Класифікація ядерних вибухів,- Ядерні вибухи

Безпека життєдіяльності

3. БЕЗПЕКА ЖИТТЄДІЯЛЬНОСТІ В НАДЗВИЧАЙНИХ СИТУАЦІЯХ

3.2. Ядерні вибухи

3.2.1. Класифікація ядерних вибухів

Ядерна зброя розроблена в США під час Другої світової війни в основному зусиллями європейських вчених (Ейнштейн, Бор, Фермі та ін.). Перше випробування цієї зброї відбулося у США на полігоні Аламогордо 16 липня 1945 р. (в цей час у переможеній Німеччині проходила Потсдамська конференція). А лише через 20 днів, 6 серпня 1945 р., на японське місто Хіросіму без усякої військової потреби та доцільності була скинута

атомна бомба колосальної для того часу потужності – 20 кілотонн. Через три дні, 9 серпня 1945 р., атомному бомбардуванню було піддане друге японське місто – Нагасакі. Наслідки ядерних вибухів були жахливі. У Хіросімі із 255 тис. жителів було вбито чи поранено майже 130 тис. чоловік. Із майже 200 тис. мешканців Нагасакі було уражено понад 50 тис. осіб.

Потім ядерна зброя була виготовлена та випробовувалася в СРСР (1949), у Великобританії (1952), у Франції (1960), у Китаї (1964). Нині у науково-технічному відношенні до виробництва ядерної зброї готові понад 30 держав світу.

Тепер існують ядерні заряди, котрі використовують

реакцію поділу урану-235 та плутонія-239 і термоядерні заряди, в яких використовується (під час вибуху) реакція синтезу. При захопленні одного нейтрона ядро урану-235 ділиться на два осколки, виділяючи гамма – кванти та ще два нейтрони (2,47 нейтрона для урану-235 та 2,91 нейтрона для плутонію – 239). Якщо маса урану більша за третину, то ці два нейтрони ділять ще два ядра, виділяючи вже чотири нейтрони. Після поділу наступних чотирьох ядер виділяються вісім нейтронів і т. д. Відбувається ланцюгова реакція, яка призводить до ядерного вибуху.

Класифікація ядерних вибухів:

– за типом заряду:

– ядерні (атомні) – реакція поділу;

– термоядерні – реакція синтезу;

– нейтронні – великий потік нейтронів;

– комбіновані.

– зі призначенням:

– випробувальні;

– у мирних цілях;

– у воєнних цілях;

– за потужністю:

– надмалі (менше ніж 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 (світлова хмара не сягає поверхні Землі);

– наземний;

– надводний;

– підземний;

– підводний.

Уражаючи фактори ядерного вибуху. Уражаючими 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);

Ударна хвиля (УХ) (50% енергії вибуху). УХ – це зона сильного стиснення повітря, яке поширюється із надзвуковою швидкістю на всі боки від центру вибуху. Джерелом ударної хвилі є високий тиск у центрі вибуху, що досягає 100 млрд. кПа. Продукти вибуху, а також дуже нагріте повітря, розширюючись, стискають оточуючий шар повітря. Цей стиснутий шар повітря також стискає наступний шар. Таким чином тиск передається від одного шару до іншого, створюючи УХ. Передній кордон стиснутого повітря називається фронтом УХ.

Основними параметрами УХ є:

– надмірний тиск;

– швидкісний напір;

– час дії ударної хвилі.

Надмірний тиск – це різниця між максимальним тиском у фронті УХ та атмосферним тиском.

Рф=Рф. макс-Р0

Вимірюється у кПа або кгс/см2 (1 агм = 1,033 кгс/см2 = = 101,3 кПа; 1 атм = 100 кПа).

Значення надмірного тиску в основному залежить від потужності та виду вибуху, а також від відстані до центру вибуху.

Воно може сягати 100 кПа при вибухах потужністю 1 мт та більше.

Надмірний тиск швидко зменшується з віддаленням від епіцентру вибуху.

Швидкісний напір повітря – це динамічне навантаження, яке створює потік повітря, позначається Р, вимірюється у кПа. Величина швидкісного напору повітря залежить від швидкості та густини повітря за фронтом хвилі і тісно пов’язана із значенням максимального надмірного тиску ударної хвилі. Швидкісний напір помітно діє при надмірному тиску понад 50 кПа.

