Ядерного оружия

Характеристика поражающих факторов

Развитие взрыва ядерного заряда начинается с цепной ядерной реакции деления. В ходе этой реакции из зоны взрыва в окружающую среду испускаются нейтроны и γ-излучение, называемые мгновенными, поток которых составляет проникающую радиацию ядерного взрыва. Мгновенное γ-излучение, взаимодействуя с атомами окружающей среды, создает поток быстрых электронов, летящих с большой скоростью, преимущественно в радиальном направлении от центра взрыва, и положительных ионов, остающихся практически на месте. Таким образом, в пространстве некоторое время происходит разделение положительных и отрицательных зарядов, что приводит к возникновению электрических и магнитных полей. Эти поля ввиду их кратковременности принято называть электромагнитным импульсомядерного взрыва. В зоне ядерной реакции вследствие превращения кинетической энергии осколков деления в тепловую в течение малого промежутка времени (миллионные доли секунды) температура возрастает до десятков миллионов градусов, а давление достигает десятков миллионов атмосфер. В таких условиях вещество боеприпаса превращается в высокотемпературный ионизированный газ-плазму, испускающий интенсивный поток электромагнитного излучения (рентгеновский участок спектра). Поглощаясь окружающим воздухом, рентгеновское излучение нагревает его, в результате чего возникает светящаяся область, являющаяся источникомсветового излучения ядерного взрыва. У поверхности светящейся области создается очень резкий перепад температуры и давления, в результате чего светящаяся область начинает стремительно расширяться, сжимая окружающие слои воздуха, и образуя тем самым мощную ударную волну. Последняя распространяется на значительные расстояния от места взрыва. При этом температура светящейся области падает, и последняя превращается в облако взрыва, содержащее радиоактивные вещества, образовавшиеся при делении ядерного топлива. Плотность области значительно меньше окружающего воздуха, поэтому оно быстро поднимается вверх, в связи с чем, создается мощный восходящий поток воздуха, увлекающий за собой поднятую взрывом пыль, т.е. образуется пылевой столб. В начальный момент после взрыва вследствие высокой температуры в облаке попавший в него грунт расплавляется, частично испаряется и перемешивается с радиоактивными веществами. Высота и скорость подъема облака взрыва и его размеры зависят от мощности взрыва. Воздушными потоками облако взрыва переносится на большие расстояния, а содержащаяся в нем радиоактивная пыль, под действием силы тяжести, выпадает на поверхность земли, образуя радиоактивное заражение местности.

Таким образом, поражающими факторами являютсяследующие воздействия.

Световое излучение представляет собой поток ультрафиолетовых, инфракрасных и видимых лучей. На этот фактор используется 30% энергии взрыва. Источником светового излучения служит огненный шар, состоящий из раскаленных продуктов взрыва и воздуха, нагретого от 8000 до 10000⁰С.

Основным параметром, определяющим поражающую способность светового излучения, является световой импульс (U_с). Это количество световой энергии, падающей перпендикулярно на 1 м² поверхности за все время свечения. Световой импульс измеряется в джоулях на 1м² (Дж/м²) или в калориях на 1см² (кал/см²); 1 кал/см² = 42 кДж/м². Характер воздействия светового импульса зависит не только от времени его действия, но и от плотности, теплопроводности, цвета и толщины материала, на который он воздействует. Световое излучение вызывает ожоги различной степени. При световом импульсе 80≤U_с≤160 кДж/м² возникают ожоги 1-й степени, при 160≤U_с≤400 кДж/м² − 2-й степени, при 400≤U_с≤600 кДж/м² − 3-й степени, при U_с ≥ 600 кДж/м² − 4-й степени. Материалы возгораются при U_с = 125 кДж/м² или более.

Ударная волна представляет собой область значительного сжатия среды (воздуха, грунта, воды), распределяющейся от центра взрыва во все стороны. При наземных и воздушных ядерных взрывах в воздухе возникают воздушные ударные волны, а в грунте и в воде – сейсмовзрывные волны. На образование ударной волны расходуется около 50% энергии взрыва. Максимальное давление в сжатой области (в центре взрыва может достигать миллиардов Паскалей – Па), создаётся на её передней границе, называемой фронтом ударной волны. Перед ним давление в воздухе равно атмосферному. Разность между давлением во фронте ударной волны и атмосферным давлением называется избыточным давлением во фронте ударной волны (∆ Р_ф). Чем мощнее взрыв, тем больше скорость и радиус действия ударной волны. При взрыве боеприпаса мощностью 20 кт ударная волна проходит первый километр за 3 с, а мощностью 1 Мт – за 0,5 с. Поражающее действие ударной волны определяется избыточным давлением (∆ Р_ф), скоростным напором (∆ Р_ск) и временем действия избыточного давления. Скоростной напор – это динамическая нагрузка, создаваемая потоком воздуха, следующим за фронтом волны (может достигать 100 м/с и более). Поражение ударной волной возникает в результате действия избыточного давления (воспринимается как резкий удар) и скоростного напора (оказывает метательное действие; может отбросить различные предметы на значительные расстояния).

