Поражающие факторы ядерного взрыва

Из всех современных видов оружия наибольшим поражающим эффектом обладает ядерное оружие, основанное на использовании энергии, выделяемой при цепных ядерных реакциях деления ядер атомов тяжелых элементов (урана или плутония) или при термоядерных реакциях синтеза ядер атомов легких элементов (дейтерия, трития, лития).

Мощность ядерных боеприпасов q принято характеризовать троти-ловым эквивалентом - массой обычного взрывчатого материала (тротила), энергия взрыва которого эквивалентна энергии взрыва данного ядерного боеприпаса. Тротиловый эквивалент измеряется в тоннах, килотоннах или мегатоннах (т, кт, Мт).

По мощности взрыва ядерные боеприпасы подразделяются на сверхмалые (q < 1 кт), малые (1 < q < 10 кт), средние (10 < q < 100 кт), крупные (100 < q < 1000 кт) и сверхкрупные (q > 1Мт).

В зависимости от того, в какой окружающей среде находится зона взрыва, различают воздушные, подземные, наземные, подводные, надводные и высотные ядерные взрывы.

К воздушным относятся взрывы в атмосфере на высо-

теЗ,5 <H<10000м.

Подземными ядерными взрывами называются взрывы, для которых средой, окружающей зону реакции, является грунт.

К наземным ядерным взрывам относятся взрывы на поверхности

земли (контактные) и взрывы в воздухе на высотах Н < 3,5 • м, при которых светящаяся область касается поверхности земли.

Подводными ядерными взрывами называются взрывы ниже поверхности воды.

К надводным относятся контактные взрывы и взрывы в воздухе на

высотах Н < 3,5 • м, при которых светящаяся область касается поверхности воды.

К высотным ядерным взрывам относятся взрывы в разряженном воздухе на высоте более 10 км.

Источником энергии ядерного взрыва являются процессы освобождения энергии, заключенной в ядрах атомов химических элементов. Процесс изменения структуры ядра путем его деления (ядерные боеприпасы) или синтеза (термоядерные боеприпасы) называется ядерной реакцией.

Для получения взрыва используют деление ядер тяжелых изотопов (нуклидов) : уран-235, плутоний-239, уран-233. Из них практически только уран-235 существует в природе. Изотопы плутония-239 и урана-233 в промышленных количествах получают в результате облучения нейтронами в ядерных реакторах урана-238 и тория-232.

Формула, с помощью которой можно описать реакцию деления ядерного ядра и природу образования поражающих факторов ядерного взрыва может быть представлена в следующем виде:

Пояснения к формуле (6.1). Если на изотоп урана-235 с положительным зарядом 92 воздействовать нейтроном п любой энергии, образуется неустойчивый изотоп ₉₂U²³⁶ с возбужденным составным ядром, который мгновенно распадается на два из 60 возможных изотопов X и Y с суммарным зарядом 92 (например, 45 и 47) и суммарным количеством нуклонов 234 (например, 116 и 118). При этом испускаются два или более нейтрона п, способных вызвать деление других ядер, и гаммакванты.

В большой массе изотопов под воздействием нейтронов возникает саморазвивающаяся цепная ядерная реакция деления, сопровождающаяся лавинообразным нарастанием числа делящихся ядер и выдел'ением вследствие этого большого количества избыточной энергии ДЕ в течении малого промежутка времени. В зоне протекания ядерной реакции температура повышается до нескольких миллионов градусов, а максимальное давление достигает миллиардов атмосфер. Следовательно, избыточная энергия ДE является источником возникновения двух поражающих факторов: ударной волны и светового излучения.

* Изотопы (нуклиды) - неустойчивые разновидности одного и того же элемента, обладающие разной атомной массой (разное суммарное количество протонов и нейтронов - нуклонов), но имеющие одинаковый заряд атомных ядер (одинаковое количество протонов).

Поток у-квантов и нейтронов п, испускаемый из зоны взрыва в окружающую среду, образует проникающую радиацию, которая продолжается несколько секунд.

Источником возникновения электромагнитного импульса (ЭМИ)

также является поток у-квантов и нейтронов, под воздействием которых в окружающей среде возникают кратковременные электрические и магнитные поля, представляющие собой ЭМИ.