Час дії ударної хвилі (надмірного тиску) вимірюється у секундах. Чим більший час дії, тим більша уражаюча дія УХ. УХ ядерного вибуху середньої потужності (10-100 кт) проходить 1000 м. за 1,4 с; 2000 м. за 4 с; 5000 м. – за 12 с. УХ уражає людей та руйнує будинки, споруди, об’єкти та техніку зв’язку.

На незахищених людей ударна хвиля впливає безпосередньо та опосередковано (опосередковані ураження – це ураження, які завдаються людині уламками будинків, споруд, уламками скла та іншими предметами, які під дією швидкісного напору повітря переміщаються з великою швидкістю). Травми, які виникають внаслідок дії ударної хвилі, поділяють на:

– легкі, характерні для РФ=20 – 40 кПа;

– /span> середні, характерні для РФ=40 – 60 кПа:

– важкі, характерні для РФ=60 – 100 кПа;

– дуже важкі, характерні для РФ вище 100 кПа.

При вибуху потужністю до 1 Мт незахищені люди можуть отримати легкі травми, знаходячись від епіцентру вибуху за 4,5 – 7 км, важкі – за 2 – 4 км.

Для захисту від УХ використовуються спеціальні сховища, а також підвали, підземні виробки, шахти, природні укриття, складки місцевості та ін.

Об’єм та характер руйнування будинків та споруд залежить від потужності та виду вибуху, відстані від епіцентру вибуху, міцності та розмірів будинків та споруд. Із наземних будинків та споруд найстійкішими є монолітні залізобетонні споруди, будинки із металевим каркасом та споруди антисейсмічної конструкції. При ядерному вибуху потужністю 5 Мт залізобетонні конструкції руйнуватимуться у радіусі 6,5 км., цегляні будинки – до 7,8 км., дерев’яні будуть повністю зруйновані у радіусі 18 км.

УХ має властивість проникати у приміщення крізь віконні та дверні отвори, викликаючи руйнування перегородок та апаратури. Технологічне обладнання стійкіше і руйнується головним чином внаслідок обвалення стін та перекриття будинків, в яких воно змонтоване.

Світлове випромінювання (35 % енергії вибуху). Світлове випромінювання (СВ) є електромагнітним випромінюванням в ультрафіолетовій, видимій та інфрачервоній областях спектра. Джерелом СВ є світлова область, яка поширюється із швидкістю світла (300 000 км/с). Час існування світної області залежить від потужності вибуху та становить для зарядів різних калібрів: надмалого калібру – десяті частини секунди, середнього – 2 – 5 с, надвеликого – декілька десятків секунд. Розмір світної області для надмалого калібру – 50-300 м, середнього 50 – 1000 м, надвеликого – декілька кілометрів.

Основним параметром, що характеризує СВ, є світловий імпульс. Вимірюється у калоріях на 1 см2 поверхні, розташованої перпендикулярно напрямку безпосереднього випромінювання, а також у кілоджоулях на м2:

1 кал/см2 = 42 кДж/м2.

Залежно від величини сприйнятого світлового імпульсу та глибини ураження шкірного покриву у людини виникають опіки трьох ступенів:

– опіки І ступеня характеризуються почервонінням шкіри, припухлістю, болючістю, спричинюються світловим імпульсом 100-200 кДж/м2;

– опіки ІІ ступеня (пухирі) виникають при світловому імпульсі 200…400 кДж/м2;

– опіки ІІІ ступеня (виразки, змертвіння шкіри) з’являються при величині світлового імпульсу 400-500 кДж/м2.

Велика величина імпульсу (понад 600 кДж/м2) спричинює обвуглення шкіри.

Під час ядерного вибуху 20 кт опіки І ступеня будуть спостерігатися у радіусі 4,0 км., 11 ступеня – у радіусі 2,8 кт, III ступеня – у радіусі 1,8 км.

При потужності вибуху 1 Мт ці відстані збільшуються до 26,8 км., 18,6 км., та 14,8 км. відповідно.

СВ поширюється прямолінійно та не проходить крізь непрозорі матеріали. Тому будь-яка перешкода (стіна, ліс, броня, густий туман, пагорби тощо) здатна утворити зону тіні, захищає від світлового випромінювання.

Найсильнішим ефектом СВ є пожежі. На розмір пожеж впливають такі чинники, як характер та стан забудови.

При щільності забудови понад 20% осередки пожежі можуть злитися в одну суцільну пожежу.

