Поражающие факторы ядерного взрыва

Содержание:

Электромагнитный импульс
Электромагнитный импульс
Как устроена атомная бомба?
Какие бывают ядерные взрывы?
Атом в мирных целях
Классификация
Световое излучение
Литература
Из истории данного вопроса
Поражающие факторы ядерного взрыва
Радиоактивное заражение

Электромагнитный импульс

Основная статья: Электромагнитный импульс (поражающий фактор)

Зарево, возникшее в результате высотного ядерного взрыва Starfish Prime

При ядерном взрыве в результате сильных токов в ионизированном радиацией и световым излучением в воздухе возникает сильнейшее переменное электромагнитное поле, называемое электромагнитным импульсом (ЭМИ). Хотя оно и не оказывает никакого влияния на человека, воздействие ЭМИ повреждает электронную аппаратуру, электроприборы и линии электропередач. Помимо этого, большое количество ионов, возникшее после взрыва, препятствует распространению радиоволн и работе радиолокационных станций. Этот эффект может быть использован для ослепления системы предупреждения о ракетном нападении.

Сила ЭМИ меняется в зависимости от высоты взрыва: в диапазоне ниже 4 км он относительно слаб, сильнее при взрыве 4-30 км, и особенно силён при высоте подрыва более 30 км (см., например, эксперимент по высотному подрыву ядерного заряда Starfish Prime).

Возникновение ЭМИ происходит следующим образом:

Проникающая радиация, исходящая из центра взрыва, проходит через протяженные проводящие предметы.
Гамма-кванты рассеиваются на свободных электронах, что приводит к появлению быстро изменяющегося токового импульса в проводниках.
Вызванное токовым импульсом поле излучается в окружающее пространство и распространяется со скоростью света, со временем искажаясь и затухая.

Под воздействием ЭМИ во всех не экранированных протяжённых проводниках индуцируется напряжение, и чем длиннее проводник, тем выше напряжение. Это приводит к пробою изоляции и выходу из строя электроприборов, связанных с кабельными сетями, например, трансформаторные подстанции и т. д.

Большое значение ЭМИ имеет при высотном взрыве от 100 км и более. При взрыве в приземном слое атмосферы не оказывает решающего поражения малочувствительной электротехники, его радиус действия перекрывается другими поражающими факторами. Но зато оно может нарушить работу и вывести из строя чувствительную электроаппаратуру и радиотехнику на значительных расстояниях — вплоть до нескольких десятков километров от эпицентра мощного взрыва, где прочие факторы уже не приносят разрушающий эффект. Может вывести из строя незащищённую аппаратуру в прочных сооружениях, рассчитанных на большие нагрузки от ядерного взрыва (например ШПУ). На людей поражающего действия не оказывает.

Электромагнитный импульс

В шаге от ядерного апокалипсиса

Основная статья: Электромагнитный импульс (поражающий фактор)

Зарево, возникшее в результате высотного ядерного взрыва Starfish Prime

Возникновение ЭМИ происходит следующим образом:

Проникающая радиация, исходящая из центра взрыва, проходит через протяженные проводящие предметы.
Гамма-кванты рассеиваются на свободных электронах, что приводит к появлению быстро изменяющегося токового импульса в проводниках.
Вызванное токовым импульсом поле излучается в окружающее пространство и распространяется со скоростью света, со временем искажаясь и затухая.

Под воздействием ЭМИ во всех неэкранированных протяжённых проводниках индуцируется напряжение, и чем длиннее проводник, тем выше напряжение. Это приводит к пробоям изоляции и выходу из строя электроприборов связанных с кабельными сетями, например, трансформаторные подстанции и т. д.

Как устроена атомная бомба?

В космосе зафиксирован самый мощный взрыв со времен большого взрыва

Ядерный взрыв – это хаотичный процесс освобождения колоссального количества энергии, которая образуется в результате ядерной реакции деления или синтеза. Аналогичные и сопоставимые по мощности процессы происходят в недрах звезд.

Ядро атома любого вещества делится при поглощении нейтронов, но для большинства элементов периодической таблицы для этого необходимо затратить значительную энергию. Однако существуют элементы, способные к подобной реакции под воздействием нейтронов, которые обладают любой – даже минимальной – энергией. Они называются делящимися.

