В). Послідовність подій при ядерному вибуху

Виділення величезної кількості енергії у ході ланцюгової реакції поділу, приводить до швидкого нагрівання речовини вибухового пристрою до температури близько 10⁷ К. При таких температурах речовина стає інтенсивно випромінювальною іонізованою плазмою. На цьому етапі виділяється близько 80% енергії вибуху у вигляді енергії електромагнетного випромінювання. Максимум енергії цього випромінювання, приходиться на рентгенівський діапазон спектра. Подальший хід подій при ядерному вибуху визначається в основному характером взаємодії первинного теплового випромінювання з навколишнім до епіцентра вибуху середовищем, а також властивостями цього середовища.

У випадку, якщо вибух здійснено на невеликій висоті в атмосфері, первинне випромінювання поглинається повітрям до відстаней декількох метрів від епіцентра вибуху. Поглинання рентгенівського випромінювання приводить до утворення так званої хмари вибуху, що характеризується дуже високою температурою. На першій стадії ця хмара зростає в розмірах за рахунок радіаційної передачі енергії з гарячої внутрішньої частини до її холодної периферії. Температура газу в хмарі вибуху приблизно постійна по об’єму і знижується із його збільшенням. У момент коли температура хмари знижується до приблизно 300 тисяч градусів, швидкість фронту хмари зменшується до величин, порівнюваних зі швидкістю звуку. У цей момент формується ударна хвиля, фронт якої "відривається" від границі хмари вибуху. Для вибуху потужністю 20 кт ця подія настає приблизно через 0.1 мс після вибуху. Радіус хмари вибуху в цей момент сягати близько 12 метрів.

Інтенсивність теплового випромінювання хмари вибуху цілком визначається видимою температурою її поверхні. На якийсь час повітря, нагріте в результаті проходження вибухової хвилі, маскує хмару вибуху, поглинаючи випромінювану нею радіацію, так що температура видимої поверхні хмари вибуху відповідає температурі повітря за фронтом ударної хвилі. Із збільшенням розмірів фронту температура у фронті хвилі через приблизно 10 мс після початку вибуху падає до 3000°С і він знову стає прозорим для випромінювання хмари вибуху. Температура видимої поверхні хмари вибуху знову починає рости і через приблизно 0.1 с після початку вибуху сягає приблизно 8000°С (для вибуху потужністю 20 кт). У цей момент потужність випромінювання хмари вибуху максимальна. Після цього температура видимої поверхні хмари і, відповідно, випромінювана ним енергія швидко падає. У результаті вибуху, основна частина енергії випромінювання висвічується за час менше однієї секунди.

Формування імпульсу теплового випромінювання й утворення ударної хвилі відбувається на самих ранніх стадіях існування хмари вибуху. Оскільки усередині хмари міститься основна частка радіоактивних речовин, що утворюються в ході вибуху, подальша його еволюція визначає формування сліду радіоактивних опадів. Після того як хмара вибуху охолоне настільки, що вже не випромінює у видимій області спектра, процес збільшення її розмірів продовжується за рахунок теплового розширення і вона починає підніматися вверх. У процесі підйому хмара захоплює за собою значну масу повітря і ґрунту. Протягом декількох хвилин хмара досягає висоти в кілька кілометрів і може досягти стратосфери. Швидкість випадання радіоактивних опадів залежить від розміру твердих частинок, на яких вони конденсуються. Якщо в процесі свого формування хмара вибуху досягла поверхні, кількість ґрунту, захопленого при підйомі хмари буде досить великою і радіоактивні речовини осідають в основному на поверхні частинок ґрунту, розміри яких можуть досягати декількох міліметрів. Такі частинки випадають на поверхню землі у відносній близькості від епіцентра вибуху, причому за час випадання їх радіоактивність практично не зменшується.

У випадку якщо хмара вибуху не дотикається до поверхні землі, радіоактивні речовини що містяться в ній, конденсуються в набагато менші частинки з характерними розмірами 0.01-20 мікрон. Оскільки такі частинки можуть досить довго існувати у верхніх шарах атмосфери, вони розсіюються над дуже великою площею і за час, що пройшов до їх випадання на поверхню, встигають втратити значну частину своєї радіоактивності. У цьому випадку радіоактивний слід практично не спостерігається. Мінімальна висота, вибух на яку не приводить до утворення радіоактивного сліду, залежить від потужності вибуху і складає приблизно 200 метрів для вибуху потужністю 20 кт і близько 1 км для вибуху потужністю 1 Мт.

