Ядерну зброю. Ядерний вибух: опис, класифікація Ядерний вибух має
Ядерна зброя має колосальну потужність. При розподілі урану
масою порядку кілограма звільняється така сама кількість енергії, як
під час вибуху тротилу масою близько 20 тисяч тонн. Термоядерні реакції синтезу є ще енергоємнішими. Потужність вибуху ядерних боєприпасів прийнято вимірювати в одиницях тротилового еквіваленту. Тротиловий еквівалент-це маса тринітротолуолу, яка б забезпечила вибух, за потужністю еквівалентний вибуху даного ядерного боєприпасу. Зазвичай він вимірюється в кілотоннах (кТ) або мегатоннах (МгТ).
Залежно від потужності ядерні боєприпаси ділять на калібри:
Надмалий (менше 1кТ)
Малий (від 1 до 10 кТ)
Середній (від 10 до 100 кТ)
Великий (від 100 кТ до 1 МГТ)
Надвеликий (понад 1 МгТ)
Термоядерними зарядами комплектуються боєприпаси надвеликого, великого
та середнього калібрів; ядерно-надмалого, малого та середнього калібрів,
нейтронно-надмалого і малого калібрів.
1.5 Види ядерних вибухів
Залежно від завдань, розв'язуваних ядерною зброєю, від виду та розташування
об'єктів, за якими плануються ядерні удари, а також від характеру
майбутніх бойових дій ядерні вибухи можуть бути здійснені в
повітрі, біля поверхні землі (води) та під землею (водою). Відповідно
з цим розрізняють такі види ядерних вибухів:
Повітряний (високий та низький)
Наземний (надводний)
Підземний (підводний)
1.6 Вражаючі чинники ядерного вибуху.
Ядерний вибух здатний миттєво знищити або вивести з ладу
незахищених людей, відкрито варту техніку, споруди та різні
матеріальні засоби. Основними факторами ядерного вибуху є:
Ударна хвиля
Світлове випромінювання
Проникаюча радіація
Радіоактивне зараження місцевості
Електромагнітний імпульс
Розглянемо їх:
а) Ударна хвиля в більшості випадків є основним вражаючим
фактором ядерного вибуху. За своєю природою вона подібна до ударної хвилі
звичайного вибуху, але діє більш тривалий час і має
набагато більшою руйнівною силою. Ударна хвиля ядерного вибуху
може на значній відстані від центру вибуху завдавати поразки
людям, руйнувати споруди та ушкоджувати бойову техніку.
Ударна хвиля є область сильного стиснення повітря,
що поширюється з великою швидкістю на всі боки від центру вибуху.
Швидкість її поширення залежить від тиску повітря у фронті
ударної хвилі; поблизу центру вибуху вона у кілька разів перевищує
швидкість звуку, але зі збільшенням відстані від вибуху різко падає.
За перші 2 сек ударна хвиля проходить близько 1000 м, за 5 сек-2000 м,
за 8 сек - близько 3000 м. Це є обґрунтуванням нормативу N5 ЗОМП
"Дії при спалаху ядерного вибуху": відмінно - 2 сек, добре - 3 сек,
задовільно-4 сек.
Вражаюча дія ударної хвилі на людей і руйнівна дія на
бойову техніку, інженерні споруди та матеріальні засоби раніше
всього визначаються надлишковим тиском і швидкістю руху повітря в
її фронті. Надлишковий тиск - це різниця між максимальним тиском у фронті ударної хвилі та нормальним атмосферним тиском перед ним. Воно вимірюється у ньютонах на квадратний метр (Н/м2). Ця одиниця тиску називається паскалем (Па). 1 Н/м 2 =1 Па (1 кПа0,01 кгс/см 2).
При надмірному тиску 20-40 кПа незахищені люди можуть отримати легкі поразки (легкі забиття та контузії). Вплив ударної хвилі з надлишковим тиском 40-60 кПа призводить до уражень середньої тяжкості: втрата свідомості, пошкодження органів слуху, сильних вивихів кінцівок, кровотечі з носа та вух. Тяжкі травми виникають при надмірному тиску понад 60 кПа і характеризуються сильними контузіями всього організму, переломами кінцівок ушкодженням внутрішніх органів. Вкрай тяжкі поразки, нерідко зі смертельним наслідком, спостерігаються при надмірному тиску понад 100 кПа.
Незахищені люди можуть, крім того, уражатися тими, хто летить з
величезною швидкістю осколками скла та уламками будівель, що руйнуються,
падаючими деревами, а також частинами бойової техніки, що розкидаються,
камінням землі, камінням та іншими предметами, що наводяться в рух
швидкісним натиском ударної хвилі. Найбільші непрямі поразки спостерігатимуться у населених пунктах та у лісі; у цих випадках втрати військ можуть виявитися більшими, ніж від безпосередньої дії ударної хвилі.
Ударна хвиля здатна завдавати поразок і в закритих приміщеннях,
проникаючи туди через щілини та отвори.
Зі зростанням калібру ядерного боєприпасу радіуси ураження ударною хвилею
зростають пропорційно кореня кубічного з потужності вибуху. При підземному вибуху виникає ударна хвиля у ґрунті, а при підводному – у воді.
Крім того, за цих видів вибухів частина енергії витрачається на створення
ударної хвилі та в повітрі. Ударна хвиля, поширюючись у ґрунті,
спричиняє пошкодження підземних споруд, каналізації, водопроводу;
при поширенні її у воді спостерігається ушкодження підводної частини
кораблів, що знаходяться навіть на значній відстані від місця вибуху.
