Ядерный взрыв в атмосфере высвобождает импульс гамма-излучения, который отрывает электроны от молекул воздуха.

Электроны притягиваются к магнитным полюсам Земли по образцу штопора, высвобождая огромные уровни электромагнитного излучения, которое повреждает системы в пределах прямой видимости. Фото: Энди Спролс/ORNL, Министерство энергетики США.

Исследователи Окриджской национальной лаборатории Министерства энергетики США возглавляют проект , призванный понять, как высотный электромагнитный импульс (ЭМИ) может угрожать электростанциям.

 Ядерное оружие, взорвавшееся на высоте сотен миль в воздухе, испускает краткий импульс гамма-лучей. На такой высоте радиация не причиняет прямого вреда людям, находящимся на земле. Но возникающая в результате мощная энергетическая волна ЭМИ может «соединиться» с силовыми, электронными и коммуникационными системами , вызывая большие всплески напряжения или тока, которые разрушают оборудование , если оно не защищено специальной защитой. После первоначального взрыва ЭМИ быстро продолжает проходить еще две импульсные стадии, которые могут еще больше повлиять на силовые трансформаторы, приборы и работу энергосистемы.

 «Некоторые оценки показывают, что если бы ядерное оружие было взорвано в атмосфере над средней Америкой, это могло бы вызвать широкомасштабные, длительные отключения электроэнергии и, возможно, частичный коллапс энергосистемы», — сказал ведущий исследователь ORNL Дахан Ляо. «Поэтому это действительно важно, потому что это может стать катастрофическим и широкомасштабным событием».

 Хотя опасения по поводу рисков ЭМИ не новы, они несколько ослабли после окончания холодной войны. Глобальные политические события привлекли новое внимание к защите энергосистемы от угрозы, но Ляо сказал, что и другие факторы также являются ключевыми.

 «За последние несколько десятилетий технологии продвинулись настолько, что мы можем даже создать ЭМИ, не нуждаясь в ядерном оружии . Существуют мощные и эффективные микроволновые передатчики, которые являются портативными и могут быть использованы террористами или злоумышленниками», — сказал Ляо. «Кроме того, сегодняшнее электронное оборудование более уязвимо, чем оборудование 1960-х годов, потому что мы больше полагаемся на полупроводники, а большая часть оборудования работает при более низких напряжениях. Такие небольшие компоненты имеют меньшую способность поглощать скачки энергии от ЭМИ».

 По словам руководителя проекта ORNL Ларри Маркела, электромагнитные генераторы, оснащенные вооружением, теперь можно носить на ракете, самолете, большом дроне или даже грузовике, припаркованном рядом с электростанцией, чтобы фокусировать импульс на цели. «Когда вы смотрите на то, что происходит в Украине, вы видите, как страны готовы использовать нетрадиционную электронную войну, не прибегая к использованию ядерного оружия», - сказал он.

 ORNL сотрудничала с партнерами Ливерморской национальной лабораторией Лоуренса и Центром сверхбольших устойчивых сетей передачи электроэнергии Университета Теннесси (CURENT), чтобы изучить, как ЭМИ попадает на электростанцию ​​и какой ущерб она может нанести оборудованию.

 Компьютерные модели можно использовать для понимания этих результатов, но трудно подтвердить их точность, не выпустив волну ЭМИ. Ляо решил эту дилемму проверки, измерив окружающие показания электромагнитной активности низкого уровня, генерируемой сотовыми, радиовещательными и телевизионными передатчиками. Он измерял уровень сигнала внутри и снаружи зданий, а также рядом с ключевым оборудованием на гидроэлектростанции и на территории кампуса ORNL.

 Компьютерные модели усилили эти измерения, чтобы смоделировать, как всплеск, вызванный ЭМИ, повлияет на оборудование, установленное на многих типах электростанций , включая те, которые работают на угле, газе и атомной энергетике. По словам Ляо, гидроэнергетика вызывает особую озабоченность, поскольку обычно это первый шаг к запуску энергосистемы после масштабного отключения электроэнергии в регионе.

 Современная энергосистема включает в себя все большее количество солнечных батарей, ветряных турбин и батарей, которые подключаются к сети через инверторы, которые представляют собой силовые электронные компоненты, уязвимые к ЭМИ. Йилу Лю, заведующий кафедрой электрических сетей при губернаторе UT-ORNL, возглавил группу студентов, вводящих низкоуровневые сигналы в работающую силовую электронику, такую ​​как инверторы, программируемые логические контроллеры и блоки векторных измерений. Они записали результаты, чтобы лучше понять, как эти компоненты направляют электромагнитную энергию и какой уровень воздействия повредит низковольтную электронику.

 Команда UT также помогла смоделировать, как утечка ЭМИ в здание зависит от строительных материалов и доступных точек входа. «Мы надеемся, что фундаментальный анализ в этом исследовании будет иметь более широкое применение в защите оборудования в целом, а также даст рекомендации по проектированию зданий с защитой от ЭМИ», — сказал Лю.

 Исследователи разработали инструмент моделирования, который позволяет коммунальным предприятиям анализировать свои конкретные конфигурации и оборудование и прогнозировать воздействие ЭМИ. Команда также использовала этот инструмент для выработки общих рекомендаций по совершенствованию оборудования для защиты от перенапряжения, заземления и экранирования. Методы заземления, которых достаточно для защиты от ударов молнии, могут оказаться недостаточными для ЭМИ, обеспечивающего более быстрый заряд с более высокой интенсивностью.

 «Уязвимостей больше, чем мы ожидали, особенно в открытых системах за пределами объекта», — сказал Ляо. «Существуют каскадные последствия, которые могут произойти, когда что-то маленькое выходит из строя и мешает работе чего-то большего».

 Хотя проект был направлен на снижение рисков для энергетического оборудования, его результаты также выявили присущие уязвимости, присущие базовым или низковольтным компонентам, лежащим в основе производства электроэнергии. Кабели и провода могут действовать как антенны для сбора электромагнитной энергии, так и каналы для доставки этой энергии к подключенному оборудованию, быстро перегружая напряжение простых двигателей и микроэлектроники, которые имеют решающее значение для работы. Коммунальные предприятия могут не осознавать степень заземления или защиты от перенапряжения, необходимую для защиты оборудования связи и управления, даже если оно напрямую не подключено к более высоким напряжениям.

С. Хизер Дункан, Национальная лаборатория Ок-Риджа

Дополнительная информация: ДаХань Ляо и др., Системный подход к оценке высотного электромагнитного импульсного воздействия на оборудование электростанций (2023). DOI: 10.2172/1994654