Ядерный взрыв

Ядерный взрыв - мощный взрыв, вызванный высвобождением ядерной  энергии: либо при быстро развивающейся  цепной реакции деления тяжелых  ядер; - либо при термоядерной реакции  синтеза ядер гелия из более легких ядер. В зависимости от задач, решаемых применением ядерного оружия, ядерные  взрывы могут производиться в  воздухе, на поверхности земли и  воды, под землей и водой. Ядерный  взрыв сопровождается выделением огромного  количества энергии, поэтому по разрушающему и поражающему действию он в сотни  и тысячи раз может превосходить взрывы самых крупных боеприпасов, снаряженных обычными взрывчатыми  веществами.

Поражающие факторы ядерного оружия - физические процессы и явления, которые возникают при ядерном  взрыве и определяют его поражающее воздействие. Характер, степень и  продолжительность воздействия  поражающих факторов зависят от мощности ядерного боеприпаса, вида взрыва, расстояния от его эпицентра, степени защиты объектов, метеорологических условий, характера местности.

Основными поражающими  факторами ядерного оружия являются: ударная волна, световое излучение, проникающая радиация, радиоактивное  заражение и электромагнитный импульс. Примерно половина всей энергии выходит  в виде ударной волны, остальное - световое излучение, на долю проникающей  радиации (гамма-лучей и нейтронов) приходится не более 5%. Такое разнообразие поражающих факторов говорит о том, что ядерный взрыв представляет собой гораздо более опасное  явление, чем взрыв аналогичного по энерговыходу количества обычной взрывчатки.

Люди, непосредственно подвергшиеся воздействию поражающих факторов ядерного взрыва, кроме физических повреждений, испытывают психологическое угнетающее воздействие от осознания факта  близкого ядерного взрыва -- самого разрушительного оружия, известного человечеству на данный момент.

1. Последовательность событий  при ядерном взрыве

Выделение огромного количества энергии, происходящее в ходе цепной реакции деления, приводит к быстрому разогреву вещества взрывного устройства до температур порядка 10⁷ К. При таких температурах вещество представляет собой интенсивно излучающую ионизированную плазму. На этом этапе в виде энергии электромагнитного излучения выделяется около 80% энергии взрыва. Максимум энергии этого излучения, называемого первичным, приходится на рентгеновский диапазон спектра. Дальнейший ход событий при ядерном взрыве определяется в основном характером взаимодействия первичного теплового излучения с окружающей эпицентр взрыва средой, а также свойствами этой среды Подвиг П.Н. Ядерная энциклопедия. /под ред. А.А. Ярошинской. - М.: Благотворительный фонд Ярошинской, 2006..

В случае если взрыв произведен на небольшой высоте в атмосфере, первичное излучение взрыва поглощается  воздухом на расстояниях порядка  нескольких метров. Поглощение рентгеновского излучения приводит к образованию  облака взрыва, характеризующегося очень  высокой температурой. На первой стадии это облако растет в размерах за счет радиационной передачи энергии  из горячей внутренней части облака к его холодному окружению. Температура  газа в облаке примерно постоянна  по его объему и снижается по мере его увеличения. В момент, когда  температура облака снижается до примерно 300 тысяч градусов, скорость фронта облака уменьшается до величин, сравнимых со скоростью звука. В  этот момент формируется ударная  волна, фронт которой "отрывается" от границы облака взрыва. Для взрыва мощностью 20 кт это событие наступает примерно через 0.1 м/сек после взрыва. Радиус облака взрыва в этот момент составляет около 12 метров.

Интенсивность теплового  излучения облака взрыва целиком  определяется видимой температурой его поверхности. На некоторое время  воздух, нагретый в результате прохождения  взрывной волны, маскирует облако взрыва, поглощая излучаемую им радиацию, так  что температура видимой поверхности  облака взрыва соответствует температуре  воздуха за фронтом ударной волны, которая падает по мере увеличения размеров фронта. Через примерно 10 миллисекунд  после начала взрыва температура  во фронте падает до 3000 °С и он вновь становится прозрачным для излучения облака взрыва. Температура видимой поверхности облака взрыва вновь начинает расти и через примерно 0.1 сек после начала взрыва достигает примерно 8000 °С (для взрыва мощностью 20 кт). В этот момент мощность излучения облака взрыва максимальна. После этого температура видимой поверхности облака и, соответственно, излучаемая им энергия быстро падает. В результате, основная доля энергии излучения высвечивается за время меньшее одной секунды.

