Поражающие факторы ядерного взрыва

Виды ядерных взрывов

Виды ядерных взрывов. Развитие ядерного взрыва и образование поражающих факторов.

В зависимости от задач, решаемых применением ядерного оружия, ядерные взрывы могут производиться в воздухе, на поверхности земли и воды, под землей и водой. В соответствии с этим различают высотный, воздушный, наземный (надводный) и подземный (подводный) взрывы. Высотный ядерный взрыв — это взрыв, произведенный с целью уничтожения в полете ракет и самолетов на безопасной для наземных объектов высоте (свыше 10 км). Поражающими факторами высотного взрыва являются: ударная волна, световое излучение, проникающая радиация и электромагнитный импульс (ЭМИ). Воздушный ядерный взрыв — это взрыв, произведенный на высоте до 10 км, когда светящаяся область не касается земли (воды). Воздушные взрывы подразделяются на низкие и высокие. Сильное радиоактивное заражение местности образуется только вблизи эпицентров низких воздушных взрывов. Заражение местности по следу облака существенного влияния на действия личного состава не оказывает. Наиболее полно при воздушном ядерном взрыве проявляются ударная волна, световое излучение, проникающая радиация и ЭМИ. Наземный (надводный) ядерный взрыв — это взрыв, произведенный на поверхности земли (воды), при котором светящаяся область касается поверхности земли (воды), а пылевой (водяной) столб с момента образования соединен с облаком взрыва. Характерной особенностью наземного (надводного) ядерного взрыва является сильное радиоактивное заражение местности (воды} как в районе взрыва, так и по направлению движения облака взрыва. Поражающими факторами этого взрыва являются ударная волна, световое излучение, проникающая радиация, радиоактивное заражение местности и ЭМИ. Подземный (подводный) ядерный взрыв — это взрыв, произведенный под землей (под водой) и характеризующийся выбросом большого количества грунта (воды), перемешанного с продуктами ядерного взрывчатого вещества (осколками деления урана-235 или плутония-239). Поражающее и разрушающее действие подземного ядерного взрыва определяется в основном сейсмовзрывными волнами (основной поражающий фактор), образованием воронки в грунте и сильным радиоактивным заражением местности. Световое излучение и проникающая радиация отсутствуют. Характерным для подводного взрыва является образование султана (столба воды), базисной волны, образующейся при обрушении султана (столба воды). Воздушный ядерный взрыв начинается кратковременной ослепительной вспышкой, свет от которой можно наблюдать на расстоянии нескольких десятков и сот километров. Вслед за вспышкой появляется светящаяся область в виде сферы или полусферы (при наземном взрыве), являющаяся источником мощного светового излучения. Одновременно из зоны взрыва в окружающую среду распространяется мощный поток гамма-излучения и нейтронов, которые образуются в ходе цепной ядерной реакции и в процессе распада радиоактивных осколков деления ядерного заряда. Гамма-кванты и нейтроны, испускаемые при ядерном взрыве, называют проникающей радиацией. Под действием мгновенного гамма-излучения происходит ионизация атомов окружающей среды, которая приводит к возникновению электрических и магнитных полей. Эти поля ввиду их кратковременности действия принято называть электромагнитным импульсом ядерного взрыва. В центре ядерного взрыва температура мгновенно повышается до нескольких миллионов градусов, в результате чего вещество заряда превращается в высокотемпературную плазму, испускающую рентгеновское излучение. Давление газообразных продуктов вначале достигает нескольких миллиардов атмосфер. Сфера раскаленных газов светящейся области, стремясь расшириться, сжимает прилегающие слои воздуха, создает резкий перепад давления на границе сжатого слоя и образует ударную волну, которая распространяется от центра взрыва в различных направлениях. Так как плотность газов, составляющих огненный шар, намного ниже плотности окружающего воздуха, то шар быстро поднимается вверх. При этом образуется облако грибовидной формы, содержащее газы, пары воды, мелкие частицы грунта и огромное количество радиоактивных продуктов взрыва. По достижении максимальной высоты облако под действием воздушных течений переносится на большие расстояния, рассеивается и радиоактивные продукты выпадают на поверхность земли, создавая радиоактивное заражение местности и объектов.