Втрати від пожежу Другій світовій війні становили 80%. При відомому бомбардуванні Гамбурга одночасно підпалювалося 16 тис. будинків. Температура у районі пожеж сягала 800°С.

СВ значно посилює дію УХ.

Проникаюча радіація (45% енергії вибуху) спричинюється випромінюванням та потоком нейтронів, які поширюються на декілька кілометрів навкруги ядерного вибуху, іонізуючи атоми цього середовища. Ступінь іонізації залежить від дози випромінювання, одиницею вимірювання якої служить рентген ( в 1 см. сухого повітря за температуру та тиску 760 мм рт. ст. утворюється близько двох мільярдів пар іонів). Іонізуюча здатність нейтронів оцінюється в екологічних еквівалентах рентгена (Бер – доза нейтронів, вплив яких дорівнює впливові рентгена випромінювання).

Вплив проникаючої радіації на людей викликає у них променеву хворобу. Променева хвороба І ступеня (загальна слабкість, нудота, запаморочення, спітнілість) розвивається здебільшого при дозі 100 – 200 рад.

Променева хвороба II ступеня (блювота, різкий головний біль) виникає при дозі 250-400 рад.

Променева хвороба III ступеня (50% помирає) розвивається при дозі 400 – 600 рад.

Променева хвороба IV ступеня (здебільшого настає смерть) виникає при опроміненні понад 600 рад.

При ядерних вибухах малої потужності вплив проникаючої радіації значніший, ніж УХ та світлового опромінювання. Із збільшенням потужності вибуху відносна частка уражень проникаючої радіації зменшується, оскільки зростає число травм та опіків. Радіус ураження проникаючою радіацією обмежується 4- 5 км. незалежно від збільшення потужності вибуху.

Проникаюча радіація суттєво впливає на ефективність роботи радіоелектронної апаратури та систем зв’язку. Імпульсне випромінювання, потік нейтронів порушують функціонування багатьох електронних систем, особливо тих, що працюють в імпульсному режимі, викликаючи перерви в електропостачанні, замикання в трансформаторах, підвищення напруги, перекручування форми та величини електричних сигналів.

При цьому випромінювання викликає тимчасові перерви у роботі апаратури, а потік нейтронів – незворотні зміни.

Для діодів при щільності потоку 1011 (германієві) та 1012 (кремнієві) нейтронів/ем2 змінюються характеристики прямого та зворотного струмів.

У транзисторах зменшується коефіцієнт підсилювання струму та збільшується зворотний струм колектора. Кремнієві транзистори стійкіші і зберігають свої підсилюючі властивості при потоках нейтронів понад 1014 нейтронів/см2.

Електровакуумні прилади стійкіші та зберігають свої властивості до щільності потоку 571015 – 571016 нейтронів/ см2.

Резистори та конденсатори стійкі до щільності 1018 нейтронів/см2. Потім у резисторів змінюється провідність, у конденсаторів збільшуються витоки та втрати, особливо для електролічильних конденсаторів.

Радіоактивне зараження (до 10% енергії ядерного вибуху) виникає через наведену радіацію, випадання на землю відламків поділу ядерного заряду та частини залишкового урану-235 чи плутонію-239.

Радіоактивне зараження місцевості характеризується рівнем радіації, який вимірюється у рентгенах за годину.

Випадання радіоактивних речовин продовжується при русі радіоактивної хмари під впливом вітру, внаслідок чого на поверхні землі утворюється радіоактивний слід у вигляді смуги зараженої місцевості. Довжина сліду може сягати кількох десятків кілометрів і навіть сотень кілометрів, а ширина – десятків кілометрів.

Залежно від ступеня зараження та можливих наслідків опромінення виділяють 4 зони: помірного, сильного, небезпечного та надзвичайно небезпечного зараження.

Для зручності вирішення проблеми оцінки радіаційного стану межі зон прийнято характеризувати рівнями радіації на 1 год. після вибуху (Ро) і 10 год. після вибуху Р10. Також встановлюють значення доз гамма-випромінювання Д, які одержують за час від 1 год. після вибуху до повного розпаду радіоактивних речовин.

Зона помірного зараження (зона А) – Д = 40,0-400 рад. Рівень радіації на зовнішній межі зони Ро = 8 Р/год., Р10 = 0,5 Р/год. В зоні А роботи на об’єктах, як правило, не зупиняються. На відкритій місцевості, розташованій у середині зони чи у її внутрішній межі, роботи припиняються на декілька годин.

