.
Достоинства использования существующей шахты для создания лаборатории — наличие развитой сети ее инфраструктуры, включающей электро- и водоснабжение, оборудование и сеть сжатого воздуха, вентиляцию, откачку подземной воды, кондиционирование воздуха, контроль параметров микроклимата, аварийные выходы. Наибольшая в США глубина расположения физических приборов, возможность их установки на разных уровнях, высокая устойчивость горных пород, сделали Хоумстейк идеальным местом для национальной лаборатории наук о Земле.
Помещения лаборатории будут расположены на двух главных горизонтах — 4850 футов и 7400 футов. На первом общая площадь, занятая научным комплексом 25000 м2, из которой непосредственно лабораториями — 6200 м2. На последнем общая площадь составит 7000 м2, лабораторная — 1300 м2. Здесь будет , в частности, одна из лабораторий, требующая особенно большой мощности толщи покрывающих пород. На рис.3 показаны горные выработки гор.4850. На рис.4 — горизонта 7400.
Рис.3. Схемы горных выработок гор. 4850, примыкающих к стволам Ятес и Росс
Полости, где устанавливается физическое оборудование, достигают сечений 20×20м, 30×8 м, 29×18 м и длины 40-80 м, протяженные выработки — сечений 3×3 м, при арочной форме — 4,5×3,6 м (рис.5).
Многие из зданий и сооружений существующей инфраструктуры поверхности шахты Хоумстейк были приспособлены для целей научного центра, позволяя таким образом снизить затраты на его обустройство. Даже обычно очень сложный природоохранный вопрос складирования породы от строительства туннелей и подземных полостей успешно решен. В качестве отвала используют котлован, оставшийся на поверхности шахты со времен, когда добыча золота велась открытым способом (в карьере). Однако, прекращение добычи руды, необходимость выполнения большого объема строительства подземных лабораторий и исследовательских операций требует определенной переделки объектов поверхности.
В последнее время в лаборатории проводятся эксперимент LUX (поиск темной материи), проект Majorana Demonstrator (исследование свойств нейтрино), а также геологические, технологические и биологические исследования. Сэнфордская лаборатория также станет местом проведения Deep Underground Neutrino Experiment (подземного эксперимента по изучению нейтрино), в котором будут использованы детекторы, наполненные 70 000 тоннами жидкого аргона, для исследования нейтрино, запущенных из лаборатории Фермилаб (Чикаго) с расстояния в почти 1300 км в направлении шахты Хоумстейк.
Рис.4. Вариант строительства на горизонте 7400
Кроме физических исследований, протяженные выработки и полости, расположенные на большой глубине, позволяют наблюдать подземные микробиологические сообщества с точки зрения возможности жизни, например, под поверхностью Марса. Такие микроорганизмы могут играть решающую роль в растворении и формировании минералов. Определенные минералы могут служить питанием для микроорганизмов, а потоки подземных вод позволят транспортировать эти микроорганизмы к нужным минералам. В свою очередь, микроорганизмы могут осаждать минералы или генерировать газы, изменяя проницаемость горных пород и влияя на потоки жидкостей.
Еще одним направлением научных работ Сэнфордского научного центра станет изучение деформационных свойств горных пород, необходимое для развития подземного строительства. Большие подземные полости, созданные для физических экспериментов, служат идеальными лабораториями для постоянного мониторинга во времени и пространстве этих свойств. Гидрологические, трассировочные и геофизические измерения, выполняемые в ходе работ, позволят установить постоянный контроль состояния окружающего породного массива.
Рис.5. Крепь туннеля
На рис.6 показаны монтажные работы в лаборатории Дэвис Кампус, где проводились работы нобелевского лауреата Р. Дэвиса. Большие размеры ее полостей потребовали индивидуального подхода к выбору крепи (рис.7, рис.8).
Рис.6. Монтажные работы в лаборатории горизонта 4850 футов
Рис.7. Подземная полость лаборатории Дэвис Кампус (до установки крепи)
Рис 8. Зал лаборатории Дэвис Кампус (в рабочем состоянии)
Gran Sasso National Laboratory (Национальная лаборатория Гран Сассо) института ядерных исследований Италии, строительство которой началось в 1982 и закончилось в 1987 году, расположена в 140 км восточнее Рима, примыкая к одному из двух параллельных автомобильных туннелей длиной 10,4 км, пересекающих горный массив Гран Сассо и связывающих города Л’Акуила (L’Aquila) и Терамо (Teramo) в центральной части Италии (рис.9).
Рис.9. Расположение лаборатории Гран Сассо
Когда в 1970 году необходимость в физической лаборатории в Гран Сассо была впервые осознана, одна из ключевых мотиваций была политической — итальянское руководство хотело дать Италии что-то, что могло увеличить ее вес в международном научном сообществе и сбалансировать роль такого проекта, как CERN в европейской физике элементарных частиц. Были, однако, также и научные мотивы. Одним из них был успех американского физика Р. Дэвиса, получившего Нобелевскую премию за исследования нейтрино в глубокой шахте Хоумстейк.