б) Світлове випромінювання ядерного вибуху є потіком
променистої енергії, що включає ультрафіолетове, видиме та інфрачервоне
випромінювання. Джерелом світлового випромінювання є область, що світиться,
що складається з розпечених продуктів вибуху та розпеченого повітря. Яскравість
світлового випромінювання в першу секунду в кілька разів перевершує яскравість
Поглинена енергія світлового випромінювання перетворюється на теплову, що
призводить до розігріву поверхневого шару матеріалу. Нагрів може бути
настільки сильним, що можливе обвуглювання або запалення пального
матеріалу та розтріскування або оплавлення негорючого, що може призводити
до величезних пожеж. При цьому дія світлового випромінювання ядерного вибуху
еквівалентно масованому застосуванню запальної зброї, яка
розглядається у четвертому навчальному питанні.
Шкірний покрив людини також поглинає енергію світлового випромінювання.
рахунок чого може нагріватися до високої температури та отримувати опіки. В
насамперед опіки виникають на відкритих ділянках тіла, звернених у
бік вибуху. Якщо дивитись у бік вибуху незахищеними очима, то
можливе ураження очей, що призводить до повної втрати зору.
Опіки, що викликаються світловим випромінюванням, не відрізняються від звичайних,
викликаних вогнем або окропом. Вони тим сильніші, чим менша відстань до
вибуху і чим більша потужність боєприпасу. При повітряному вибуху вражаюча дія світлового випромінювання більше, ніж при наземному потужності.
Залежно від сприйнятого світлового імпульсу опіки поділяються на три
ступеня. Опіки першого ступеня виявляються у поверхневому ураженні шкіри: почервонінні, припухлості, хворобливості. При опіках другого ступеня з'являються бульбашки. При опіках третього ступеня спостерігається омертвіння шкіри та утворення виразок.
При повітряному вибуху боєприпасу потужністю 20 кТ та прозорості атмосфери близько 25 км опіки першого ступеня спостерігатимуться у радіусі 4,2
км. від центру вибуху; при вибуху заряду потужністю 1 МГТ ця відстань
збільшиться до 22,4 км. Опіки другого ступеня виявляються на відстанях
2,9 та 14,4 км та опіки третього ступеня - на відстанях 2,4 та 12,8 км
відповідно для боєприпасів потужністю 20 кТ та 1МгТ.
в) Проникаюча радіація є невидимим потоком гамма-
квантів та нейтронів, що випускаються із зони ядерного вибуху. Гамма-кванти
і нейтрони поширюються на всі боки від центру вибуху на сотні
метрів. Зі збільшенням відстані від вибуху кількість гамма-квантів та
нейтронів, що проходить через одиницю поверхні, зменшується. При
підземному та підводному ядерних вибухах дія проникаючої радіації
поширюється на відстані, значно менші, ніж при наземних і
повітряних вибухах, що пояснюється поглинанням потоку нейтронів та гамма-
квантів водою.
Зони ураження проникаючою радіацією під час вибухів ядерних боєприпасів
середньої та великої потужності дещо менше зон ураження ударною хвилею та світловим випромінюванням. Для боєприпасів з невеликим тротиловим еквівалентом (1000 тонн і менше) навпаки, зони вражаючої дії проникаючою радіацією перевершують зони ураження ударною хвилею та світловим випромінюванням.
Вражаюча дія проникаючої радіації визначається здатністю
гамма-квантів і нейтронів іонізувати атоми середовища, в якому вони поширюються. Проходячи через живу тканину, гамма-кванти та нейтрони іонізують атоми та молекули, що входять до складу клітин, які призводять до
порушення життєвих функцій окремих органів та систем. Під впливом
Іонізації в організмі виникають біологічні процеси відмирання та розкладання клітин. Внаслідок цього у уражених людей розвивається специфічне захворювання, зване променевою хворобою.
г) Основними джерелами радіоактивного зараження є продукти поділу ядерного заряду та радіоактивні ізотопи, що утворюються внаслідок дії нейтронів на матеріали, з яких виготовлений ядерний боєприпас, та на деякі елементи, що входять до складу ґрунту в районі вибуху.
При наземному ядерному вибуху область, що світиться, стосується землі. Всередину її затягуються маси грунту, що випаровується, які піднімаються вгору. Охолоджуючись, пари продуктів розподілу ґрунту конденсуються на твердих частинках. Утворюється радіоактивна хмара. Воно піднімається на багатокілометрову висоту, а потім зі швидкістю 25-100 км/год рухається за вітром. Радіоактивні частинки, випадаючи з хмари на землю, утворюють зону радіоактивного зараження (слід), довжина якої може досягати кількох сотень кілометрів.
Радіоактивне зараження людей, бойової техніки, місцевості та різних
об'єктів при ядерному вибуху обумовлюється уламками поділу речовини
заряду і непрореагував частиною заряду, що випадають з хмари вибуху,
а також наведеною радіоактивністю.
З часом активність осколків поділу швидко зменшується,
особливо у перші години після вибуху. Так, наприклад, загальна активність
уламків розподілу при вибуху ядерного боєприпасу потужністю 20 кТ через
один день буде в кілька тисяч разів менше, ніж через одну хвилину після
При вибуху ядерного боєприпасу частина речовини заряду не піддається
поділу, а випадає у звичайному своєму вигляді; розпад її супроводжується утворенням альфа-часток. Наведена радіоактивність обумовлена радіоактивними ізотопами, що утворюються в ґрунті в результаті опромінення його нейтронами, що випромінюються в момент вибуху ядрами атомів хімічних елементів, що входять до складу ґрунту. Ізотопи, що утворилися, як правило,
бета-активні, розпад багатьох їх супроводжується гамма-випромінюванням.