Формирование импульса теплового излучения и образование  ударной волны происходит на самых  ранних стадиях существования облака взрыва. Поскольку внутри облака содержится основная доля радиоактивных веществ, образующихся в ходе взрыва, дальнейшая его эволюция определяет формирование следа радиоактивных осадков. После  того как облако взрыва остывает настолько, что уже не излучает в видимой  области спектра, процесс увеличения его размеров продолжается за счет теплового расширения и оно начинает подниматься вверх. В процессе подъема  облако увлекает за собой значительную массу воздуха и грунта. В течение  нескольких минут облако достигает  высоты в несколько километров и  может достичь стратосферы. Скорость выпадения радиоактивных осадков  зависит от размера твердых частиц, на которых они конденсируются. Если в процессе своего формирования облако взрыва достигло поверхности, количество грунта, увлеченного при подъеме  облака, будет достаточно велико и  радиоактивные вещества оседают  в основном на поверхности частиц грунта, размер которых может достигать  нескольких миллиметров. Такие частицы  выпадают на поверхность в относительной  близости от эпицентра взрыва, причем за время выпадения их радиоактивность  практически не уменьшается.

В случае если облако взрыва не касается поверхности, содержащиеся в нем радиоактивные вещества конденсируются в гораздо меньшие частицы с характерными размерами 0.01-20 микрон. Поскольку такие частицы могут достаточно долго существовать в верхних слоях атмосферы, они рассеиваются над очень большой площадью и за время, прошедшее до их выпадения на поверхность, успевают потерять значительную долю своей радиоактивности. В этом случае радиоактивный след практически не наблюдается. Минимальная высота, взрыв на которой не приводит к образованию радиоактивного следа, зависит от мощности взрыва и составляет примерно 200 метров для взрыва мощностью 20 кт и около 1 км для взрыва мощностью 1 Мт Характеристика ядерных взрывов и их поражающих факторов. Военная энциклопедия //http://militarr.ru/?cat=1&paged=2 , 2009..

2. Ударная волна

Основные поражающие факторы -- ударная волна и световое излучение -- аналогичны поражающим факторам традиционных взрывчатых веществ, но значительно мощнее.

Ударная волна, формирующаяся  на ранних стадиях существования  облака взрыва, представляет собой  один из основных поражающих факторов атмосферного ядерного взрыва. Основными  характеристиками ударной волны  являются пиковое избыточное давление и динамическое давление во фронте волны. Способность объектов выдерживать  воздействие ударной волны зависит  от множества факторов, таких как  наличие несущих элементов, материал постройки, ориентация по отношению  ко фронту. Избыточное давление в 1 атм (15 фунтов/кв. дюйм), возникающее на расстоянии 2.5 км от наземного взрыва мощностью 1 Мт, способно разрушить многоэтажное здание из железобетона. Радиус области, в которой при взрыве в 1 Мт создается подобное давление составляет около 200 метров.

На начальных стадиях  существования ударной волны  ее фронт представляет собой сферу  с центром в точке взрыва. После  того как фронт достигает поверхности, образуется отраженная волна. Так как  отраженная волна распространяется в среде, через которую прошла прямая волна, скорость ее распространения  оказывается несколько выше. В  результате, на некотором расстоянии от эпицентра две волны сливаются  возле поверхности, образуя фронт, характеризуемый примерно в два  раза большими значениями избыточного  давления Российская энциклопедия по охране труда: В 3 т. -- 2-е изд., перераб. и доп. -- М. Изд-во НЦ ЭНАС, 2007..

Так, при взрыве 20-килотонного  ядерного боеприпаса ударная волна  за 2 секунды проходит 1000 м, за 5 секунд - 2000 м, за 8 сек - 3000 м. Передняя граница  волны называется фронтом ударной  волны. Степень поражения УВ зависит  от мощности и положения на ней  объектов. Поражающее действие УВ характеризуется  величиной избыточного давления.

Поскольку для взрыва данной мощности расстояние, на котором образуется подобный фронт, зависит от высоты взрыва, высоту взрыва можно подобрать для  получения максимальных значений избыточного  давления на определенной площади. Если целью взрыва является уничтожение  укрепленных военных объектов, оптимальная  высота взрыва оказывается очень малой, что неизбежно приводит к образованию значительного количества радиоактивных осадков.

3. Световое излучение

Световое излучение -- это поток лучистой энергии, включающий ультрафиолетовую, видимую и инфракрасную области спектра. Источником светового излучения является светящаяся область взрыва -- нагретые до высоких температур и испарившиеся части боеприпаса, окружающего грунта и воздуха. При воздушном взрыве светящаяся область представляет собой шар, при наземном -- полусферу.

