Поражающие факторы ядерного взрыва

Воздушная ударная волна — это область резкого сжатия воздуха, распространяющаяся во все стороны от центра взрыва со сверхзвуковой скоростью (340 м/с).

Источником возникновения воздушной ударной волны является высокое давление в области взрыва и температура, достигающая сотен тысяч градусов. Вблизи от центра взрыва скорость распространения воздушной волны в несколько раз превышает скорость звука в воздухе. С увеличением расстояния от центра взрыва скорость распространения волны снижается, и она трансформируется в звуковую волну. Наибольшее давление в сжатой области наблюдается на ее передней кромке, которая называется фронтом воздушной ударной волны (Рф).

Разность между нормальным атмосферным давлением (Ра) и давлением на передней кромке ударной волны (Рф) составляет величину избыточного давления (??ф):

??ф = ?ф-?а, (14.1).

Непосредственно за фронтом воздушной ударной волны образуются сильные потоки воздуха, скорость которых достигает нескольких сотен км/ч, т. е. скоростной напор (?Рск).

При встрече с преградой создается нагрузка скоростного напора или нагрузка торможения, которая усиливает разрушающее действие воздушной ударной волны.

Для характеристики разрушений зданий, сооружений приняты четыре степени разрушения зданий — полные, сильные, средние и слабые, площади которых от общей площади зоны разрушения составляют:

• • полных — 12% (сплошные завалы, тление завалов) — разрушаются все основные элементы здания, в том числе и несущие конструкции. Подвальные помещения могут частично сохраниться;
• • сильных — 10% (местные завалы, сплошные пожары) — разрушаются несущие конструкции и перекрытия верхних этажей, деформируются перекрытия нижних этажей. Использование зданий невозможно, а восстановление нецелесообразно;
• • средних — 18% (деревянные здания — сильные и полные разрушения, пожары) — разрушаются крыши, внутренние перегородки и частично перекрытия верхних этажей. После расчистки часть помещений нижних этажей и подвалы могут быть использованы. Восстановление зданий возможно при проведении капитального ремонта;
• • слабых — 60% (трещины, разрушения перегородок, дверных и оконных переплетов, отдельные пожары) — разрушаются оконные и дверные заполнения, кровля и легкие внутренние перегородки. Возможны трещины в стенах верхних этажей. Здание может эксплуатироваться после текущего ремонта.

Степень разрушения техники (оборудования):

• — полные разрушения — объект не может быть восстановлен;
• — сильные повреждения — повреждения, которые могут быть устранены капитальным ремонтом в заводских условиях;
• — средние повреждения — повреждения, устраняемые силами ремонтных мастерских;
• — слабые повреждения — это повреждения, существенно не влияющие на использование техники, устраняются текущим ремонтом.

При оценке воздействия воздушной ударной волны на людей и животных различают непосредственные и косвенные поражения.

Непосредственные поражения возникают в результате действия избыточного давления и скоростного напора, в результате чего человек может быть отброшен, травмирован.

Косвенные поражения могут быть нанесены в результате действия обломков зданий, камней, стекла и других предметов, летящих под воздействием скоростного напора.

Воздействие ударной волны на людей характеризуется легкими, средними, тяжелыми и крайне тяжелыми поражениями.

Легкие поражения наступают при избыточном давлении 20−40 кПа. Они характеризуются временным нарушением слуха, легкими контузиями, вывихами, ушибами.

Поражения средней тяжести возникают при избыточном давлении 40−60 кПа. Они проявляются в контузиях головного мозга, повреждении органов слуха, кровотечении из носа и ушей, вывихах конечностей.

Тяжелые поражения возможны при избыточных давлениях от 60 до 100 кПа. Они характеризуются сильными контузиями всего организма, потерей сознания, переломами, возможны повреждения внутренних органов.

Крайне тяжелые поражения наступают при избыточном давлении свыше 100 кПа. У людей отмечаются травмы внутренних органов, внутреннее кровотечение, сотрясение мозга, сильные переломы. Эти повреждения часто приводят к летальному исходу.

Безопасным для человека, находящегося на открытой местности, является давление 10 кПа.

Световое излучение представляет собой поток лучистой энергии, включающий ультрафиолетовую, видимую и инфракрасную области спектра.

Источником является светящаяся область взрыва, состоящая из нагретых до высокой температуры паров конструкционных материалов боеприпаса и воздуха, а при наземных взрывах — и испарившегося грунта.