Періоди напіврозпаду більшості з радіоактивних ізотопів, що утворюються, порівняно невеликі-від однієї хвилини до години. У зв'язку з цим наведена активність може становити небезпеку лише в перші години після вибуху і лише в районі, близькому до його епіцентру.
Основна частина довгоживучих ізотопів зосереджена у радіоактивному
хмара, яка утворюється після вибуху. Висота підняття хмари для
боєприпасу потужністю 10 кТ дорівнює 6 км, для боєприпасу потужністю 10 МгТ
вона становить 25 км. У міру просування хмари з нього випадають спочатку
найбільші частинки, а потім все більш і більш дрібні, утворюючи по
шляхи руху зону радіоактивного зараження, так званий слід хмари.
Розміри сліду залежать головним чином потужності ядерного боєприпасу,
а також від швидкості вітру і можуть досягати в довжину кілька сотень і
ширину кількох десятків кілометрів.
Поразки внаслідок внутрішнього опромінення з'являються в результаті
попадання радіоактивних речовин усередину організму через органи дихання та
шлунково-кишковий тракт. У цьому випадку радіоактивні випромінювання входять
у безпосередній контакт із внутрішніми органами та можуть викликати
сильну променеву хворобу; характер захворювання залежатиме від кількості радіоактивних речовин, що потрапили до організму.
На озброєння, бойову техніку та інженерні споруди.
речовини не надають шкідливого впливу.
д) Електромагнітний імпульс - це короткочасне електромагнітне поле, що виникає при вибуху ядерного боєприпасу в результаті взаємодії гамма-променів і нейтронів, що випускаються по ядерному вибуху, з атомами навколишнього середовища. Наслідком його впливу є перегорання або пробої окремих елементів радіоелектронної та електротехнічної апаратури.
Поразка людей можлива лише у випадках, коли вони в момент вибуху стикаються з протяжними провідними лініями.
Найбільш надійним засобом захисту від усіх факторів ядерного вибуху є захисні споруди. У полі слід ховатися за міцними місцевими предметами, зворотними схилами висот, у складках місцевості.
При діях у зонах зараження для захисту органів дихання, очей та відкритих ділянок тіла від радіоактивних речовин використовуються засоби захисту органів дихання (протигази, респіратори, протипилові тканинні маски та ватно-марлеві пов'язки), а також засоби захисту шкіри.
Особливості вражаючої дії нейтронних боєприпасів.
Нейтронні боєприпаси є різновидом ядерних боєприпасів. Їх основу становлять термоядерні заряди, у яких використовуються ядерні реакції розподілу та синтезу. Вибух такого боєприпасу надає вражаюче вплив насамперед людей за рахунок потужного потоку проникаючої радіації, у якому значної частини (до 40%) посідає звані швидкі нейтрони.
При вибуху нейтронного боєприпасу площа зони ураження проникаючою радіацією перевершує площу зони ураження ударною хвилею в кілька разів. У цій зоні техніка та споруди можуть залишатися неушкодженими, а люди зазнають смертельних поразок.
Для захисту від нейтронних боєприпасів використовуються ті самі засоби та способи, що й для захисту від звичайних ядерних боєприпасів. Крім того, при спорудженні притулків та укриттів рекомендується ущільнювати та зволожувати ґрунт, що укладається над ними, збільшувати товщину перекриттів, влаштовувати додатковий захист входів та виходів. Захисні властивості техніки підвищуються застосуванням комбінованого захисту, що складається з водневмісних речовин (наприклад, поліетилену) та матеріалів з високою щільністю (свинець).
Радіоактивність. Закон радіоактивного розпаду. Вплив іонізуючого випромінювання на біологічні об'єкти. Одиниця виміру радіоактивності.
Радіоактивність - це здатність атомів деяких ізотопів спонтанно розпадатися, випромінюючи випромінювання. Вперше таке випромінювання, яке випускає ураном, виявив Беккерель, тому спочатку радіоактивні випромінювання називали променями Беккереля. Основний вид радіоактивного розпаду – викидання з ядра атома альфа-частинки – альфа-розпад (див. Альфа-випромінювання) або бета-частинки – бета-розпад (див. Бета-випромінювання).
Найважливішою характеристикою радіоактивності є закон радіоактивного розпаду, що показує, як з часом t змінюється (в середньому) число N радіоактивних ядер у зразку
N(t) = N 0 e -λt,
де N 0 - Число вихідних ядер в початковий момент (момент їх утворення або початку спостереження), а λ - постійна розпаду (ймовірність розпаду радіоактивного ядра в одиницю часу). Через цю постійну можна виразити середнє життя радіоактивного ядра τ = 1/λ, і навіть період напіврозпаду T 1/2 = ln2/τ. Період напіврозпаду наочно характеризує швидкість розпаду, показуючи який час число радіоактивних ядер на зразку зменшиться вдвічі.
Одиниці виміру.
| ОДИНИЦІ ВИМІРЮВАННЯ РАДІАКТИВНОСТІ | ||
| Бекерель (Бк, Вq); Кюрі (Кі, Сі) | 1 Бк = 1розпад у сек. 1 Кі = 3,7 х 10 10 Бк | Одиниці активності радіонукліду. Є число розпадів в одиницю часу. |
| Ґрей (Гр, Gу); Радий (рад, rad) | 1 Гр = 1 Дж/кг 1 рад = 0.01 Гр | Одиниці поглиненої дози. Є кількістю енергії іонізуючого випромінювання, поглинене одиницею маси будь-якого фізичного тіла, наприклад тканинами організму. |
| Зіверт (Зв, Sv) Бер (бер, rem) - "біологічний еквівалент рентгену" | 1 Зв = 1Гр = 1Дж/кг (для бета та гама) 1 мкЗв = 1/1000000 Зв 1 бер = 0.01 Зв = 10мЗв | Одиниці еквівалентної дози. Є одиницю поглиненої дози, помножену на коефіцієнт, що враховує неоднакову небезпеку різних видів іонізуючого випромінювання. |
| Грей за годину (Гр/год); Зіверт на годину (Зв/год); Рентген на годину (Р/год) | 1 Гр/год = 1 Зв/год = 100 Р/год (для бета та гама) 1 мк Зв/год = 1 мкГр/год = 100 мкР/год 1 мкР/год = 1/1000000 Р/год | Одиниці потужності дози. Є дозою отриманою організмом за одиницю часу. |
Вплив іонізуючого випромінювання на біологічні об'єкти.