Главной особенностью ядерной реакции является ее цепной, то есть самоподдерживающийся характер. При облучении атома нейтронами он распадается на два осколка с выделением большого количества энергии, а также двух вторичных нейтронов, которые, в свою очередь, способны вызывать деление соседних ядер. Так процесс становится каскадным. В результате цепной ядерной реакции за короткий промежуток времени в очень ограниченном объеме образуется колоссальное количество «осколков» распавшихся ядер и атомов в виде высокотемпературной плазмы: нейтронов, электронов и квантов электромагнитного излучения. Этот сгусток стремительно расширяется, образуя ударную волну огромной разрушительной силы.

Устройство первой советской ядерной бомбы

Подавляющая часть современного ядерного оружия работает не на основе цепной реакции распада, а за счет слияния ядер легких элементов, которые начинаются при высоких температурах и огромном давлении. При этом происходит выделение еще большего количества энергии, чем во время распада ядер типа урана или плутония, но принципиально результат не изменяется – образуется область высокотемпературной плазмы. Подобные превращения носят название реакции термоядерного синтеза, а заряды, в которых они используются, — термоядерные.

Отдельно следует сказать о специальных видах ЯО, у которых большая часть энергии деления (или синтеза) направлена на один из факторов поражения. К ним относятся нейтронные боеприпасы, порождающие поток жесткого излучения, а также так называемая кобальтовая бомба, дающая максимальное радиационное заражение местности.

Какие бывают ядерные взрывы?

Литосфера. строение литосферы. факторы рельефообразования

Существует две основные классификации ядерных взрывов:

по мощности;
по месторасположению (точке расположения заряда) в момент взрыва.

Для оценки этого параметра используется тротиловый эквивалент. Он показывает, сколько нужно взорвать тринитротолуола, чтобы получить сопоставимую энергию. Согласно этой классификации, бывают следующие виды ядерных взрывов:

сверхмалые;
малые;
средние;
большие;
сверхбольшие.

При сверхмалом (до 1 кТ) взрыве образуется огненный шар диаметром не более 200 метров и грибовидное облако с высотой 3,5 км. Сверхбольшие — имеют мощность более 1 мТ, их огненный шар превышает 2 км, а высота облака – 8,5 км.

Различные виды ядерных взрывов

Не менее важной особенностью является месторасположение ядерного заряда перед взрывом, а также среда, в которой он происходит. Исходя из этого, различают следующие виды ядерных взрывов:

Атмосферный. Его центр может находиться на высоте от нескольких метров до десятков, а то и сотен километров над поверхностью земли. В последнем случае он относится к категории высотных (от 15 до 100 км). Воздушный ядерный взрыв имеет сферическую форму вспышки;
Космический. Для попадания в эту категорию, он должен иметь высоту больше 100 км;
Наземный. К этой группе относятся не только взрывы на поверхности земли, но и на высоте несколько метров над ней. Они проходят как с выбросом грунта, так и без него;
Подземный. После подписания Договора о запрете испытаний ЯО в атмосфере, на земле, под водой и в космосе (1963 год) подобный тип стал единственно возможным при испытаниях ядерных зарядов. Он проводится на разной глубине, от нескольких десятков до сотен метров. Под толщей земли образуется полость или столб обрушения, сила ударной волны значительно ослабляется (зависит от глубины);
Надводный. В зависимости от высоты он может быть бесконтактным и контактным. В последнем случае происходит образование подводной ударной волны;
Подводный. Его глубина бывает разной, от десятков до многих сотен метров. Исходя из этого, имеет свои особенности: наличие или отсутствие «султана», характер радиоактивного заражения и др.

Атом в мирных целях

Энергия цепной ядерной реакции – это самая мощная сила, доступная сегодня человеку. Неудивительно, что ее попытались приспособить для выполнения мирных задач. Особенно много подобных проектов разрабатывалось в СССР. Из 135 взрывов, проведенных в Советском Союзе с 1965 по 1988 год, 124 относились к «мирным», а остальные были выполнены в интересах военных.

Их хотели использовать для поворота сибирских рек на юг страны, с их помощью собирались рыть каналы. Правда, для подобных проектов думали пустить в дело небольшие по мощности «чистые» заряды, создать которые так и не получилось.