Источником радиоактивного заражения местности (РЗМ) являются: радионуклиды (X, Y), образовавшиеся как продукт ядерной реакции; непрореагировавшая часть ядерного заряда; наведенная радиоактивность в районе ядерного взрыва, образованная в грунте и других материалах под воздействием нейтронов.

Ударная волна - основной поражающий фактор ядерного взрыва. Большинство разрушений и повреждений зданий, железнодорожных сооружений и устройств, а также поражение людей обусловлено, как правило, воздействием ударной волны. В то же время защитить объекты от ударной волны гораздо труднее, чем от других поражающих факторов.

Сущность и основные параметры ударной волны ядерного взрыва аналогичны взрыву обычных взрывоопасных материалов (рассмотрены в главе 3).

Так как мощность ядерного взрыва во многих случаях значительно превышает мощность взрыва обычных взрывоопасных веществ, то радиус зоны ее поражающего действия значительно больше. (При увеличении мощности боеприпаса в 2³ = 8 раз радиус зоны поражения увеличивается в 2 раза.)

Распространение ударной волны ядерного взрыва на большие расстояния требует учета влияния на ее разрушающее и поражающее действие рельефа местности, лесных массивов в районе взрыва, а также метеоусловий.

Значения избыточных давлений во фронте воздушной ударной волны на равнинной местности, в зависимости от расстояний до центра (эпицентра ) взрыэа, для ядерных боеприпасов различной мощности при наземном и воздушных взрывах приведены в прил. 1.

На долю ударной волны приходится около 50 % всей энергии ядерного взрыва.

Характер воздействия ударной волны на сооружения и людей приведен в главе 3.

Световое излучение ядерного взрыва - совокупность видимого света и близких к нему по спектру ультрафиолетовых и инфракрасных лучей.

* Эпицентр ядерного взрыва - это проекция центра взрыва на землю.

Источник светового излучения - светящаяся область взрыва, состоящая из нагретых до высокой температуры веществ ядерного боеприпа-са, воздуха и грунта (при наземном взрыве).

Из этой области излучается огромное количество энергии в чрезвычайно короткий промежуток времени, вследствие чего происходит быстрый нагрев облучаемых предметов, обугливание или воспламенение горючих материалов и ожог живых тканей.

На долю светового излучения приходится 30-40 % всей энергии ядерного взрыва. На открытой местности световое излучение обладает большим радиусом действия по сравнению с ударной волной и проникающей радиацией.

Основным параметром, характеризующим поражающее действие светового излучения, является световой импульс.

Световой импульс - это количество световой энергии, падающей на 1 м" освещаемой поверхности, перпендикулярной к направлению излучения, за все время свечения области взрыва (огненного шара).

В единицах системы СИ световой импульс измеряется в Дж/м². Внесистемная единица кал/см², 1 кал/см² = 42 Дж/м².

Продолжительность светового импульса t_с, с, зависит от мощности боеприпаса и определяется по формуле:

(6.2)

где q - мощность боеприпаса, кт.

Поглощенная световая энергия светового импульса преобразуется в тепловую, вызывает нагрев, воспламенение или разрушение элемента объекта.

Световые импульсы на различных расстояниях от центра взрыва в зависимости от его мощности приведены в табл. 6.1.

Так как общее количество энергии светового излучения пропорционально мощности взрыва, то световой импульс / для боеприпасов другой мощности на тех же расстояниях определяется по формуле:

(6.3)

где - искомый световой импульс для боеприпаса мощности ;

- световой импульс боеприпаса мощности для расстояния (берется из табл. 6.1).

Световое излучение ядерного взрыва при непосредственном воздействии на людей вызывает ожоги открытых участков тела, временное ослепление или ожоги сетчатки глаза. Возможны вторичные ожоги, возникающие от пламени горящих зданий, растительности, воспламенившейся или

тлеющей одежды.

Таблица 6.1

Расстояния до центра взрыва, км, при различных мощностях ядерных боеприпасов (ЯБП) и величинах световых импульсов

Примечания: I. В верхней строке приведены расстояния для воздушного взрыва, в нижней - для наземного. 2. Расстояния даны для условий: слабая дымка, видимость 10 км. 3. Для других условий следует вводить коэффициенты: воздух очень прозрачен, видимость до 50 км - 1,4; средняя прозрачность, видимость до 5 км - 0,5; очень сильная дымка, туман, видимость до 1 км - 0,2.

В зависимости от величины светового импульса различают ожоги различной степени (табл. 6.2).