Зона сильного зараження (зона Б) – Д = 4000-1200 рад. Рівень радіації на зовнішній межі Ро = 80 Р/год., Р10 = 5 Р/год. Роботи зупиняються на 1 добу. Люди ховаються у сховищах чи евакуйовуються.

Зона небезпечного зараження (зона В) – Д = 1200 – 4000 рад. Рівень радіації на зовнішній межі Ро = 240 Р/год., Р10 = 15 Р/год. У цій зоні роботи на об’єктах зупиняються від 1 до 3-4 діб. Люди евакуйовуються чи ховаються в захисних спорудах.

Зона надзвичайно небезпечного зараження (зона Г) на зовнішній межі Д = 4000 рад. Рівні радіації Ро = 800 Р/год., Р10 = 50 Р/год. Роботи зупиняються на декілька діб та поновлюються після спаду рівня радіації до безпечного значення.

Для прикладу на рис. 23 показані розміри зон А, Б, В, Г, які утворюються під час вибуху потужністю 500 кт та швидкості вітру 50 км/год.

Характерною особливістю радіоактивного зараження внаслідок ядерних вибухів є порівняно швидкий спад рівнів радіації.

Великий вплив на характер зараження справляє висота вибуху. При висотних вибухах радіоактивна хмара піднімається на значну висоту, зноситься вітром та розсіюється на великому просторі.

Таблиця

Залежність рівня радіації від часу після вибуху

Час після вибуху, год.	1	2	3	4	5	6	7	8	10	12	15	20	48
	Рівень радіації, %	100	43,5	27,0	19,0	14,5	11,6	9,7	7,15	6,3	5,05	3,9	2,7	0,96

Перебування людей на зараженій місцевості спричинює їх опромінення радіоактивними речовинами. Крім того, радіоактивні частки можуть потрапляти всередину організму, осідати на відкритих ділянках тіла, проникати в кров крізь рани, подряпини, викликаючи той чи інший ступінь променевої хвороби.

Для умов воєнного часу безпечною дозою загального одноразового опромінення вважаються такі дози: протягом 4 діб – не більше ніж 50 рад, 10 діб – не більше ніж 100 рад, 3 місяці – 200 рад, за рік – не більше 300 рад.

Для роботи на зараженій місцевості використовуються засоби індивідуального захисту, при виході із зараженої зони проводиться дезактивація, а люди підлягають санітарній обробці.

Для захисту людей використовуються сховища та укриття. Кожна споруда оцінюється коефіцієнтом послаблення Кпосл, під яким розуміють число, що вказує, у скільки разів доза опромінення в сховищі менша від дози опромінення на відкритій місцевості. Для кам’яних будинків Кпосд – 10, автомобіля – 2, танка – 10, підвалів – 40, для спеціально обладнаних сховищ він може бути ще більшим (до 500).

Електромагнітний імпульс (EMI) (1 % енергії вибуху) являє собою короткочасний сплеск напруги електричного і магнітного полів та струмів внаслідок руху електронів від центру вибуху, що виникають внаслідок іонізації повітря. Амплітуда EMI дуже швидко зменшується по експоненті. Тривалість імпульсу дорівнює сотій частині мікросекунди (рис. 25). За першим імпульсом внаслідок взаємодії електронів з магнітним полем Землі виникає другий, триваліший імпульс.

Діапазон частот EMІ – до 100 м Гц, але в основному його енергія розподілена біля середньо-частотного діапазону 10-15 кГц. Уражаюча дія EMI – декілька кілометрів від центру вибуху. Так, при наземному вибуху потужністю 1 Мт вертикальна складова електричного поля EMI на відстані 2 км. від центру вибуху – 13 кВ/м, на 3 км – 6 кВ/м, 4 км – 3 кВ/м.

EMI безпосередньо на тіло людини не впливає.

При оцінці впливу на електронну апаратуру EMI потрібно враховувати й одночасний вплив EMI – випромінювання. Під впливом випромінювання збільшується провідність транзисторів, мікросхем, а під впливом EMI відбувається їх пробивання. EMI є надзвичайно ефективним засобом для пошкодження електронної апаратури. У програмі СОІ передбачене проведення спеціальних вибухів, при яких створюється EMI, достатній для знищення електроніки.