В СССР разрабатывались десятки проектов подземных ядерных взрывов для добычи полезных ископаемых. Их намеревались использовать для повышения отдачи нефтеносных месторождений. Таким же образом хотели перекрывать аварийные скважины. В Донбассе провели подземный взрыв для удаления метана из угленосных слоев.

Карта «мирных» ядерных взрывов на территории СССР

Ядерные взрывы послужили и на благо теоретической науки. С их помощью изучалось строение Земли, различные сейсмические процессы, происходящие в ее недрах. Были предложения путем подрыва ЯО бороться с землетрясениями.

Мощь, скрытая в атоме, привлекала не только советских ученых. В США разрабатывался проект космического корабля, тягу которого должна была создавать энергия атома: до реализации дело не дошло.

До сих пор значение советских экспериментов в этой области не оценено по достоинству. Информация о ядерных взрывах в СССР по большей части закрыта, о некоторых подобных проектах мы почти ничего не знаем. Сложно определить их научное значение, а также возможную опасность для окружающей среды.

Ядерное оружие – это самое страшное изобретение человечества, а его взрыв – наиболее «инфернальное» средство уничтожения из всех существующих на земле. Создав его, человечество приблизилось к черте, за которой может быть конец нашей цивилизации. И пускай сегодня нет напряженности Холодной войны, но угроза от этого не стала меньшей.

В наши дни самая большая опасность – это дальнейшее бесконтрольное распространение ядерного оружия. Чем больше государств будут им обладать, тем выше вероятность, что кто-то не выдержит и нажмет пресловутую «красную кнопку». Тем более, что сегодня заполучить бомбу пытаются наиболее агрессивные и маргинальные режимы на планете.

Автор статьи:

Егоров Дмитрий

Увлекаюсь военной историей, боевой техникой, оружием и другими вопросами, связанными с армией. Люблю печатное слово во всех его формах.

Классификация

Приведённая высота (глубина) заряда в метрах на тонны тротилового эквивалента в кубическом корне (в скобках пример для взрыва мощностью 1 мегатонна), (С. 26):

На малой глубине: менее 0,3 м/т1/3 — вода испаряется до поверхности и столб воды (взрывной султан) не образуется, 90 % радиоактивных загрязнений уходит с облаком, 10 % остаётся в воде (менее 30 м)
C образованием взрывного султана и облака султана: 0,25–2,2 м/т1/3 (25–220 м)
Глубоководный: глубже 2,5 м/т1/3 — когда образующийся пузырь выходит на поверхность с образованием султана, но без облака, 90 % радиоактивных продуктов остаётся в воде в районе взрыва и не более 10 % выходит с брызгами базисной волны (глубже 250 м).

Возможен также переходный случай между подводным и наземным ядерным взрывом, при котором образуется подводная донная воронка и происходит выброс воды и грунта:

при подводном придонном взрыве(С. 308), причём если взрыв в неглубоком водоёме и на расстоянии от дна до 0,1–0,2 м/т1/3 (до 10–20 м), то грунт из подводной воронки попадает в облако взрыва и служит источником заражения.

Световое излучение

Основная статья: Световое излучение (поражающий фактор)

Самое страшное проявление взрыва — не гриб, а быстротечная вспышка и образованная ею ударная волна

Образование головной ударной волны (эффект Маха) при взрыве 20 кт

Разрушения в Хиросиме в результате атомной бомбардировки

Жертва ядерной бомбардировки Хиросимы

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 °C. 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/см² (для сравнения — максимальная интенсивность солнечного света 0,14 Вт/см²).

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, а также может возникнуть поражение и защищенных одеждой участков тела.

Защитой от воздействия светового излучения может служить произвольная непрозрачная преграда.

В случае наличия тумана, дымки, сильной запыленности и/или задымленности воздействие светового излучения также снижается.