Степень ожогов зависит от характера одежды: ее цвета, плотности, толщины, прилегания к телу.

Степень поражения элементов объекта от светового излучения зависит как от светового импульса и времени его действия, так и от свойств материала и расположения поверхности элемента к падающему световому излучению.

Таблица 6.2 Характеристика ожогов при воздействии светового импульса

Данные по возгоранию материалов при воздействии светового импульса приведены в прил. 2.

При ядерном взрыве выделяются три основные зоны пожаров, вызванные световым излучением: зона отдельных пожаров, зона сплошных пожаров и зона пожаров в завалах.

Зона отдельных пожаров охватывает район, в котором пожары возникают в отдельных зданиях и сооружениях. Пожары по району рассредоточены. Внешняя граница этой зоны характеризуется световым импульсом 100-200 кДж/м , а внутренняя - 400-600 кДж/м² в зависимости от мощности ядерного взрыва (нижние границы соответствуют мощности до 100 кт, верхние - 100 кт и более).

Зона сплошных пожаров - территория, где возникают пожары более, чем в 50 % зданий и в течение 1-2 ч огонь распространяется на подавляющее большинство зданий и образуется сплошной пожар, при котором огонь охватывает более9О % зданий.

Возможен огненный шторм. Эта зона характеризуется световым импульсом 400-600 кДж/м² и более. Превращение отдельных пожаров в сплошные зависит главным образом от степени огнестойкости зданий и сооружений, категории пожарной опасности производства, а также плотности застройки.

" Зона пожаров в завалах характеризуется сильным задымлением и продолжительным (до нескольких суток) горением в завалах, интенсивным выделением продуктов неполного сгорания и токсических веществ.

В зонах задымления возникает опасность отравления людей как находящихся в убежищах, где отсутствует регенерация воздуха, так и участвующих в АСДНР.

Проникающая радиация представляет собой поток гамма-излучения и нейтронов, распространяющихся непосредственно из зоны ядерного взрыва. Источником проникающей радиации являются ядерные реакции деления и синтеза, протекающие в боеприпасах в момент взрыва, а также радиоактивный распад осколков деления. Время действия проникающей радиации не превышает 15-20 секунд с момента взрыва.

На долю проникающей радиации приходится около 4 % энергии взрыва.

Радиусы зон поражения проникающей радиации при наземных и воздушных ядерных взрывах средней и большой мощности меньше соответствующих радиусов поражения ударной волной и световым излучением. При взрывах боеприпасов сверхмалой мощности поражающее действие проникающей радиации на людей проявляется на больших, расстояниях, чем от ударной волны и светового излучения.

Проникающая радиация выводит из строя электронное оборудование, в том числе компьютеры, оптические приборы, фотопленки, в которых возникают временные и остаточные изменения электрических параметров.

Радиоактивное заражение - это заражение поверхности земли, атмосферы, водоемов и различных предметов радиоактивными веществами, выпавшими из облака ядерного взрыва.

Радиоактивное заражение как поражающий фактор при наземном ядерном взрыве отличается масштабностью, продолжительностью воздействия, скрытностью поражающего действия, снижением степени воздействия со временем.

Радиоактивные вещества, распадаясь, излучают главным образом бета-частицы и гамма-кванты, превращаясь в устойчивые (нерадиоактивные) вещества. В отличие от проникающей радиации радиоактивное заражение действует в течение продолжительного времени. На его долю приходится около 10 % энергии ядерного взрыва.

. Воздействие ионизирующих излучений на человека, их основные параметры и единицы измерения рассмотрены в гл. 5.

На местности, подвергшейся радиоактивному заражению при наземном ядерном взрыве, образуются два участка: район взрыва и след радиоактивного облака (рис. 6.1). В свою очередь, в районе взрыва различают наветренную и подветренную стороны. Радиусы зон заражения местности в районе взрыва с наветренной стороны приведены в табл. 6.3. С подветренной стороны заражение местности в районе взрыва увеличено за счет наложения на этот участок следа радиоактивного облака (на рис. 6.1 этот участок заштрихован).

Рис. 6.1. Схема радиоактивного заражения местности в районе взрыва и по следу движения облака

По степени опасности зараженную местность по следу облака взрыва принято делить на четыре зоны.

Зона А -умеренного заражения. Доза излучения до полного распада РВ на внешней границе зоны Д„ = 0,4 Гр, на внутренней границе Д*,— 4 Гр. Ее площадь составляет 70-80% площади всего следа.