Принцип действия

Для воздушного ядерного взрыва нужно создать определенные условия, провоцирующие детонацию. Обычно в качестве детонаторов используются тротил или гексоген, под воздействием которых радиоактивное вещество (обычно уран или плутоний) в течение 10 секунд сжимается до критической массы, а затем происходит мощный выброс энергии. Если бомба термоядерная, то в ней происходит процесс превращения легких элементов в более тяжелые. Выделяемая при этом энергия несет за собой еще более мощный взрыв.

Ядерный реактор может использоваться и в мирных целях, так как делением можно управлять. Для этого применяются устройства, поглощающие нейтроны. Процессы, протекающие в такой установке, все время находятся в равновесии. Даже если происходят какие-либо незначительные изменения в параметрах, система вовремя гасит их и возвращается в рабочий режим. В аварийных ситуациях автоматически сбрасываются элементы, останавливающие цепную реакцию.

Эпидемиологическая и экологическая обстановка

Ядерный взрыв в населённом пункте, как и другие катастрофы, связанные с большим количеством жертв, разрушением вредных производств и пожарами, приведёт к тяжёлым условиям в районе его действия, что будет вторичным поражающим фактором. Люди, даже не получившие значительных поражений непосредственно от взрыва, с большой вероятностью могут погибнуть от инфекционных заболеваний и химических отравлений. Велика вероятность сгореть в пожарах или просто расшибиться при попытке выйти из завалов.

Ядерная атака атомной электростанции может поднять в воздух значительно больше радиоактивных веществ, чем может дать сама бомба. При прямом попадании заряда и испарении реактора или хранилища радиоактивных материалов площадь земель, в течение многих десятков лет непригодных для жизни, будет в сотни—тысячи раз больше площади заражения от наземного ядерного взрыва. Например, при испарении реактора мощностью 100 МВт ядерным взрывом в 1 мегатонну и, просто при наземном ядерном взрыве 1 Мт, соотношение площадей территории со средней дозой 2 рад (0,02 Грей) в год будет следующим: через 1 год после атаки — 130 000 км² и 15 000 км²; через 5 лет — 60 000 км² и 90 км²; через 10 лет — 50 000 км² и 15 км²; через 100 лет — 700 км² и 2 км².

Опыт недавних врагов и союзников

Естественно, советское руководство не могло оставаться безразличным и к немецким атомным разработкам. По окончании войны в Германию была направлена группа советских физиков, среди которых были будущие академики Арцимович, Кикоин, Харитон, Щелкин. Все были закамуфлированы в форму полковников Красной армии. Операцией руководил первый заместитель наркома внутренних дел Иван Серов, что открывало любые двери. Кроме нужных немецких ученых «полковники» разыскали тонны металлического урана, что, по признанию Курчатова, сократило работу над советской бомбой не менее чем на год. Немало урана из Германии вывезли и американцы, прихватив и специалистов, работавших над проектом. А в СССР, помимо физиков и химиков, отправляли механиков, электротехников, стеклодувов. Некоторых находили в лагерях военнопленных. Например, Макса Штейнбека, будущего советского академика и вице-президента АН ГДР, забрали, когда он по прихоти начальника лагеря изготовлял солнечные часы. Всего по атомному проекту в СССР работали не менее 1000 немецких специалистов. Из Берлина была целиком вывезена лаборатория фон Арденне с урановой центрифугой, оборудование Кайзеровского института физики, документация, реактивы. В рамках атомного проекта были созданы лаборатории «А», «Б», «В» и «Г», научными руководителями которых стали прибывшие из Германии ученые.

К.А. Петржак и Г. Н. Флеров В 1940 году в лаборатории Игоря Курчатова двумя молодыми физиками был открыт новый, очень своеобразный вид радиоактивного распада атомных ядер — спонтанное деление.