Лаборатория, наибольшая в мире и служащая наибольшему научному содружеству, (в числе сотрудников — граждане 30 стран) находится на высоте 963 м выше уровня моря. Высота гор над лабораторией составляет 1400 м, что защищает установленную аппаратуру от космических лучей.
Подземный комплекс лаборатории в отличие от центра Сэнфорд шахты Хоумстейк, описанной выше, имеет горизонтальный доступ с автомобильного туннеля в трех точках (рис.10) — въезда и выезда, расстояние между которыми равно примерно 600 м, а также промежуточного соединения, используемого, как пешеходный проход.
В состав лаборатории входят три больших зала, называемые А, В и С, с размерами 100х20х18 м3, а также служебные и аварийные туннели, связывающие эти залы. В них в разное время устанавливалось постоянно обновляемое оборудование: В зале А — для изучения происхождения и состава темной материи, в зале В — для обнаружения нейтрино, в зале С более 10 лет ведутся исследования на детекторе Вorexino, состоящем из двух концентрических сфер, вставленных друг в друга, как матрешки (рис.11). На рис.12. схематически показано общее размещение оборудования в залах лаборатории по состоянию на 2012 год. Два туннеля длиной 90 м построены для геологических исследований.
Рис.10. Общая схема лаборатории Гран Сассо
Общая площадь комплекса — 17300 м2, общий объем — 180000м3. Каждый зал имеет три аварийных выхода — два с северного и южного концов и один — посредине. Дополнительно к ним залы имеют проемы (один в зале С, по 2 в залах А, В) размерами 5×5 м для прохода оборудования больших габаритов. Один из вспомогательных туннелей используется как парковочная стоянка автомобилей. На рис.13 показан зал С во время строительства и после его окончания, на рис.14 строительство туннельной развилки, на рис.15 — детектор ICARUS работавший в Гран Сассо до 2014 года.
Кроме работ, выполняемых собственными силами, лаборатория Гран Сассо принимает участие в совместном эксперименте с европейским ускорителем элементарных частиц CERN, расположенном на границе Франции и Швейцарии.
Для этого в зале С рядом с детектором Borexino установлен детектор высотой в трехэтажный дом состоящий из 150000 «кирпичей» фотопленки, разделенных свинцовыми пластинами, регистрирующий потоки нейтрино, летящих от CERN.
На холмах, примыкающих к горам Гран Сассо, расположены здания поверхностного комплекса лаборатории: офисы, механические и электронные мастерские, складские помещения, химическая лаборатория, зал собраний, зал интернета, библиотека, буфет, спальные помещения, администрация. Особое внимание уделяется развитию структур, процедур и тренировочных занятий по безопасности сотрудников и населения, охране окружающей среды.
Как уже говорилось, расположение физического центра в горном районе позволяет защитить толщей пород проводимые эксперименты от проникновения космических лучей, а также обеспечить горизонтальный доступ к его лабораториям. Однако здесь велика сейсмическая опасность.
Рис.11. Детектор Borexino в Гран Сассо
Ранним утром 6 апреля 2009 года с эпицентром в районе города Л’Акуила на расстоянии 20 км от Гран Сассо произошло землетрясение с магнитудой 6,3. На площади 12 км2 вокруг города поверхность земли осела на 12 см, погибло более 300 жителей и около 15000 были ранены. Почти 30000 человек потеряли свои дома, и город лежал в руинах. Около 80% работников научного центра остались без жилья. Администрация разместила пострадавший персонал в ближайших отелях и в специально приспособленных грузовых контейнерах. Для работников лаборатории было введено гибкое расписание и организована финансовая помощь. Почти через год их жизнь вернулась в нормальную колею.
Рис.12. Общее размещение оборудования в залах Гран Сассо
Землетрясению предшествовали признаки повышенной геологической активности, но шесть видных итальянских сейсмологов, приглашенных властями и встревоженным населением, не подтвердили опасности и посчитали ненужной эвакуацию населения. В 2011 году за эту ошибку они предстали перед судом и получили по шесть лет тюрьмы. Позднее этот приговор аппеляционным судом был отменен.
Рис.13. Зал С лаборатории Гран Сассо во время строительства и после его окончания
Рис.14. Строительство туннельной развилки в комплексе Гран Сассо
В горах Гран Сассо расположен не только комплекс физических лабораторий, но и высокоскоростной автомобильный туннель, связывающий Рим с Адриатикой, а также другие туннели различного назначения и, что оказалось наиболее важным, главный акведук, через который в город Терамо поступает 1400 литров в секунду воды, двигающейся по гигантским трубам. Строительство всех этих сооружений закончилось в 1988 году, но с самого начала до сегодняшних дней они привлекают внимание итальянских защитников природы, беспокоящихся о сохранении уровня подземных вод. Они утверждают, что туннели могут дренировать воду даже после окончания проходческих работ и установки крепи. Иногда чрезвычайно трудно или практически неосуществимо восстановить начальное гидродинамическое равновесие, рискуя обмелением ручьев, истощением подземных ресурсов, водоснабжением гражданских и промышленных потребителей.