При давлении, равном 20 – 40 кПа, у незащищенных людей возникают легкие поражения, проявляющиеся звоном в ушах, головокружением, головной болью.

При избыточном давлении в 40 – 60 кПа имеют место поражения средней тяжести, которые проявляются вывихами конечностей, контузиями, кровотечением из носа, ушей.

При давлении 60 – 100 кПа – бывают тяжелые поражения: потеря сознания, иногда повреждения внутренних органов.

Крайне тяжелые травмы возникают при избыточном давлении более 100 кПа. Они обычно приводят к смертельному исходу.

Общую оценку разрушений, вызванных ударной волной, производят с учетом степени разрушений зданий и сооружений.

В зоне слабых разрушений разрушаются окна и двери, легкие перегородки, частично кровля, появляются трещины в стенах верхних этажей.

В зоне средних разрушений разрушается кровля, происходит обрушение отдельных участков этажей.

В зоне сильных разрушений разрушаются несущие конструкции зданий, перекрытия верхних этажей, части стен.

Проникающая радиация представляет собой поток γ–лучей и нейтронов, испускаемых в окружающую среду при ядерном взрыве. На еë образование расходуется 5% энергии взрыва (кроме нейтронных боеприпасов). Гамма-излучение является потоком квантов коротковолнового электронного излучения, подобного таковым рентгеновских лучей. Оно распространяется со скоростью света и, взаимодействуя с любым веществом, вызывает в нём появление свободных вторичных электронов и позитронов, которые и ионизируют среду. Проходя через биологическую ткань, γ-квант и нейтрон, ионизируют атомы и молекулы, входящие в состав живых клеток. В результате чего в организме нарушается нормальный обмен веществ, изменяется характер жизнедеятельности клеток, некоторых органов и систем, что вызывает возникновение специфического заболевания – лучевой болезни.

Для количественной характеристики ионизирующей способности радиоактивного излучения используется понятие «экспозиционная доза», измеряемая внесистемной единицей – рентгеном (Р). Рентген – количество γ-излучения, которое при t = 0⁰ С и давление 760 мм рт. ст. создает в 1см³ сухого воздуха 2.08 млрд пар ионов. Один грамм воздуха, при дозе излучения в 1 Р, поглощает 84 эрга энергии, а один грамм биологической ткани – 93 эрга. На практике часто применяют более мелкие единицы: миллирентген (мР) и микрорентген (мкР); 1 мР = 10^-3Р, 1 мкР = -10^-6 Р. В системе СИ доза измеряется в кулонах (Кл) на килограмм; 1Р = 2,58 · 10^-4 Кл/кг. Экспозиционная доза характеризует степень взаимодействия фотонного излучения с воздухом и определяется как отношение суммарного заряда всех ионов одного знака, возникающих в элементарном объеме воздуха, к массе воздуха в этом объёме. В последней редакции норм безопасности данное понятие не применяется, соответственно не применяются и единицы его выражения. В новых нормах для характеристики указанного показателя используют понятие «поглощенная доза», т.е. величина энергии излучения, переданная единице массы облучаемого вещества. Поглощенная доза облучения определяется как отношение энергии, переданной веществу ионизирующим излучением в бесконечно малом элементарном объёме, к массе вещества в этом объёме. Поглощенная доза характеризует особенности передачи энергии излучения в точке объекта (например, на заданной глубине внутри объекта). Единицей измерения поглощенной дозы в системе СИ является Грей (Гр); внесистемной единицей служит 1 рад (0,01 Дж/г = 100эрг/г = 1 Дж/кг = 100 рад; 1Р = 0,93 рад.). Установлено, что биологическое действие на организм разных видов излучений (α, β, γ и др.), поглощенных в одинаковых дозах, неоднозначно. Эффект лучевого воздействия на организм зависит не только от поглощенной дозы и ее фракционирования во времени, но и в значительной степени от удельной ионизации данного вида излучения. Чем выше удельная ионизация, тем сильнее биологическое воздействие излучения, тем больше его так называемый взвешивающий коэффициент (табл. 1). Последний показывает, во сколько раз биологическое действие данного вида излучения больше влияния β-, γ- или рентгеновского излучения при одинаковой поглощенной дозе.