Лабораторией «А» руководил барон Манфред фон Арденне, талантливый физик, разработавший метод газодиффузионной очистки и разделения изотопов урана в центрифуге. Поначалу его лаборатория располагалась на Октябрьском поле в Москве. К каждому немецкому специалисту было приставлено по пять-шесть советских инженеров. Позже лаборатория переехала в Сухуми, а на Октябрьском поле со временем вырос знаменитый Курчатовский институт. В Сухуми на базе лаборатории фон Арденне сложился Сухумский физико-технический институт. В 1947 году Арденне удостоился Сталинской премии за создание центрифуги для очистки изотопов урана в промышленных масштабах. Через шесть лет Арденне стал дважды Сталинским лауреатом. Жил он с женой в комфортабельном особняке, жена музицировала на привезенном из Германии рояле. Не были обижены и другие немецкие специалисты: они приехали со своими семьями, привезли с собой мебель, книги, картины, были обеспечены хорошими зарплатами и питанием. Были ли они пленными? Академик А.П. Александров, сам активный участник атомного проекта, заметил: «Конечно, немецкие специалисты были пленными, но пленными были и мы сами».

Николаус Риль, уроженец Санкт-Петербурга, в 1920-е годы переехавший в Германию, стал руководителем лаборатории «Б», которая проводила исследования в области радиационной химии и биологии на Урале (ныне город Снежинск). Здесь с Рилем работал его старый знакомый еще по Германии, выдающийся русский биолог-генетик Тимофеев-Ресовский («Зубр» по роману Д. Гранина).

Отто Ган В декабре 1938 года немецкие физики Отто Ган и Фриц Штрассман впервые в мире осуществили искусственное расщепление ядра атома урана.

Получив признание в СССР как исследователь и талантливый организатор, умеющий находить эффективные решения сложнейших проблем, доктор Риль стал одной из ключевых фигур советского атомного проекта. После успешного испытания советской бомбы он стал Героем Социалистического Труда и лауреатом Сталинской премии.

Работы лаборатории «В», организованной в Обнинске, возглавил профессор Рудольф Позе, один из пионеров в области ядерных исследований. Под его руководством были созданы реакторы на быстрых нейтронах, первая в Союзе АЭС, началось проектирование реакторов для подводных лодок. Объект в Обнинске стал основой для организации Физико-энергетического института имени А.И. Лейпунского. Позе работал до 1957 года в Сухуми, затем — в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне.

Тоцкие войсковые учения

14 сентября 1954 года на Тоцком полигоне Оренбургской области под командованием маршала Жукова были проведены войсковые тактические учения с применением ядерного оружия. Учения получили кодовое название «Снежок», в них участвовало около 45 тыс. солдат. Тоцкий полигон был выбран не случайно. Он напоминал рельеф Западной Европы, которая рассматривалась как вероятное место начала Третьей мировой войны. Основная цель учения — отработка действий войск для прорыва подготовленной обороны противника с применением атомного оружия.

В 9 часов 34 минуты 14 сентября самолет Ту-4 сбросил с высоты 8 км атомную бомбу. Она взорвалась на высоте 350 м от поверхности. Через пять минут началась артиллерийская подготовка, а затем удары бомбардировочной авиации. Отдельные самолеты при полете для нанесения удара по наземным целям на 20-й минуте после атомного взрыва вынуждены были пересечь ножку «атомного гриба». Личный состав был поднят на технику, наступление продолжилось в колоннах.

Спустя 50 лет появились утверждения в некоторых СМИ, что в результате испытания ядерного оружия 14 сентября 1954 года 45 тыс. солдат и 10 тыс. мирных жителей якобы были подвержены ядерному облучению в качестве эксперимента. О степени опасности ядерного взрыва им не сообщили.

Высотные взрывы

После бомбардировки японских городов ядерное оружие не применялось в боевых целях, но исследование его возможностей продолжалось в разных местах. Учения в атмосфере позволили понять, что происходит при взрыве на высоте. Оказалось, что при нахождении центра в 10 км от поверхности земли возникает сравнительно небольшая по силе волна ядерного взрыва, но световое и радиационное излучение при этом увеличиваются. Чем выше был произведен взрыв, тем сильнее повышается ионизация, что сопровождается выходом из строя радиотехнических средств.

С поверхности все это выглядит как большая яркая вспышка, сменяющаяся облаком испаряющихся молекул водорода, углерода и азота. Поток воздуха при этом не достигает земли, поэтому столба пыли не возникает. Также практически не происходит заражения территории, поскольку на большой высоте воздушные массы перемещаются слабо, поэтому целью такого ядерного взрыва может являться поражение самолетов, ракет или спутников.