Внаслідок впливу іонізуючого випромінювання на організм людини в тканинах можуть відбуватися складні фізичні, хімічні та біохімічні процеси.
При попаданні радіоактивних речовин усередину організму вражаючу дію в основному альфа-джерела, та був і бетта-джерела, тобто. у зворотному зовнішньому опроміненню послідовності. Альфа-частинки, що мають невелику щільність іонізації, руйнують слизову оболонку, яка є слабким захистом внутрішніх органів у порівнянні із зовнішнім шкірним покривом.
Існує три шляхи надходження радіоактивних речовин в організм: при вдиханні повітря, забрудненого радіоактивними речовинами, через заражену їжу або воду, через шкіру, а також при зараженні відкритих ран. Найбільш небезпечний перший шлях, оскільки по-перше, обсяг легеневої вентиляції дуже великий, а по-друге, значення коефіцієнта засвоєння в легенях вищі.
Пилові частинки, на яких сорбовані радіоактивні ізотопи, при вдиханні повітря через верхні дихальні шляхи частково осідають у порожнині рота та носоглотці. Звідси пил надходить у травний тракт. Інші частки надходять у легені. Ступінь затримки аерозолів у легенях залежить від їхньої дисперсійності. У легенях затримується близько 20% всіх частинок; при зменшенні розмірів аерозолів величина затримки збільшується до 70%.
При всмоктуванні радіоактивних речовин із шлунково-кишкового тракту має значення коефіцієнт резорбції, що характеризує частку речовини, що потрапляє зі шлунково-кишкового тракту до крові. Залежно від природи ізотопу коефіцієнт змінюється у межах: від сотих часток відсотка(для цирконію, ніобію), до кількох десятків відсотків (водень, лужно-земельні елементи). Резорбція через неушкоджену шкіру в 200-300 разів менша, ніж через шлунково-кишковий тракт, і, як правило, не відіграє суттєвої ролі.
При попаданні радіоактивних речовин в організм будь-яким шляхом вони вже за кілька хвилин виявляються у крові. Якщо надходження радіоактивних речовин було одноразовим, то концентрація їх у крові спочатку зростає до максимуму, та був протягом 15-20 діб знижується.
Концентрації в крові довгоживучих ізотопів надалі можуть утримуватися практично на одному рівні протягом тривалого часу внаслідок зворотного вимивання речовин, що відклалися. Ефект впливу іонізуючого випромінювання на клітину – результат комплексних взаємопов'язаних та взаємообумовлених перетворень. По А.М. Кузину, радіаційне ураження клітини здійснюється у три етапи. На першому етапі випромінювання впливає на складні макромолекулярні утворення, іонізуючи та порушуючи їх. Це фізична стадія променевого впливу. Другий етап – хімічні перетворення. Вони відповідають процесам взаємодії радикалів білків, нуклеїнових кислот та ліпідів з водою, киснем, радикалами води та виникнення органічних перекисів. Радикали, що у шарах впорядковано розташованих білкових молекул, взаємодіють із заснуванням " зшивок " , у результаті порушується структура біомембран. Через пошкодження лізосомальних мембран відбувається збільшення активності та вивільнення ферментів, які шляхом дифузії досягають будь-якої органели клітини та легко в неї проникають, викликаючи її лізис.
Кінцевий ефект опромінення є результатом як первинного пошкодження клітин, а й наступних процесів відновлення. Передбачається, що значна частина первинних ушкоджень у клітині виникає у вигляді про потенційних ушкоджень, які можуть реалізовуватися у разі відсутності відновлювальних процесів. Реалізація цих процесів сприяють процесам біосинтезу білків і нуклеїнових кислот. Поки реалізації потенційних пошкоджень не відбулося, клітина може в них "відновитися". Це, як передбачається, пов'язане з ферментативними реакціями та обумовлено енергетичним обміном. Вважається, що в основі цього явища лежить діяльність систем, які у звичайних умовах регулюють інтенсивність природного мутаційного процесу.
Мутагенний вплив іонізуючого випромінювання вперше встановили російські вчені Р.А. Надсон та Р.С. Філіппов у 1925 році у дослідах на дріжджах. У 1927 року це відкриття підтверджено Р.Меллером на класичному генетичному об'єкті - дрозофіле.
Іонізуючі випромінювання здатні викликати всі види спадкових змін. Спектр мутацій, індукованих опроміненням, не відрізняється від спектра спонтанних мутацій.
Останні дослідження Київського Інституту нейрохірургії показали, що радіація навіть у малих кількостях, при дозах у десятки бер, дуже впливає на нервові клітини - нейрони. Але нейрони гинуть не від прямої дії радіації. Як з'ясувалося, внаслідок дії радіації у більшості ліквідаторів ЧАЕС спостерігається "післярадіаційна енцефлопатія". Загальні порушення в організмі під дією радіації призводить до зміни обміну речовин, які спричиняють патологічні зміни головного мозку.