Следует отметить, что процесс ионизации атомов вещества нейтронами отличается от процесса ионизации γ-излучением. Для характеристики потока нейтронов используется биологический эквивалент рентгена (Бэр). Это такая доза нейтронов, биологическое воздействие которой эквивалентно воздействию 1 рентгена γ-излучения. Известно, что поглощенные дозы излучений различных типов вызывают неодинаковый биологический эффект. Он определяется коэффициентом относительной биологической эффективности (Кбэ), который представляет собой соотношение величин поглощенной дозы рентгеновского излучения и поглощенной дозы другого типа излучения, вызывающего аналогичный биологический эффект. Доза рентгеновского излучения определяется при напряжении генерирования 180 – 250 кВ. Установлено, что Кбэ рентгеновского, γ, и β-излучения равен 1, нейтронов – 10, α-частиц – 20. При решении практических задач радиационной безопасности используется коэффициент качества (К_к) учитывающийся в эквивалентной дозе (D_э): D_э= D_ΣК_к, где D_Σ − суммарная поглощенная доза.

Таблица 1

Взвешивающие коэффициенты,

определенные при расчёте эффективной дозы

Ткани, органы	Показатель
Гонады	0,20
Костный мозг (красный)	0,12
Толстый кишечник (прямая, сигмовидная и нисходящая кишки)	0,12
Легкие	0,12
Желудок	0,12
Мочевой пузырь	0,05
Грудная железа	0,05
Печень	0,05
Пищевод	0,05
Щитовидная железа	0,05
Кожа	0,01
Клетки костных поверхностей	0,01
Остальные (надпочечники, головной мозг, слепая восходящая и поперечно-ободочная кишки, тонкий кишечник, почки, мышечная ткань, поджелудочная железа, селезенка, вилочковая железа, матка)	0,05

Для выработки общей основы, позволяющей сравнивать все виды ионизирующих излучений в отношении возможных их вредных эффектов при облучении, ими вводится понятие «эквивалентная доза». Она равна произведению величин поглощенной дозы и взвешивающего коэффициента, характерного для данного вида излучения, равного, например, 1 – для рентгеновского, γ- и β-излучений, 20 – для α-излучения, т.е. при одной и той же поглощенной дозе биологическое действие α-излучения будет в 20 раз больше, чем рентгеновского, γ- и β-излучений.

Доза эквивалентная, или эффективная, – это доза, которая, как предполагается, будет иметь место при внутреннем облучении за время с момента поступления радиоактивных веществ в организм. Если это время не определено, то его следует принять равным 50 годам для взрослых и 7 – для детей.

Доза эффективная, или эквивалентная годовая равна сумме эффективной или эквивалентной дозы внешнего облучения, полученной за календарный год, и предполагаемой эффективной, или эквивалентной, дозы внутреннего облучения, обусловленной поступлением в организм радионуклидов за тот же год. Иными словами, эффективная доза (Е) – это мера риска возникновения отдаленных последствий облучения всего тела человека, а также отдельных его органов и тканей с учётом их радиочувствительности. Она равна сумме произведений значений эквивалентной дозы в органах и тканях и соответствующих взвешивающих коэффициентов. Единицей эффективной дозы является зиверт (Зв).

Взвешивающие коэффициенты для тканей и органов при расчёте эффективной дозы используются для учёта чувствительности разных органов и тканей к стохастическим (вероятностным) эффектам радиации (генетические заболевания, злокачественные новообразования, лейкозы). В основе трактования различной радиочувствительности органов и тканей лежит закон радиочувствительности Бергонье – Трибондо, согласно которому наиболее чувствительны к ионизирующему излучению наименее дифференцированные ткани, клетки которых интенсивно размножаются.

Ионизирующая радиация при воздействии на организм человека может вызвать два вида эффектов:

– детерминированные пороговые эффекты (лучевая болезнь, лучевой дерматит, лучевая катаракта, лучевое бесплодие, аномалии развития плода и др.);

– стохастические (вероятностные) беспороговые эффекты (злокачественные опухоли, лейкозы, наследственные болезни).