Огненный шар

Казалось бы, даже и мягкое, но двигающееся со скоростью света излучение должно оставить далеко позади вещество, которое его породило, но это не так: в холодном воздухе пробег квантов кэвных энергий составляет сантиметры, и двигаются они не по прямой, а меняя направление движения, переизлучаясь при каждом взаимодействии. Кванты ионизируют воздух, распространяются в нем, подобно вишневому соку, вылитому в стакан с водой. Это явление называют радиационной диффузией.

Молодой огненный шар взрыва мощностью в 100 кт через несколько десятков наносекунд после завершения вспышки делений имеет радиус 3 м и температуру почти 8 млн кельвинов. Но уже через 30 микросекунд его радиус составляет 18 м, правда, температура спускается ниже миллиона градусов. Шар пожирает пространство, а ионизованный воздух за его фронтом почти не двигается: передать ему значительный импульс при диффузии излучение не может. Но оно накачивает в этот воздух огромную энергию, нагревая его, и, когда энергия излучения иссякает, шар начинает расти за счет расширения горячей плазмы, распираемой изнутри тем, что раньше было зарядом. Расширяясь, подобно надуваемому пузырю, плазменная оболочка истончается. В отличие от пузыря, ее, конечно, ничто не надувает: с внутренней стороны почти не остается вещества, все оно летит от центра по инерции, но через 30 микросекунд после взрыва скорость этого полета — более 100 км/с, а гидродинамическое давление в веществе — более 150 000 атм! Стать чересчур уж тонкой оболочке не суждено, она лопается, образуя «волдыри».

Нейтронный источник В вакуумной нейтронной трубке между насыщенной тритием мишенью (катодом) 1 и анодным узлом 2 прикладывается импульсное напряжение в сотню киловольт. Когда напряжение максимально, необходимо, чтобы между анодом и катодом оказались ионы дейтерия, которые и требуется ускорить. Для этого служит ионный источник. На его анод 3 подается поджигающий импульс, и разряд, проходя по поверхности насыщенной дейтерием керамики 4, образует ионы дейтерия. Ускорившись, они бомбардируют мишень, насыщенную тритием, в результате чего выделяется энергия 17,6 МэВ и образуются нейтроны и ядра гелия-4.
По составу частиц и даже по энергетическому выходу эта реакция идентична синтезу — процессу слияния легких ядер. В 1950-х многие так и считали, но позже выяснилось, что в трубке происходит «срыв»: либо протон, либо нейтрон (из которых состоит ион дейтерия, разогнанный электрическим полем) «увязает» в ядре мишени (трития). Если увязает протон, то нейтрон отрывается и становится свободным.

Какой из механизмов передачи энергии огненного шара окружающей среде превалирует, зависит от мощности взрыва: если она велика — основную роль играет радиационная диффузия, если мала — расширение плазменного пузыря. Понятно, что возможен и промежуточный случай, когда эффективны оба механизма.

Процесс захватывает новые слои воздуха, энергии на то, чтобы ободрать все электроны с атомов, уже не хватает. Иссякает энергия ионизованного слоя и обрывков плазменного пузыря, они уже не в силах двигать перед собой огромную массу и заметно замедляются. Но то, что до взрыва было воздухом, движется, оторвавшись от шара, вбирая в себя все новые слои воздуха холодного… Начинается образование ударной волны.

Ударная волна и атомный гриб

При отрыве ударной волны от огненного шара меняются характеристики излучающего слоя и резко возрастает мощность излучения в оптической части спектра (так называемый первый максимум). Далее конкурируют процессы высвечивания и изменения прозрачности окружающего воздуха, что приводит к реализации и второго максимума, менее мощного, но значительно более длительного — настолько, что выход световой энергии больше, чем в первом максимуме.

Вблизи взрыва все окружающее испаряется, подальше — плавится, но и еще дальше, где тепловой поток уже недостаточен для плавления твердых тел, грунт, скалы, дома текут, как жидкость, под чудовищным, разрушающим все прочностные связи напором газа, раскаленного до нестерпимого для глаз сияния.