2. Принципи влаштування ядерних боєприпасів. Основні можливості подальшого розвитку та вдосконалення ядерної зброї.
Ядерними боєприпасами називаються споряджені ядерними (термоядерними) зарядами бойові частини ракет, авіаційні бомби, артилерійські снаряди, торпеди та інженерні керовані міни (ядерні фугаси).
Основними елементами ядерних боєприпасів є: ядерний заряд, датчики підриву, система автоматики, джерело електричного живлення та корпус.
Корпус служить для компонування всіх елементів боєприпасу, запобігання їх від механічних та теплових пошкоджень, надання боєприпасу необхідної балістичної форми, а також підвищення коефіцієнта використання ядерного пального.
Датчики підриву (підривні пристрої) призначені для подачі сигналу приведення в дію ядерного заряду. Вони можуть бути контактного та дистанційного (неконтактного) типів.
Контактні датчики спрацьовують на момент зустрічі боєприпасу з перешкодою, а дистанційні - на заданій висоті (глибині) від землі (води).
Дистанційні датчики залежно від типу та призначення ядерного боєприпасу можуть бути тимчасовими, інерційними, барометричними, радіолокаційними, гідростатичними та ін.
Система автоматики включає систему запобігання, блок автоматики та систему аварійного підриву.
Система запобігання виключає можливість випадкового вибуху ядерного заряду під час проведення регламентних робіт, зберігання боєприпасу та при польоті його на траєкторії.
Блок автоматики спрацьовує за сигналами, що надходять від датчиків підриву і призначений для формування високовольтного електричного імпульсу приведення в дію ядерного заряду.
Система аварійного підриву служить самознищення боєприпасу без ядерного вибуху у разі його відхилення від заданої траєкторії.
Джерелом живлення всієї електричної системи боєприпасу є акумуляторні батареї різних типів, які мають одноразову дію і наводяться в робочий стан безпосередньо перед його бойовим застосуванням.
Ядерний заряд являє собою пристрій для ядерного вибуху Нижче будуть розглянуті існуючі типи ядерних зарядів та їх принциповий пристрій.
Ядерні заряди
Пристрої, призначені реалізації вибухового процесу вивільнення внутрішньоядерної енергії, називаються ядерними зарядами.
Розрізняють два основні види ядерних зарядів:
1 - заряди, енергія вибуху яких обумовлена ланцюговою реакцією речовин, що діляться, переведених у надкритичний стан, - атомні заряди;
2-заряди, енергія вибуху яких обумовлена термоядерною реакцією синтезу ядер, - термоядерні заряди.
Атомні заряди. Основним елементом атомних зарядів є речовина, що ділиться (ядерна вибухова речовина).
До вибуху маса ЯВВ перебуває у підкритичному стані. Для здійснення ядерного вибуху вона перетворюється на надкритичний стан. Використовуються два типи пристроїв, що забезпечують формування надкритичної маси: гарматний н імплозивний.
У зарядах гарматного типу ЯВВ складається з двох або більше частин, маса яких окремо менша за критичну, що забезпечує виключення мимовільного початку ланцюгової ядерної реакції. При здійсненні ядерного вибуху окремі частини ЯВВ під дією енергії вибуху звичайної вибухової речовини з'єднуються в одне ціле та загальна маса ЯВВ стає більш критичною, що створює умови для ланцюгової реакції вибухового характеру.
Переведення заряду в надкритичний стан здійснюється дією порохового заряду. Ймовірність отримання розрахункової потужності вибуху у таких зарядах залежить від швидкості зближення частин ЯВВ. В цьому випадку реакція може початися з одного початкового центру поділу під впливом, наприклад, нейтрона спонтанного поділу, внаслідок чого відбувається неповноцінний вибух з невеликим коефіцієнтом використання ядерного пального
Перевагою ядерних зарядів гарматного типу є простота конструкції, малі габарити та маса, висока механічна міцність, що дозволяє створювати на їх основі малогабаритні ядерні боєприпаси (артилерійські снаряди, ядерні міни та ін.).
У зарядах імплозивного типу для створення надкритичної маси використовується ефект імплозії - всебічного обтиснення ЯВВ силою вибуху звичайного ВР, що призводить до різкого збільшення його щільності.
Ефект імплозії створює величезну концентрацію енергії в зоні ЯВВ і дозволяє досягти тиску, що перевищує мільйони атмосфер, що призводить до збільшення щільності ЯВВ у 2 – 3 рази та зменшення критичної маси у 4 – 9 разів.
Для гарантованого імітування ланцюгової реакції поділу та її прискорення від штучного джерела нейтронів повинен бути поданий потужний імпульс нейтронів у момент найвищої імплозії Оскільки в такому стані ЯВВ знаходиться протягом кількох мікросекунд, то момент посилки імпульсу нейтронів повинен бути синхронізований з моментом досягнення найбільшої критично.
Перевагою атомних зарядів імплозивного типу є високий коефіцієнт використання ЯВВ, а також можливість у певних межах змінювати потужність ядерного вибуху за допомогою спеціального перемикача.
До недоліків атомних зарядів відносяться великі маса та габарити, низька механічна міцність та чутливість до температурного режиму
Термоядерні заряди У зарядах цього типу умови для реакції синтезу створюються за рахунок підриву атомного заряду (детонатора) з урану-235, плутонію-239 або каліфорнію-251. Термоядерні заряди можуть бути нейтронними та комбінованими
У термоядерних нейтронних зарядах, в якості термоядерного пального використовуються дейтерій і тритій у чистому вигляді або у вигляді гідридів металів "Запалом" реакції служить високозбагачений плутоній-239 або каліфорній-251, що володіють порівняно невеликою величиною критичної маси.