Для проявлений ранних детерминированных эффектов характерна чёткая зависимость от дозы облучения радиационных повреждений разной степени тяжести (от скрытых, т.е. незначительных, без клинических проявлений, до смертельных). Так, клинически значимое подавление процесса кроветворения при остром облучении имеет место при пороге поглощенной дозы 0,15 Гр во всем красном костном мозге. Пороговая доза для лучевой катаракты равна 0,15 Гр/год. Радиационные поражения кожи лёгкой, средней и тяжелой степени тяжести развиваются при местном облучении соответственно в дозах 8 – 10, 10 – 20, более 30 Гр. Пороговая доза вызывающая острую лучевую болезнь равна 1 Гр. При дозах 3 – 5 Гр. в результате повреждения стволовых клеток костного мозга 50% облученных могут погибнуть (без лечения) в течение 60 суток. При дозах свыше 15 Гр летальный исход у всех облученных наступает в течение 5 суток. Единицы измерения и дозы облучения представлены в табл. 2.

Таблица 2

Физические величины, принятые для оценки степени воздействия на человека поражающих факторов ядерного взрыва

Наименование	Единица измерения	Соотношение между системными и внесистемными единицами
Поражающий фактор	физической величины	в системе СИ	внесистемные
Ионизирующее излучение: а) гамма-излуче-ние без взаимодей-ствия его с телом че-ловека	Экспозиционная доза   Мощность	Кулон на килограмм   Кулон на ки	Рентген (Р)     Рентген в час	1 Р = 2,58 ^. 10^-4 Кл/кг     1 Р/час = 7,17 ^. 10^-8Кл/(кг^.с)
б) гамма-нейтрон-ное или гамма-излу-чение при взаимодействии их с телом человека   Радиоактивные продукты ядерного взрыва   Световое излучение   Воздушная ударная волна     Сейсмовзрывные волны	экспозиционной дозы     Поглощенная доза (тканевая) Мощность поглощенной дозы (тканевой)   Активность (в радиоактивном источнике)   Концентрация (в среде) Удельная активность     Объемная активность     Плотность загрязнения   Плотность энергии   Избыточное давление во фронте   Максимальная скорость опорной поверхности   Максимальное	лограмм в се-кунду (Кл/(кг ^. с))   Грей (Гр)     Грей в секунду (Гр/с)   Беккерель (Бк)   Отсутствует   Беккерель на килограмм (Бк/кг)     Беккерель на кубический метр (Бк/м^3)   Беккерель на квадратный метр (Бк/м^2)     Джоуль на квадратный метр (Дж/м^2)     Паскаль (Па)   Метр на секунду (м/с)   Метр на секунду в квад-рате (м/с^2)	(Р/час)   Рад (рад)     Рад в час (рад/час)   Кюри (Ки)     Кюри на килограмм (Ки/кг), кюри на литр (Ки/л) Отсутствует   Отсутствует   Кюри на квадратный сантиметр (Ки/см^2)   Калория на квадратный сантиметр (кал/см^2)   Килограмм силы на квадратный сантиметр (кгс/см^2)   Метр на секунду (м/с)   Метр на секунду в квадрате (м/с^2)	1 рад = 0,01 Гр     1 рад/час = 2,77 ^. 10^-6 Гр/с     1 Ки = 3,7 ^. 10^10 Бк     1 Ки/кг = 3,7 ^. 10^10 Бк/кг     1 Ки/л = 3,7 ^. 10^13 Бк/м^3   ^-     1 Ки/см^2 = 3 ^. 7 ^. 10^14 Бк/м^2     1 кал/см^2 = 4,19 ^. 10^4 Дж/м^2     1 кгс/см^2 = 10^5 Па   тождественны     тождественны

Согласно соответствующему Закону РБ, радиационная безопасность населения – это защищенность настоящего и будущего поколения людей от вредного воздействия ионизирующего излучения (статья 1). На основании этого Закона установлены следующие основные гигиенические нормативы (допустимые пределы доз) облучения на территории РБ в результате воздействия источников ионизирующего излучения: для населения средняя эффективная доза за год равна 0,001 Зиверта, за период жизни (70 лет) – 0,07 Зиверта; для работников – соответственно 0,02 Зиверта и за период трудовой деятельности (50 лет) – 1 Зиверт.

При облучении человека однократно в течение до 4 суток в зависимости от полученной дозы различают четыре степени лучевой болезни: легкую – при дозе 100 – 200 рад (1 − 2 Гр.); среднюю – 200 – 400 рад (2 − 4 Гр.); тяжелую − 400 − 600 рад (4 − 6 Гр.); крайне тяжелую − более 600 рад, (свыше 6 Гр.).

Радиоактивное заражение местности происходит в результате выпадения радиоактивных веществ (из облака ядерного взрыва); на него приходится около 10% энергии взрыва. Источниками радиоактивного заражения при ядерных взрывах являются:

– продукты ядерного взрыва («осколочная» радиация);

– не разделившаяся (не участвовавшая в реакции деления) часть заряда;

– наведенная радиация, возникающая под воздействием нейтронов на элементы, входящие в состав грунта, материалов оболочки боеприпаса и т.д.