Подобную реакцию лаборатория испытывала в течение десятилетия, после того, как в 2002 году двое сотрудников, заполняя детектор Borexino псевдокуменом — минеральным маслом с сильным характерным запахом, пролили 50 килограмм. Они собрали пролитое, и лаборатория сообщила об этом случае местным властям, но уже после того, как часть вещества дренировала в ближайший ручей, где участники пикника ощутили запах и всплыла мертвая рыба. Реакция жителей Терами была яростной, и случай стал причиной природоохранной активности во всей Италии и вне ее. Суд решил, что дренажная система лаборатории и туннеля была несовершенной. Совет Министров объявил чрезвычайное положение в сооружениях Гран Сассо — автомобильном туннеле, научной лаборатории и системе водоснабжения. Лаборатория немедленно прекратила все подземные операции, связанные с применением жидкостей. Часть научного сообщества боялась, что Гран Сассо вообще не сможет возобновить свои эксперименты.
С лабораторией Гран Сассо связана увлекательная история огромного детектора нейтрино ICARUS (рис.15). Здесь в 2010 году он начинал свою жизнь в науке. Детектор весит 120 тонн и имеет в длину 18 метров. В 2014 году он был отправлен в европейский центр ядерных исследований ЦЕРН вблизи Женевы, где был усовершенствован, усилен и разделен на две отдельных части. Затем его погрузили в две фуры и повезли в порт Антверпена в Бельгии, откуда на барже он пересек Атлантический окаан и прибыл в гавань Барнс штата Индиана. Отсюда опять в двух больших фурах его привезли в Чикаго в научный центр Fermilab.
Рис.15. Детектор нейтрино ICARUS
В заключение следует сказать, что строительство больших полостей ведется несколькими стадиями (рис.16). Вначале проходится передовой туннель в кровле полости, за которым следует последовательная экскавация участков сечения по обе стороны от этого туннеля. Такая многостадийная последовательность по сравнению с одностадийным строительством позволяет упростить технологию проходческих работ и управлять процессом развития трещин вокруг полости. Картина этого процесса существенно усложняется, когда необходимо сооружать две полости рядом друг с другом (рис.17). В ходе работ развивается их совместное влияние на породный массив и только комьютерное моделирование позволяет оценить полную картину обстановки подземного строительства.
Рис.16. Пример последовательности строительства большой полости
Рис.17. Компьюторная модель развития трещин в породах по стадиям экскавации
Строительство залов и переходов подземных лабораторий в последние десятилетия потребовало применения и развития цифровых моделей, адекватно описывающих состояние породных масс. В частности, ключ к инженерным решениям дают исследования деформаций, развивающихся вокруг подземных полостей при их строительстве.
Литература
A.Bettini. New underground laboratories: Europe, Asia and the Americas. Physics of the Dark Universe. Volume 4, September 2014.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii…
Bennet. The Best Managed Mine in the World. The Mining World, volume 23, July 8-December 30, 1905. https://books.google.com/books?id=FDcSAQAAMAAJ&pj=… …
Brumfiel. Underground Lab set for South Dakota. Nature, 11 July 2007. https://www.nature.com/news/2007/070709/full/news070709-5.html
Gran Sasso underground.
http://www.iaea.org/inis/collection/NCLCollectionStore/_Public/46/040/46040825.pdf
Gran Sasso Underground, CERN cjurier, May 1989.
www.iaea.org/inis/collection/NCLCollectionstore/_Publics/46/040/460/46040825.pdf
J.Heise. The Sanford Underground Research Facility at Homestake. https://arxiv.org/pdf/1401.0861.pdf
J.Jackson. Gran Sasso: A Tale of Physics in the Mountains. Symmetry Magazine. https://www.symmetrymagazine.org/article/february-2010/gran-sasso-a-tail-of-physics-in-the-
J.Jackson. Sanford Underground Research Facility. https://meetings.undergroundphysics.org/indico/getFile.py/access?contribId=95&sessionId=…
K.Lesko. The Sanford Underground Research Facility at Homestake (SURF). https://www.osti.gov/pages/servlets/purl/1208025
N.Nosendo. Gran Sasso: Chamber of Physics. Nature, volume 485, issue 7399, 23 Vay 2012. https://www.nature.com/news/gran-sass-chamber-of-Physics-1/10696
C. Ray. At Old Mine, Hopes of Striking Gold With Dark Matter, August 1, 2012. https://www.npr/org/2012/08/01/157720029/at-old-mine-hopes-of-strikes-gold-with-dark-…
The Sanford Underground Research Facility at Homestake (SURF). https://www.osti.gov/pages/biblio/1208025
L.Votano. Underground Laboratories.
www-library.desy.de/preparch/desy/proc/proc10-03/votano-lucia.pdf
A.Wiper. The Largest Underground Particle Laboratory in the World, Italy, August 6, 2014. Alastairphilipwiper.com/blog/largest-underground-particle-physics-laboratory-world-worlв
L. Yarris. Homestake Strikes Gold Again, Research News, July 10, 2007.
http://www2.lbl.gov/Science-Articles/Archive/NSD-Homestake-strikes-gold.html
Оригинал: http://7i.7iskusstv.com/2018-nomer6-lkaufman/