У термоядерних комбінованих зарядах як термоядерного пального використовується дейтерид літію (LiD). Для "запала" реакції синтезу служить реакція поділу урану-235. З метою отримання нейтронів високої енергії для протікання реакції (1.18) вже на самому початку ядерного процесу в ядерний заряд поміщається ампула з тритієм (1Н3). нейтронів, що виділяються при реакціях синтезу дейтерію і тритію, а також поділу урану-238 (найпоширенішого та найдешевшого природного урану), яким спеціально оточується зона реакції у вигляді оболонки Наявність такої оболонки дозволяє не тільки здійснити лавиноподібну термоядерну реакцію, але й отримати додаткову енергію вибуху, так як при високій щільності потоку нейтронів з енергією більше 10 МеВ реакція поділу ядер урану-238 протікає досить ефективно а.
Класифікація ядерних боєприпасів
Ядерні боєприпаси класифікують за потужністю енергії ядерного заряду, що виділяється, а також за типом використовуваної в них ядерної реакції. Тротиловий еквівалент позначається літерою § та вимірюється в тоннах (т), тисячах тонн (кг), мільйонах тонн (Мт)
За потужністю ядерні боєприпаси умовно поділяються п'ять калібрів.
Калібр ядерного боєприпасу
Тротиловий еквівалент тис. т.
Надмалий До 1
Середня 10-100
Великий 100-1000
Надвеликий Більше 1000
Класифікація ядерних вибухів за видами та потужністю. Вражаючі чинники ядерного вибуху.
Залежно від завдань, які розв'язують із застосуванням ядерної зброї, ядерні вибухи можуть здійснюватися в повітрі, на поверхні землі та води, під землею та водою. Відповідно до цього розрізняють повітряний, наземний (надводний) та підземний (підводний) вибухи (рис. 3.1).
Повітряний ядерний вибух – це вибух, зроблений на висоті до 10 км, коли область, що світиться, не стосується землі (води). Повітряні вибухи поділяються на низькі та високі. Сильне радіоактивне зараження місцевості утворюється поблизу епіцентрів низьких повітряних вибухів. Зараження місцевості за слідом хмари істотного впливу дії особового складу не надає. Найповніше при повітряному ядерному вибуху проявляються ударна хвиля, світлове випромінювання, проникаюча радіація та ЕМІ.
Наземний (надводний) ядерний вибух – це вибух, зроблений на поверхні землі (води), при якому область, що світиться, стосується поверхні землі (води), а пиловий (водяний) стовп з моменту утворення з'єднаний з хмарою вибуху. 50 Характерною особливістю наземного (надводного) ядерного вибуху є сильне радіоактивне зараження місцевості (води) як у районі вибуху, так і у напрямку руху хмари вибуху. Вражаючими факторами цього вибуху є ударна хвиля, світлове випромінювання, проникаюча радіація, радіоактивне зараження місцевості та ЕМІ.
Підземний (підводний) ядерний вибух – це вибух, зроблений під землею (під водою) і характеризується викидом великої кількості ґрунту (води), перемішаного з продуктами ядерної вибухової речовини (уламками розподілу урану-235 або плутонію-239) . Вражаюча і руйнівна дія підземного ядерного вибуху визначається в основному сейсмо- вибуховими хвилями (основний вражаючий фактор), утворенням вирви в ґрунті та сильним радіоактивним зараженням місцевості. Світлове випромінювання та проникаюча радіація відсутні. Характерним для підводного вибуху є утворення султана (стовпа води), базисної хвилі, що утворюється під час обвалення султана (стовпа води).
Повітряний ядерний вибух починається короткочасним сліпучим спалахом, світло від якого можна спостерігати на відстані кількох десятків і сотень кілометрів. Слідом за спалахом з'являється область, що світиться, у вигляді сфери або напівсфери (при наземному вибуху), що є джерелом потужного світлового випромінювання. Одночасно із зони вибуху в навколишнє середовище поширюється потужний потік гамма-випромінювання та нейтронів, які утворюються в ході ланцюгової ядерної реакції та в процесі розпаду радіоактивних уламків поділу ядерного заряду. Гамма-кванти та нейтрони, що випускаються при ядерному вибуху, називають проникаючою радіацією. Під дією миттєвого гамма-випромінювання відбувається іонізація атомів навколишнього середовища, що призводить до виникнення електричних та магнітних полів. Ці поля, зважаючи на їх короткочасність дії, прийнято називати електромагнітним імпульсом ядерного вибуху.
У центрі ядерного вибуху температура миттєво підвищується до кількох мільйонів градусів, внаслідок чого речовина заряду перетворюється на високотемпературну плазму, що випромінює рентгенівське випромінювання. Тиск газоподібних продуктів спочатку досягає кількох мільярдів атмосфер. Сфера розжарених газів, що світиться, прагнучи розширитися, стискає прилеглі шари повітря, створює різкий перепад тиску на межі стисненого шару і утворює ударну хвилю, яка поширюється від центру вибуху в різних напрямках. Оскільки щільність газів, що становлять вогненну кулю, набагато нижчу за щільність навколишнього повітря, то куля швидко піднімається вгору. При цьому утворюється хмара грибоподібної форми, що містить гази, пари води, дрібні частинки ґрунту та величезну кількість радіоактивних продуктів вибуху. Після досягнення максимальної висоти хмара під дією повітряних течій переноситься на великі відстані, розсіюється і радіоактивні продукти випадають на поверхню землі, створюючи радіоактивне зараження місцевості та об'єктів.