Наведенную активность грунта вносит основной вклад в радиоактивное заражение местности. Радиоактивные продукты, поднимаясь с облаком взрыва, перемешиваются с частицами грунта и оседают на них, а затем, постепенно выпадая, заражают местность в районе взрыва и по пути движения облака, образуя так назы-ваемый его след. Большая часть радиоактивных осадков из облака взрыва выпадает

в течение 10 − 20 часов. Они заражают воздух, земную поверхность, водные источники, материальные ценности и т.д.

Степень заражения местности оценивается уровнем радиации Р, измеряемым в рентгенах в час (уровень радиации – это мощность экспозиционной дозы на высоте 0,7 – 1 м над уровнем зараженной поверхности). Степень поражения личного состава на зараженной местности в результате внешнего облучения определяется величиной дозы радиации D, измеряемой в рентгенах, временем её накопления и другими факторами (характером облучения, индивидуальными особенностями организма человека и т.д.).

Для характеристики зон радиоактивного заражения с учётом степени опасности пребывания в них личного состава пользуются дозами радиации, полученными с момента выпадения радиоактивных веществ до их полного распада D_∞. Местность считается зараженной при уровне радиации более или равном 5 Р/час (Р ≥ 5 Р/час). На зараженной местности принято выделять следующие зоны радиоактивного заражения:

Р – 800 Р/ч Р – 240 Р/ч Р - 80 Р/ч Р – 8 Р/ч

Зона Г Зона В Зона Б Зона А

ВВ

Г В

D∞ 4000р

Зона М

D∞ 1200р

D∞ 400р

D∞ 40р

Внешняя граница зоны А (зона умеренного заражения – личный состав, находящийся в ней, из строя, как правило, не выходит) считается границей радиационной безопасности по внешнему облучению, поскольку за её пределами доза радиации, которую можно получить, не будет превышать допустимую при многократном облучении, однако меры защиты от попадания радиоактивных веществ в организм должны приниматься в зависимости от характера и расположения боевых действий (по данным радиационной разведки об уровнях радиации и о наличии пылеобразования). Зона Б − зона сильного заражения, в ней до 50 % личного состава может выйти из строя. Зона В – зона опасного заражения, в ней до 100 % личного состава может выйти из строя. Зона Г – зона чрезвычайно опасного заражения. Зона М – зона радиационной опасности, имеет место при авариях на радиационно опасных объектах, расположена за зоной А.

Размеры и конфигурация зон заражения, характер и степень радиоактивного заражения местности зависят главным образом от мощности и вида взрыва, от метеорологических условий, при которых происходит заражение, от времени, прошедшего после взрыва, а также рельефа местности, типов грунта в районе взрыва и лесных массивов, от направления среднего ветра. Возможные размеры зон заражения в зависимости от условий ядерного взрыва указываются в таблицах, приведенных в специальных справочниках по боевым свойствам ядерного оружия.

Для практических расчетов можно принять, что уровень радиации на следе облака уменьшается в 10 раз через отрезок времени, в 7 раз больший первоначального. Например, если через 1 час после взрыва уровень радиации равен 100 Р/ч, то через 7 часов после взрыва он будет равен 10 Р/ч, а через 49 часов – 1 Р/ч и т.д.

Электромагнитный импульс (ЭМИ) – это кратковременные результирующие электрические и магнитные поля, которые образуют быстро нарастающие во времени радиальные электрические токи.

Амплитуда ЭМИ для взрывов боеприпасов малого и крупного калибров, составляет соответственно в воздухе – тысячи и десятки тысяч вольт на метр, в грунте – сотни и тысячи вольт на метр. Амплитуда ЭМИ быстро уменьшается с увеличением расстояния от центра взрыва. Поэтому его поражающее действие при наземном ядерном взрыве проявляется только на расстоянии нескольких километров от центра взрыва. С увеличением высоты взрыва амплитуда импульса уменьшается. В результате действия ЭМИ на металлических объектах индуцируются высокие электрические потенциалы относительно земли. На подземных и воздушных проводных и кабельных линиях возникают высокие электрические потенциалы как относительно земли, так и между проводами. Наиболее подвержены ЭМИ системы связи, сигнализации и управления. Предельную электрическую прочность оборудования этих систем без средств защиты к кратковременному воздействию ЭМИ можно считать равной 8 – 10 кВ.

Наиболее эффективным способом защиты от ЭМИ, радиоэлектронной аппаратуры в сооружениях является применение электропроводящих (металлических) экранов.

Дата добавления: 2014-12-27