Ударна хвиля, яка формується на ранніх стадіях існування хмари вибуху, являє собою один з основних руйнівних факторів атмосферного ядерного вибуху. Основними характеристиками ударної хвилі є піковий надлишковий тиск і динамічний тиск у фронті хвилі. Здатність об'єктів витримувати вплив ударної хвилі залежить від безлічі факторів, таких як наявність несучих елементів, матеріал будівлі, орієнтація стосовно фронту. Надлишковий тиск у 1 атм , що виникає на відстані 2.5 км від наземного вибуху потужністю 1 Мт, здатний зруйнувати багатоповерховий будинок із залізобетону. Для протистояння впливу ударної хвилі військові об'єкти, особливо шахти балістичних ракет проектують таким чином, щоб вони могли витримати надлишкові тиски в сотні атмосфер. Радіус області, у якій при вибуху в 1 Мт створюється подібний тиск складає близько 200 метрів. Відповідно, для руйнування укріплених цілей особливу роль грає точність попадання атакуючих балістичних ракет.

На початкових стадіях існування ударної хвилі її фронт є сферою з центром у точці вибуху. Після того як фронт досягає поверхні, утвориться відбита хвиля. Оскільки відбита хвиля поширюється в середовищі, через яку пройшла пряма хвиля, швидкість її поширення виявляється трохи більшою. У результаті, на деякій відстані від епіцентру дві хвилі зливаються біля поверхні землі і утворюють фронт, з приблизно в два рази більшим значенням надлишкового тиску. Оскільки для вибуху даної потужності відстань, на якій утвориться подібний фронт, залежить від висоти вибуху, висоту вибуху можна підібрати для одержання максимальних значень надлишкового тиску на визначеній площі. Якщо метою вибуху є знищення укріплених військових об'єктів, оптимальна висота вибуху вибирається дуже малою, що неминуче приводить до утворення значної кількості радіоактивних опадів.

Ще одним руйнівним фактором ядерної зброї є проникна радіація, яка є потоком високо енергетичних нейтронів і гамма-квантів, що утворюються як безпосередньо в ході вибуху, так і в результаті розпаду продуктів поділу. Поряд з нейтронами й гамма-квантами, у ході ядерних реакцій утворюються також альфа- і бета-частинки, вплив яких можна не враховувати через те, що вони дуже ефективно поглинаються на відстанях декількох метрів. Нейтрони й гамма-кванти продовжують виділятися протягом досить тривалого часу після вибуху, негативно впливаючи на радіаційну обстановку. До проникної радіації відносять нейтрони й гамма-кванти, які з'являються в процесі першої хвилини після вибуху. За час близько однієї хвилини хмара вибуху встигає піднятися на достатню висоту, щоб радіаційний потік на поверхні землі став практично непомітним.

Інтенсивність потоку проникної радіації і відстань на який її дія може завдати найбільшої шкоди, залежать від потужності вибухового пристрою і його конструкції. Доза радіації, отриманої на відстані близько 3 км від епіцентру термоядерного вибуху потужністю 1 Мт, достатня для того щоб викликати значні біологічні зміни в організмі людини. Ядерний вибуховий пристрій може бути спеціально сконструйований таким, щоб збільшити шкоду, яка наноситься проникною радіацією в порівнянні зі шкодою, яка наноситься іншими вражаючими факторами (так звана нейтронна зброя).

Процеси, які відбуваються в ході вибуху на значній висоті, де густина повітря невелика, трохи відрізняються від процесів, що відбуваються при проведенні вибуху на невеликих висотах. Насамперед, через малу густину повітря поглинання первинного теплового випромінювання відбувається на значно більших відстанях і розміри хмари вибуху можуть досягати десятків кілометрів. Істотний вплив на процес формування хмари вибуху пов’язаний з процесами взаємодії іонізованих частинок хмари з магнетним полем Землі. Іонізовані частинки, які утворилися в ході вибуху, здійснюють також помітний вплив на стан іоносфери, утрудняючи, а іноді і створюючи неможливим поширення радіохвиль (цей ефект може бути використаний для осліплення радіолокаційних станцій).

Одним з результатів проведення висотного вибуху є виникнення потужного електромагнетного імпульсу, який поширюється над дуже велику територією. Електромагнетний імпульс виникає й у результаті вибуху на малих висотах, однак напруженість електромагнетного поля в цьому випадку швидко спадає із збільшенням відстані від епіцентру. У випадку ж висотного вибуху, область дії електромагнетного імпульсу охоплює практично усю видиму з точки вибуху поверхню Землі.

У випадку, якщо ядерний вибух здійснено під землею, на початковій стадії вибуху поглинання навколишнім середовищем первинного теплового випромінювання приводить до утворення порожнини, тиск у який протягом менш ніж мікросекунди зростає до декількох мільйонів атмосфер. Далі, протягом долі секунди в навколишній породі формується ударна хвиля, фронт якої обганяє поширення порожнини вибуху. Ударна хвиля викликає руйнування породи в безпосередній близькості від епіцентру і, ослаблюючись із просуванням, дає початок серії сейсмічних імпульсів, які супроводжують підземний вибух. Порожнина вибуху продовжує розширюватися з трохи меншою ніж на початку швидкістю, досягаючи значних розмірів. Так, радіус порожнини, утвореної вибухом потужністю 150 кт може досягти 50 метрів. На цьому етапі стіни порожнини є розплавленою породою. На третьому етапі газ усередині порожнини охолоджується, а розплавлена порода твердне на дні порожнини.