Литература

↑
Физика ядерного взрыва. В 5 т. — 3-е, дополненное / Министерство обороны РФ. 12 Центральный НИИ. — М.: Издательство физико-математической литературы, 2009. — Т. 1. Развитие взрыва. — 832 с. — ISBN 978-5-94052-177-8 (Т. 1).
Защита от оружия массового поражения. М., Воениздат, 1989.
↑
Действие ядерного оружия. Пер. с англ = The Effects of Nuclear Weapons. Revised Edition. — М.: Воениздат, 1963. — 684 с.
↑
Подводные и подземные взрывы. Сборник статей. Пер. с англ / В. Н. Николаевский. — М.: «Мир», 1974. — 414 с.
Яковлев Ю. С. Гидродинамика взрыва. — Л.: Судпромгиз, 1961. — 313 с.
↑
Действие атомного оружия. Пер. с англ. — М.: Изд-во иностр. лит., 1954. — 439 с.
Коул Р. Подводные взрывы. пер. с англ = Cole R.H. Underwater explosions. 1948. — М.: Издательство иностранной литературы, 1950. — 496 с.
↑
Орленко Л. П. Физика взрыва и удара: Учебное пособие для вузов. — М.: ФИЗМАЛИТ, 2006. — 304 с. — ISBN 5-9221-0638-4.
Христофоров Б.Д. Подводные ядерные взрывы // Ядерные испытания в Арктике. — 2004. — Т. 2.
↑
Механическое действие ядерного взрыва. — М.: ФИЗМАЛИТ, 2002. — 384 с. — ISBN 5-9221-0261-3.
↑
Механическое действие взрыва: Сборник / Ин-т динамики геосфер РАН. — М., 1994. — 390 с.
Замышляев Б. В., Яковлев Ю. С. Динамические нагрузки при подводном взрыве. — Л.: Судостроение, 1967. — 388 с.
↑
Действие ядерного оружия. Пер. с англ. М., Воениздат, 1960.
↑
Физика ядерного взрыва. — М.: Министерство обороны РФ, ЦФТИ, 1997. — Т. 1. — ISBN 5-02-015118-1.

Из истории данного вопроса

Конец XIX и первая четверть XX столетия стали для ядерной физики периодом невиданных прорывов и удивительных свершений. Уже к середине 30-х годов ученые сделали практически все теоретические открытия, позволяющие создать ядерный заряд. В начале 30-х впервые было расщеплено атомное ядро, а в 1934 году венгерский физик Силард запатентовал конструкцию ядерного реактора.

В 1938 году трое немецких ученых – Фриц Штрассман, Отто Ган и Лиза Мейтнер – открыли процесс расщепления урана при бомбардировке нейтронами. Это была последняя остановка на пути к Хиросиме, вскоре французский физик Фредерик Жолио-Кюри получил патент на конструкцию урановой бомбы. В 1941 году Ферми закончил теорию цепной ядерной реакции.

Роберт Оппенгеймер — отец американской ядерной бомбы

В это время мир неумолимо скатывался к новой глобальной войне, поэтому изыскания ученых, направленные на создание оружия невиданной сокрушительной силы, не могли остаться незамеченными. Большой интерес к подобным исследованиям проявляло руководство гитлеровской Германии. Обладая великолепной научной школой, эта страна вполне могла первой создать ядерное оружие. Подобная перспектива сильно тревожила ведущих ученых, большинство из которых были настроены крайне антигермански. В августе 1939 года Альберт Эйнштейн по просьбе своего друга Силарда написал письмо президенту США, где указывал на опасность появления у Гитлера ядерной бомбы. Результатом этой переписки стал сначала «Урановый комитет», а затем и «Манхеттенский проект», который и привел к созданию американского ядерного оружия. В 1945 году США имели уже три бомбы: плутониевую «Штучку» (Gadget) и «Толстяка» (Fat boy), а также уранового «Малыша» (Little boy). «Родителями» американского ЯО считаются ученые Ферми и Оппенгеймер.

В 1949 году ЯО появилось у Советского Союза. В 1952 году американцы впервые провели испытания первого устройства, в основе работы которого лежали реакции ядерного синтеза, а не распада. Вскоре термоядерная бомба была создана и в СССР.

В 1954 году американцы взорвали устройство, эквивалентом 15 мегатонн тринитротолуола. Но самый мощный ядерный взрыв в истории состоялся несколькими годами позже – на Новой Земле подорвали пятидесятимегатонную «Царь-бомбу».