Максимальная температура поверхности светящейся области не зависит от мощности взрыва и равна примерно 5700−7700°С. Когда температура снижается до 1700 °C, свечение прекращается.

Поражающее действие светового излучения характеризуется световым импульсом.

Световой импульс — это количество световой энергии, падающей за время излучения на единицу площади поверхности, перпендикулярной направлению распространения светового излучения. Единица измерения светового импульса джоуль на квадратный метр (Дж/м2) или калория (внесистемная единица измерения) на 1 см² (кал/см2); 1 кал/см2 = 4,18? 1012 Дж/м2. Результатом действия светового излучения может быть оплавление, обугливание, большие температурные напряжения в материалах, а также воспламенение и возгорание.

Поражение людей световым импульсом выражается в появлении ожогов открытых и защищенных одеждой участков тела, а также в поражении глаз (табл. 14.2).

Ожоги первой степени выражаются поверхностным поражением кожи — покраснением, припухлостью и болезненностью. Они не представляют опасности.

Ожоги второй степени характеризуются образованием пузырей, наполненных жидкостью. Требуется специальное лечение. При поражении до 50−60% поверхности тела обычно наступает выздоровление.

Ожоги третьей степени характеризуются омертвлением кожи и росткового слоя, а также появлением язв.

Ожоги четвертой степени сопровождаются омертвлением кожи и поражением более глубоких тканей (мышц, сухожилий и костей).

Поражение ожогами третьей и четвертой степени значительной части тела может привести к смертельному исходу.

Поражение глаз, если человек смотрел в сторону взрыва, проявляется в ослеплении от 2 до 5 мин. днем, до 30 мин. и более ночью.

Защитой от светового излучения может служить любая непрозрачная преграда.

Таблица 14.2

Степени ожогов световым излучением

Проникающая радиация представляет собой гамма-излучение и поток нейтронов, испускаемых из зоны ядерного взрыва. Время действия проникающей радиации составляет 15−20 с. Поражающее действие проникающей радиации на материалы характеризуется поглощенной дозой, мощностью дозы и потоком нейтронов. Радиус поражающего действия проникающей радиации при взрывах в атмосфере меньше, чем радиусы поражения от светового излучения и воздушной ударной волны. Однако на больших высотах, в стратосфере и космосе — это основной фактор поражения.

Проникающая радиация может вызывать обратимые и необратимые изменения в материалах, элементах радиотехнической, оптической и другой аппаратуры за счет нарушения кристаллической решетки вещества, а также в результате различных физико-химических процессов под воздействием ионизирующих излучений.

Поражающее действие на людей характеризуется дозой излучения.

Степень тяжести лучевого поражения зависит от поглощенной дозы, а также от индивидуальных особенностей организма и его состояния в момент облучения.

Доза облучения в 1 Зв (100 бэр) не приводит в большинстве случаев к серьезному поражению человеческого организма, а 5 Зв (500 бэр) — вызывает очень тяжелую форму лучевой болезни.

Для мощности боеприпаса до 100 кт радиусы поражения воздушной ударной волны и проникающей радиации примерно равны, а для боеприпасов мощностью более 100 кт зона действия воздушной ударной волны значительно перекрывает зону действия проникающей радиации в опасных дозах. Из этого можно сделать вывод, что при взрывах средних и больших мощностей не требуется специальная защита от проникающей радиации, так как защитные сооружения, предназначенные для укрытия от ударной волны, в полной мере защищают и от проникающей радиации.

Для взрывов сверхмалых и малых мощностей, а также для нейтронных боеприпасов, где зоны поражения проникающей радиацией значительно выше, необходимо предусматривать защиту от проникающей радиации — различные материалы, ослабляющие гамма-излучение и поток нейтронов. Поток ?-квантов лучше ослабляется материалами, имеющими высокие плотности электронов, которым ?-кванты передают свою энергию (свинец, сталь и т. д.). Ослабление нейтронов происходит за счет поглощения их ядрами атомов, поэтому поток нейтронов сильнее ослабляется легкими элементами (водород из состава воды, полиэтилен и др.). Толщину материала, которая ослабляет дозу гамма-излучения или поток нейтронов в два раза, называют слоем половинного ослабления (табл. 14.3).

Защитные свойства зданий, сооружений, убежищ и т. д. характеризуются коэффициентом ослабления — величиной, показывающей, во сколько раз доза облучения внутри здания, убежища и т. д. меньше, чем на открытой местности.