Наконец, ударная волна уходит далеко от точки взрыва, где остается рыхлое и ослабевшее, но расширившееся во много раз облако из конденсировавшихся, обратившихся в мельчайшую и очень радиоактивную пыль паров того, что побывало плазмой заряда, и того, что в свой страшный час оказалось близко к месту, от которого следовало бы держаться как можно дальше. Облако начинает подниматься вверх. Оно остывает, меняя свой цвет, «надевает» белую шапку сконденсировавшейся влаги, за ним тянется пыль с поверхности земли, образуя «ножку» того, что принято называть «атомным грибом».

Разработка и первые испытания водородной бомбы

В результате тщательного теоретического анализа, специалисты из СССР и США пришли к выводу, что смесь дейтерия и трития позволяет легче всего запускать реакцию термоядерного синтеза. Вооружившись этими знаниями, учёные из США в 50-х годах прошлого века принялись за создание водородной бомбы. И уже весной 1951 года, на полигоне Эниветок (атолл в Тихом океане) было проведено тестовое испытание, однако тогда удалось добиться лишь частичного термоядерного синтеза.

Прошло ещё чуть более года, и в ноябре 1952 года было проведено второе испытание водородной бомбы мощностью порядка 10 Мт в тротиловом эквиваленте. Однако тот взрыв трудно назвать взрывом термоядерной бомбы в современном понимании: по сути, устройство представляло собой крупную ёмкость (размером с трёхэтажный дом), наполненную жидким дейтерием.

В России тоже взялись за усовершенствование атомного оружия, и первая водородная бомба проекта А.Д. Сахарова была испытана на Семипалатинском полигоне 12 августа 1953 года. РДС-6 (данный тип оружия массового поражения прозвали «слойкой» Сахарова, так как его схема подразумевала последовательное размещение слоёв дейтерия, окружающих заряд-инициатор) имела мощность 10 Мт. Однако в отличие от американского «трёхэтажного дома», советская бомба была компактной, и её можно было оперативно доставить к месту выброски на территории противника на стратегическом бомбардировщике.

Приняв вызов, США в марте 1954 произвели взрыв более мощной авиабомбы (15 Мт) на испытательном полигоне на атолле Бикини (Тихий океан). Испытание стало причиной выброса в атмосферу большого количества радиоактивных веществ, часть из которых выпало с осадками за сотни километров от эпицентра взрыва. Японское судно «Счастливый дракон» и приборы, установленные на острове Рогелап, зафиксировали резкое повышение радиации.

Так как в результате процессов, происходящих при детонации водородной бомбы, образуется стабильный, безопасный гелий, ожидалось, что радиоактивные выбросы не должны превышать уровень загрязнения от атомного детонатора термоядерного синтеза. Но расчёты и замеры реальных радиоактивных осадков сильно разнились, причём как по количеству, так и по составу. Поэтому в руководстве США было принято решение временно приостановить проектирование данного вооружения до полного изучения его влияния на окружающую среду и человека.

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:

1. Проникающая радиация, исходящая из центра взрыва, проходит через протяженные проводящие предметы.
2. Гамма-кванты рассеиваются на свободных электронах, что приводит к появлению быстро изменяющегося токового импульса в проводниках.
3. 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.

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.

Принцип работы

Принцип действия – объединение зарядов для создания критической массы и последующей цепной реакции

Принцип работы атомной бомбы основан на цепной реакции распада тяжелых ядер или термоядерном синтезе легких. В ходе данных процессов выделяется огромное количество энергии, которая и превращает бомбу в оружие массового поражения.

Принцип взрыва ядерной бомбы имеет несколько поражающих факторов:

• световая вспышка;
• радиоактивное заражение;
• ударная волна;
• проникающая радиация;
• электромагнитный импульс.

Опасность представляет и радиация: в течение минуты ее проникающая способность самая высокая. В дальнейшем она вызывает лучевую болезнь у людей и животных.

Ударная волна имеет высокую степень поражения на расстоянии в несколько сотен метров от эпицентра. В данном радиусе не остается ничего живого или целого. По мере удаления от центра, снижается и степень повреждений.

Электромагнитный импульс (ЭМИ) — самое «безобидное» следствие ядерного взрыва, приводит к отключению электроники. Вред живым организмам наносит в случае их зависимости от электронных аппаратов. При этом ламповая и фотонная аппаратура имеет хорошую устойчивость к ЭМИ.