Максимальная температура  поверхности светящейся области  составляет обычно 5700-7700 °С. Когда температура снижается до 1700°C, свечение прекращается. Световой импульс продолжается от долей секунды до нескольких десятков секунд, в зависимости от мощности и условий взрыва. Приближенно, продолжительность свечения в секундах равна корню третьей степени из мощности взрыва в килотоннах. При этом интенсивность излучения может превышать 1000 Вт/смІ (для сравнения -- максимальная интенсивность солнечного света 0,14 Вт/смІ).

Результатом действия светового  излучения может быть воспламенение  и возгорание предметов, оплавление, обугливание, большие температурные  напряжения в материалах.

При воздействии светового  излучения на человека возникает  поражение глаз и ожоги открытых участков тела и временное ослепление, а также может возникнуть поражение  и защищенных одеждой участков тела.

Ожоги возникают от непосредственного  воздействия светового излучения  на открытые участки кожи (первичные  ожоги), а также от горящей одежды, в очагах пожаров (вторичные ожоги). В зависимости от тяжести поражения  ожоги делятся на четыре степени: первая -- покраснение, припухлость и болезненность кожи; вторая -- образование пузырей; третья -- омертвление кожных покровов и тканей; четвертая -- обугливание кожи.

Ожоги глазного дна (при  прямом взгляде на взрыв) возможны на расстояниях, превышающих радиусы  зон ожогов кожи. Временное ослепление возникает обычно ночью и в  сумерки и не зависит от направления  взгляда в момент взрыва и будет  носить массовый характер. Днем оно  возникает лишь при взгляде на взрыв. Временное ослепление проходит быстро, не оставляет последствий, и  медицинская помощь обычно не требуется.

4. Проникающая радиация

Еще одним поражающим фактором ядерного оружия является проникающая  радиация, представляющая собой поток  высокоэнергетичных нейтронов и гамма-квантов, образующихся как непосредственно в ходе взрыва так и в результате распада продуктов деления. Наряду с нейтронами и гамма-квантами, в ходе ядерных реакций образуются также альфа- и бета-частицы, влияние которых можно не учитывать из-за того что они очень эффективно задерживаются на расстояниях порядка нескольких метров. Нейтроны и гамма-кванты продолжают выделяться в течение достаточно длительного времени после взрыва, оказывая воздействие на радиационную обстановку. К собственно проникающей радиации обычно относят нейтроны и гамма-кванты появляющиеся в течение первой минуты после взрыва. Подобное определение связано с тем, что за время порядка одной минуты облако взрыва успевает подняться на высоту, достаточную для того, чтобы радиационный поток на поверхности стал практически незаметен.

Интенсивность потока проникающей  радиации и расстояние на котором ее действие может нанести существенный ущерб, зависят от мощности взрывного устройства и его конструкции. Доза радиации, полученная на расстоянии около 3 км от эпицентра термоядерного взрыва мощностью 1 Мт достаточна для того чтобы вызвать серьезные биологические изменения в организме человека. Ядерное взрывное устройство может быть специально сконструировано таким образом, чтобы увеличить ущерб, наносимый проникающей радиацией по сравнению с ущербом, наносимым другими поражающими факторами (так называемое нейтронное оружие).

Процессы, происходящие в  ходе взрыва на значительной высоте, где  плотность воздуха невелика, несколько  отличаются от происходящих при проведении взрыва на небольших высотах. Прежде всего, из-за малой плотности воздуха поглощение первичного теплового излучения происходит на гораздо больших расстояниях и размер облака взрыва может достигать десятков километров. Существенное влияние на процесс формирования облака взрыва начинают оказывать процессы взаимодействия ионизированных частиц облака с магнитным полем Земли. Ионизированные частицы, образовавшиеся в ходе взрыва, оказывают также заметное влияние на состояние ионосферы, затрудняя, а иногда и делая невозможным распространение радиоволн (этот эффект может быть использован для ослепления радиолокационных станций).

Поражение человека проникающей  радиацией определяется суммарной  дозой, полученной организмом, характером облучения и его продолжительностью. В зависимости от длительности облучения приняты следующие суммарные дозы гамма-излучения, не приводящие к снижению боеспособности личного состава: однократное облучение (импульсное или в течение первых 4 сут.) --50 рад; многократное облучение (непрерывное или периодическое) в течение первых 30 сут. -- 100 рад, в течение 3 мес. -- 200 рад, в течение 1 года -- 300 рад.