У військових цілях;
За потужністю:
Надмалі (менше 1 тис. т. тротилу);
Малі (1 – 10 тис. т.);
Середні (10-100 тис. т);
Великі (100 тис. т. -1 Мт);
Надвеликі (понад 1 Мт).
За видом вибуху:
Висотний (понад 10 км);
Повітряний (світла хмара не досягає поверхні Землі);
Наземний;
Надводний;
Підземний;
Підводний.
Вражаючі фактори ядерного вибуху. Вражаючими факторами ядерного вибуху є:
ударна хвиля (50% енергії вибуху);
Світлове випромінювання (35% енергії вибуху);
Проникаюча радіація (45% енергії вибуху);
Радіоактивне зараження (10% енергії вибуху);
електромагнітний імпульс (1% енергії вибуху);
З курсу фізики відомо, що нуклони в ядрі – протони та нейтрони – утримуються разом сильною взаємодією. Воно значно перевершує сили Кулонівського відштовхування, тому ядро в цілому стабільне. У 20 столітті великий вчений Альберт Ейнштейн виявив, що маса окремо взятих нуклонів дещо більша, ніж їхня маса у зв'язаному стані (коли вони утворюють ядро). Куди подінеться частина маси? Виявляється, вона переходить в енергію зв'язку нуклонів і завдяки ній можуть існувати ядра, атоми та молекули.
Більшість відомих ядер стабільні, але трапляються і радіоактивні. Вони безперервно випромінюють енергію, оскільки схильні до радіоактивного розпаду. Ядра таких хімічних елементів є небезпечними для людини, але енергію, здатну зруйнувати цілі міста, вони не виділяють.
Колосальна енергія утворюється в результаті ланцюгової ядерної реакції. Як ядерне паливо в атомній бомбі використовують ізотоп урану-235, а також плутоній. Потрапляючи в ядро одного нейтрона воно починає ділитися. Нейтрон, будучи частинкою без електричного заряду, може легко поринути у структуру ядра, минаючи дію сил електростатичної взаємодії. В результаті воно почне розтягуватись. Сильна взаємодія між нуклонами почне слабшати, кулонівські сили залишаться колишніми. Ядро урану-235 розділиться на два (рідше три) уламки. З'являться два додаткові нейтрони, які потім можуть вступити в подібну реакцію. Тому вона називається ланцюговою: те, що викликає реакцію поділу (нейтрон) є її продуктом.
Внаслідок ядерної реакції виділяється енергія, яка пов'язувала нуклони в материнському ядрі урану-235 (енергія зв'язку). Ця реакція лежить в основі роботи ядерних реакторів та вибуху. Для її здійснення необхідне виконання однієї умови: маса пального має бути підкритичною. У момент з'єднання плутонію з ураном-235 відбувається вибух.
Ядерний вибух
Після зіткнення ядер плутонію та урану утворюється потужна ударна хвиля, що вражає все живе в радіусі близько 1 км. Вогненна куля, що з'явилася на місці вибуху, поступово розширюється до 150 метрів. Його температура опускається до 8 тисяч Кельвін, коли ударна хвиля відійде досить далеко. Нагріте повітря переносить радіоактивний пил на великі відстані. Ядерний вибух супроводжується потужним електромагнітним випромінюванням.
Є одним із найдивовижніших, загадкових та страшних процесів. Принцип дії ядерної зброї ґрунтується на ланцюговій реакції. Це такий процес, сам процес якого ініціює його продовження. Принцип дії водневої бомби ґрунтується на синтезі.
Атомна бомбаЯдра деяких ізотопів радіоактивних елементів (плутоній, каліфорній, уран та інших) здатні розпадатися, захоплюючи при цьому нейтрон. Після цього виділяється ще два чи три нейтрони. Руйнування ядра одного атома за ідеальних умов може призвести до розпаду ще двох або трьох, які, у свою чергу, можуть ініціювати інші атоми. І так далі. Відбувається лавиноподібний процес руйнування дедалі більшої кількості ядер з вивільненням гігантської кількості енергії розриву атомних зв'язків. Під час вибуху величезні енергії вивільняються за надмалий проміжок часу. Відбувається це в одній точці. Тому вибух атомної бомби є настільки потужним та руйнівним.
Щоб ініціювати початок ланцюгової реакції, необхідно щоб кількість радіоактивної речовини перевищила критичну масу. Очевидно, що потрібно взяти кілька частин урану або плутонію та поєднати в одне ціле. Однак, щоб викликати вибух атомної бомби, цього недостатньо, тому що реакція припиниться раніше, ніж виділиться достатня кількість енергії, або процес протікатиме повільно. Для того, щоб досягти успіху, необхідно не просто перевищити критичну масу речовини, а зробити це вкрай малий проміжок часу. Найкраще використовувати кілька. Цього досягають за допомогою застосування інших. Причому чергують швидку і повільну вибухівки.
Перше ядерне випробування було проведено у липні 1945 року у США неподалік містечка Алмогордо. У серпні того ж року американці застосували цю зброю проти Хіросіма та Нагасакі. Вибух атомної бомби у місті призвів до жахливих руйнувань та загибелі більшої частини населення. У СРСР атомну зброю було створено та випробувано у 1949 році.
Воднева бомба
Є зброєю з дуже великою руйнівною силою. Принцип її дії ґрунтується на синтезі з більш легких атомів водню важких ядер гелію. При цьому відбувається звільнення дуже великої кількості енергії. Ця реакція аналогічна до процесів, які протікають на Сонці та інших зірках. найлегше проходить з використанням ізотопів водню (тритію, дейтерію) та літію.