Зона Б - сильного заражения. Дозы излучения на границах зоны соответственно Д_х = 4 Гр и Дх = 12 Гр. На долю этой зоны приходится примерно 10% площади радиоактивного следа.

Зона В - опасного заражения. Дозы излучения на ее внешней границе за период полного распада РВ Д^ 12 Гр, на внутренней границе Д_х= 40 Гр. Эта зона занимает примерно 8-10% площади следа облака.

Зона Г - чрезвычайно опасного заражения. Дозы излучения на ее внешней границе за период полного распада РВ Д* = 40 Гр, а в середине зоны Д_х = 70 Гр. Зона занимает до 3% площади следа радиоактивного заражения.

Мощности дозы излучения на внешних границах зон А, Б, В и Г через 1 час после взрыва составляют соответственно 80, 800, 2400 и 8000 мГр/ч, а через 10 ч - 5, 50, 150 и 500 мГр/ч.

Размеры зон радиоактивного заражения с подветренной стороны для наземных взрывов в зависимости от скорости среднего ветра и мощности взрыва представлены в прил. 5.

Таблица 6.3

Радиусы зон радиоактивного заражения местности врайоне взрыпа снаветренной стороны, м

Примечания: 1. Прочерки означают, что при взрыве мощностью 10 т зона заражения Г не образуется. 2 н - наземный, в - воздушный взрыв.

Спад мощности дозы излучения г течением времени обусловливается естественными процессами непрерывного распада выпавших радиоактивных продуктов. При ядерном взрыве этот спад происходит особенно резко в первые часы после взрыва.

Изменение мощности дозы излучения (МДИ) на зараженной местности за определенное время может быть определено по тому же закону, по которому изменяется гамма-активность радиоактивных изотопов.

(6.4)

где - МДИ в любой момент времени после взрыва;

- МДИ в рассматриваемый момент времени t, отсчитанного с мо
мента взрыва;

- коэффициент пересчета МДИ на момент времени t после взрыва.
Для ядерных взрывов показатель степени п равен 1,2. Тогда коэффи
циент пересчета К, на различное время после взрыва равен

(6.5)

Значения К, на различное время t после ядерного взрыва приведены в табл. 6.4.

Решая уравнение (6.4), можно убедиться, что МДИ снижается в 10 раз при семикратном увеличении времени.

Так, если через 1 ч после взрыва принять МДИ равной 1000 мГр/ч, то через 7 ч она составит 100 мГр/ч, а через 49 ч - 10 мГр/ч.

Таблица 6.4 Значения коэффициента пересчета К, мощности дозы излучения на различное время t после ядерного взрыва

0,5	2.3		0,07		0,022		0,002
			0,05		0,01		0,001
	0,27		0,039		0,006		0,0009
	0,12	IS	0,31		0,003		0,0004

Закономерность спада мощности дозы излучения при ядерном взрыве используется при решении задач оценки радиационной обстановки (задачи рассматриваются в главе 11).

Электромагнитный импульс (ЭМИ) - поражающий фактор, воздействующий, главным образом, на электро- и радиосистемы.

По характеру воздействия на окружающую среду ЭМИ совпадает с разрядом молнии. Однако ЭМИ более опасен для электро- и радиоаппаратуры, чем разряд молнии, так как скорость импульса, диапазон частот и амплитуда тока, вызванная ЭМИ, больше, чем у разряда молнии.

Возникающие под действием ЭМИ высокие напряжения (50 кВ и более) могут вызвать пробои изоляции элементов аппаратуры, подключенной к воздушным и подземным линиям, перегорание плавких вставок, включенных в линии для защиты от перегрузок, помехи при работе радиоэлектронной аппаратуры.

Высокие электрические потенциалы, возникающие на жилах кабелей, в антифидерных линиях и проводных линиях связи, могут представлять опасность для лиц„обслуживающих аппаратуру.

Расстояние от центра (эпицентра) взрыва до воздушных и кабельных линий с наводимыми напряжениями 10 и 50 кВ можно определить по табл. 6.5.

Если линии связи и электропитания проходят в пределах зон действия ЭМИ, указанных в табл. 6.5, то возникшие в них напряжения будут распространяться на большие расстояния за пределы зоны действия ЭМИ и могут вызвать повреждения входных цепей аппаратуры.

Таблица 6.5