Протягом наступної стадії, яка може тривати від декількох секунд до декількох годин, тиск газів у порожнині падає так, що вони більше нездатні витримувати навантаження верхніх шарів породи і порожнина руйнується. У результаті утворюється вертикальна сигароподібна структура, заповнена уламками породи. Розміри цієї структури залежать від характеру породи, у якій здійснено вибух. У верхньому кінці цієї структури залишається порожнина, заповнена радіоактивними газами. У випадку якщо вибух відбувся на недостатньо великій глибині, частина газів може вийти на поверхню і створювати радіоактивне забруднення території.

Г) Нейтронна зброя

Більш ніж піввікова історія ядерної зброї зазнала значних досягнень в справі її удосконалювання. Ядерна зброя першого покоління (його нерідко називають атомним) основана на використанні енергії, яка виділяється в ході ланцюгової ядерної реакції поділу ядер важких елементів урану або плутонію. Буквально через кілька років після випробування перших атомних зарядів вченим США і СРСР вдалося майже одночасно створити ядерну зброю другого покоління - термоядерну бомбу, в основі дії якої лежить реакція синтезу важких ізотопів водню - дейтерію і тритію. Значно більше часу треба було вченим для створення зброї третього покоління. Найбільш відомим зразком ядерної зброї третього покоління є нейтронна зброя.

Нейтронною бомбою або N-бомбою називають термоядерні заряди порівняно невеликої потужності з тротиловим еквівалентом від 1 до 10 кт із зміщенням енергетичного виходу в сторону нейтронного випромінювання. При вибуху такого заряду за рахунок зменшення частини енергії, яка перетворювалась в ударну хвилю і світлове випромінювання, забезпечується значне збільшення енергії, яка виділялася у вигляді потоку швидких нейтронів. Принципова відмінність нейтронної бомби від термоядерної полягає в різній швидкості виділення енергії. У нейтронній бомбі виділення енергії відбувається значно повільніше, щось на зразок вибуху уповільненої дії. Для підігріву суміші дейтерію й тритію до температури в десятки мільйонів градусів використовується атомний міні детонатор з високозбагаченого плутонію-239.

Основним “руйнівним” фактором цієї зброї є потік швидких нейтронів з енергією до 14 МеВ. Кількість нейтронів, що виділяється в цьому випадку, прямо пропорційна масі речовин, які беруть участь у реакції синтезу, і складає близько 10²⁴ нейтронів на кілотонну потужності заряду. При цьому необхідно враховувати, що вибух нейтронних боєприпасів супроводжуються також випромінюванням гамма-квантів. При русі нейтронів і гамма-квантів в атмосфері відбувається поступове зменшення їх енергії унаслідок взаємодії з молекулами повітря. На близьких відстанях від епіцентру вибуху доля нейтронів у загальному потоці проникної радіації значно переважає долю гамма-випромінювання. Однак внаслідок різної довжини релаксації випромінювань у повітрі (відстань, на якій енергія випромінювання зменшується в е разів, де е = 2,72 – основа натурального логарифма, - 235 метрів для нейтронів і 350 метрів для гамма-квантів) співвідношення між ними поступово змінюється. Для зарядів потужністю 1 кт починаючи з відстаней близько 1500 метрів і далі доля гамма-квантів спочатку вирівнюється з долею нейтронів, а потім буде переважати її.

Дослідження, проведені в останні десятиліття, дозволили розкрити механізм дії нейтронів на молекули органічних речовин. Ці дослідження показали, що швидкі нейтрони за своєю біологічною ефективністю значно перевершують інші види випромінювань ядерного вибуху. Після вибуху нейтрони рухаються зі швидкостями в кілька десятків кілометрів за секунду. Проникаючи, немов снаряди, у живі клітинки, вони вибивають ядра з атомів, рвуть молекулярні зв'язки, утворюють вільні радикали, що мають високу реакційну здатність, а це приводить до порушення основних циклів життєвих процесів у клітинах. Руйнівна дія нейтронів в живих організмах визначається сумарною дозою, яка ними поглинається. Вражені нейтронними променями живі організми в страшних муках за досить короткий час гинуть. Нейтронна бомба призначена для знищення нематеріальних цінностей (руйнування незначні), а живої сили.

РОЗДІЛ 2

Радіаційна екологія