Випробування першого водневого боєзаряду провели американці у 1952 році. У сучасному розумінні цей пристрій важко назвати бомбою. Це був триповерховий будинок, заповнений рідким дейтерієм. Перший вибух водневої бомби в СРСР був зроблений на півроку пізніше. Радянський термоядерний боєприпас РДС-6 підірвали у серпні 1953 року під Семипалатинськом. Найбільшу водневу бомбу потужністю 50 мегатонн (Цар-бомба) СРСР зазнав 1961 року. Хвиля після вибуху боєприпасу обігнула планету тричі.
Ядерну зброю
Ядерна зброя - сукупність ядерних боєприпасів, засобів їх доставки до мети та засобів управління. Належить до зброї масового ураження (поряд з біологічною та хімічною зброєю). Ядерний боєприпас - вибуховий пристрій, що використовує ядерну енергію - енергію, що вивільняється в результаті лавиноподібно протікає ланцюгової ядерної реакції розподілу важких ядер та/або термоядерної реакції синтезу легких ядер.
Дія ядерної зброї заснована на використанні енергії вибуху ядерного вибухового пристрою, що вивільняється в результаті некерованої ланцюгової реакції лавиноподібно ділення важких ядер і/або реакції термоядерного синтезу.
Ядерні вибухи можуть бути наступних видів:
· Повітряний - в тропосфері
· Висотний - у верхніх шарах атмосфери та у ближньому навколопланетному космосі
· Космічний - у далекому навколопланетному космосі та будь-якій іншій області космічного простору
· Наземний вибух - біля самої землі
· Підземний вибух (під поверхнею землі)
· Надводний (біля самої поверхні води)
· Підводний (під водою)
Вражаючі фактори ядерного вибуху:
· ударна хвиля
· Світлове випромінювання
· Проникаюча радіація
· радіоактивне зараження
· Електромагнітний імпульс (ЕМІ)
Співвідношення потужності впливу різних факторів залежить від конкретної фізики ядерного вибуху. Наприклад, для термоядерного вибуху характерні сильніші ніж у т.зв. атомного вибуху світлове випромінювання, гамма-променевий компонент проникаючої радіації, але значно слабші корпускулярний компонент проникаючої радіації та радіоактивне зараження місцевості.
Люди, які безпосередньо зазнали впливу вражаючих факторів ядерного вибуху, крім фізичних пошкоджень, які найчастіше є фатальними для людини, зазнають потужного психологічного впливу від жахливого виду картини вибуху та руйнувань. Електромагнітний імпульс (ЕМІ) безпосереднього впливу на живі організми не надає, але може порушити роботу електронної апаратури (лампова електроніка та фотонна апаратура порівняно нечутливі до дії ЕМІ).
Класифікація ядерних боєприпасів
Усі ядерні боєприпаси можна розділити на дві основні категорії:
· «атомні» - однофазні або одноступінчасті вибухові пристрої, в яких основний вихід енергії походить від ядерної реакції розподілу важких ядер (урану-235 або плутонію) з утворенням легших елементів
· Термоядерні (також «водневі») - двофазні або двоступінчасті вибухові пристрої, в яких послідовно розвиваються два фізичні процеси, локалізовані в різних областях простору: на першій стадії основним джерелом енергії є реакція поділу важких ядер, а на другій реакції поділу та термоядерного синтезу використовуються у різних пропорціях, залежно від типу та налаштування боєприпасу
Потужність ядерного заряду вимірюється в тротиловому еквіваленті - кількості тринітротолуолу, яке необхідно підірвати для отримання тієї ж енергії. Зазвичай його виражають у кілотоннах (кт) та мегатоннах (Мт). Тротиловий еквівалент умовний: по-перше, розподіл енергії ядерного вибуху за різними вражаючими факторами істотно залежить від типу боєприпасу, і, у будь-якому разі, дуже відрізняється від хімічного вибуху. По-друге, просто неможливо досягти повного згоряння відповідної кількості хімічної вибухової речовини.
Прийнято ділити ядерні боєприпаси за потужністю п'ять груп:
· Надмалі (менше 1 кт)
· малі (1 - 10 кт)
· Середні (10 - 100 кт)
· Великі (великої потужності) (100 кт - 1 Мт)
· Надвеликі (надвеликої потужності) (понад 1 Мт)
Варіанти детонації ядерних боєприпасів
Гарматна схема
"Гарматна схема" використовувалася в деяких моделях ядерної зброї першого покоління. Суть гарматної схеми полягає у вистрілюванні зарядом пороху одного блоку матеріалу, що ділиться докритичної маси («куля») в інший - нерухомий («мішень»).
Класичним прикладом гарматної схеми є бомба "Малюк" ("Little Boy"), скинута на Хіросіму 6 серпня 1945 року.
Імплозивна схема
Імплозивна схема детонації використовує обтиснення матеріалу, що ділиться, сфокусованою ударною хвилею, створюваної вибухом хімічної вибухівки. Для фокусування ударної хвилі використовуються так звані вибухові лінзи і підрив проводиться одночасно в багатьох точках з високою точністю. Формування ударної хвилі, що сходить, забезпечувалося використанням вибухових лінз з «швидкої» і «повільної» вибухівок - ТАТВ (тріамінотринітробензол) і баратолу (суміш тринітротолуолу з нітратом барію), і деякими добавками (див. анімацію). Створення подібної системи розташування вибухівки і підриву було свого часу однією з найскладніших і трудомістких завдань. Для її вирішення потрібно виконати гігантський обсяг складних обчислень з гідро- та газодинаміки.
Друга із застосованих атомних авіабомб - "Товстун" ("Fat Man"), - скинута на Нагасакі 9 серпня 1945 року, була виконана за такою ж схемою.