К счастью, и в СССР, и в США быстро поняли, к чему способна привести масштабная ядерная война. Поэтому в 1967 году сверхдержавы подписали Договор о нераспространении ЯО. Позже был выработан еще ряд соглашений, касающихся данной области: ОСВ-I и ОСВ-II, СНВ-I и СНВ-II, др.

Советская «Царь-бомба» АН 602 мощностью 58 мегатонн, взорванная 30 октября 1961 года на Новой Земле

Поражающие факторы ядерного взрыва

ударная волна
световое излучение
проникающая радиация
радиоактивное заражение
электромагнитный импульс (ЭМИ)
вторичные поражающие факторы

Ударная волна

Изменение давления в фиксированной точке на местности в зависимости от времени и действия ударной волны на местные предметы: 1 — фронт ударной волны; 2 — кривая изменения давления

_ф_ск_у.в._ф_ф_ф_ф_ф22
_ск_у.в._у.в._ф

Проникающая радиация

Альфа-излучение Бета-излучениеГамма-излучениеНейтронное излучение

-1грей (Гр)_R

-1зиверт (Зв)
_j_n

менее 10 кэВ — 5
от 10 кэВ до 100 кэВ — 10
от 100 кэВ до 2 МэВ — 20
от 2 МэВ до 20 МэВ — 10
более 20 МэВ — 5.

лучевая болезнь
Необратимые измененияОбратимые изменения

Радиоактивное заражение местности

_1/2_1/2_1/2

След радиоактивного облака наземного ядерного взрыва с уровнем радиации на 1 ч после взрыва:
1 — направление среднего ветра; 2 — ось следа; 3 — наветренная сторона; 4 — подветренная сторона
А — зона умеренного заражения; Б — зона сильного заражения; В — зона опасного заражения; Г — зона чрезвычайно опасного заражения
L — длина следа; b — ширина следа

Зона умеренного заражения (зона А) Зона сильного заражения (зона Б)Зона опасного заражения (зона В)Зона чрезвычайно опасного заражения (зона Г)
_∞_t_t_t-1/2

Изменение уровня радиации во времени в точке на местности, зараженной радиоактивными веществами (заштрихованная площадь — доза излучения)

_t-1/2₁₀₁₀₁₀_{осл(защ)}

Электромагнитный импульс (ЭМИ)

Основные варианты ЭМИ-обстановки
1 — ЭМИ-обстановка района источника и образования полей излучения наземного и воздушного взрывов; 2 — подземная ЭМИ-обстановка на некотором расстоянии от взрыва вблизи поверхности; 3 — ЭМИ-обстановка высотного взрыва

амплитуда импульса

Изменение напряженности поля электромагнитного импульса:
а — начальная фаза; б — основная фаза; в — длительность первого квазиполупериода

Радиоактивное заражение

Основная статья: Радиоактивное заражение

Кратер от взрыва 104-килотонного заряда. Выбросы грунта также служат источником заражения

Радиоактивное заражение — это результат выпадения из поднятого в воздух облака значительного количества радиоактивных веществ. Три основных источника радиоактивных веществ в зоне взрыва — продукты деления ядерного горючего, не вступившая в реакцию часть ядерного заряда и радиоактивные изотопы, образовавшиеся в грунте и других материалах под воздействием нейтронов (наведенная радиоактивность).

Оседая на поверхность земли по направлению движения облака, продукты взрыва создают радиоактивный участок, называемый радиоактивным следом. Плотность заражения в районе взрыва и по следу движения радиоактивного облака убывает по мере удаления от центра взрыва. Форма следа может быть самой разнообразной в зависимости от окружающих условий, например, скорости и направления ветра.

Радиоактивные продукты взрыва испускают три вида излучения: альфа, бета и гамма. Время их воздействия на окружающую среду весьма продолжительно. В связи с естественным процессом радиоактивного распада интенсивность излучения уменьшается, особенно резко это происходит в первые часы после взрыва.

Поражение людей и животных воздействием радиационного заражения может вызываться внешним и внутренним облучением. Тяжелые случаи могут сопровождаться лучевой болезнью и летальным исходом.

Установка на боевую часть ядерного заряда оболочки из кобальта вызывает заражение территории опасным изотопом 60Co (гипотетическая грязная бомба).