Таблица 14.3

Величины слоев половинного ослабления некоторых материалов

Радиоактивное заражение местности — основным источником являются продукты деления ядерного горючего, радиоактивные изотопы, образующиеся в грунте и других материалах под воздействием нейтронов — наведенная активность, а также неразделившаяся часть ядерного заряда.

Основная роль в образовании радиоактивного заражения принадлежит осколкам деления ядерного горючего. В процессе деления ядер боеприпаса образуется около 200 изотопов 35 химических элементов, расположенных в средней части периодической таблицы Д. И. Менделеева. Почти все эти изотопы нестабильны и претерпевают ?-распад, который сопровождается ?-излучением. Первичные ядра осколков деления в последующем испытывают в среднем три-четыре распада и в итоге превращаются в стабильные элементы. Радиоактивные вещества, образовавшиеся вследствие захвата нейтронов, также распадаются с испусканием ?-частиц и ?-излучения.

Не вступившие в реакцию деления ядра урана или плутония испытывают естественный альфа-распад.

Таким образом, радиоактивные продукты взрыва испускают три вида излучения: альфа, бета и гамма. Время их воздействия на ОС весьма продолжительно.

Поскольку при наземном взрыве в огненный шар вовлекается значительное количество грунта и других веществ, то при охлаждении эти частицы выпадают в виде радиоактивных осадков. По мере перемещения облака по его следу происходит выпадение радиоактивных осадков, и таким образом на земле остается радиоактивный след. Плотность заражения в районе взрыва и по следу движения радиоактивного облака убывает по мере удаления от центра взрыва. Местность считается зараженной при уровнях радиации 0,5 р/ч (3,6? 10−8 Л/кг) и более.

В связи с естественным процессом распада радиоактивность уменьшается, особенно резко в первые часы после взрыва. Уровень радиации на один час после взрыва является основной характеристикой при оценке радиоактивного заражения местности.

Размеры зон заражения зависят от мощности взрыва и скорости ветра.

Наибольшей по протяженности и площади является зона умеренного заражения — зона А. Она занимает 75−80% всей площади следа. Зона Б — зона сильного заражения, занимает около 10%, а зоны опасного и чрезвычайно опасного заражения (В и Г) занимают около 10−15%. В табл. 14.4 представлены характеристики зон заражения.

Таблица 14.4

Характеристика зон заражения

Радиоактивное поражение людей и животных на следе радиоактивного облака могут вызываться внешним и внутренним облучением. При ограниченном времени пребывания на зараженной местности и использовании средств индивидуальной защиты основную роль в поражающем действии (96−98%) играет внешнее облучение, обусловленное ?-излучением.

Форма следа радиоактивного облака показана на рис. 14.1.

Рис. 14.1. Форма следа радиоактивного облака ядерного взрыва.

Зона поражения нейтронным боеприпасом отличается от зоны атомного поражения, так как основное поражение нейтронного боеприпаса состоит не в разрушении объектов, а в поражении людей проникающей радиацией (табл. 14.5).

Таблица 14.5

Сравнение поражений атомных и нейтронных боеприпасов

Соотношения между дозами ?-лучей и нейтронов в суммарной дозе радиации зависит от мощности взрыва (q) и расстояния (R) до центра взрыва. Чем меньше q и R, тем больше доза нейтронов (для нейтронных взрывов доза нейтронов может достигать 80−85%).

На рис. 14.2 показаны зоны поражения нейтронного боеприпаса.

• 1. Зона комбинированного поражения — разрушение зданий и гибель людей, сильная наведенная радиация (доза облучения свыше 120 000 бэр).
• 2. Зона крайне тяжелых радиационных поражений (доза облучения от 600 до 120 000 бэр) — лучевая болезнь крайне тяжелой степени.
• 3. Зона тяжелых радиационных поражений (400−600 бэр) — лучевая болезнь тяжелой степени.
• 4. Зона средних радиационных поражений (200−400 бэр) — лучевая болезнь средней степени.
• 5. Зона легких радиационных поражений (100−200 бэр) — лучевая болезнь легкой степени.

Рис. 14.2. Зоны поражения нейтронного боеприпаса.

Последствием облучения может быть лучевая болезнь.

Лучевая болезнь первой степени возникает при однократной дозе облучения 100−200 Р (0,026−0,052 Кл/кг). Скрытый период болезни может длиться две — три недели, после чего появляется недомогание, слабость, головокружение, тошнота. В крови уменьшается количество лейкоцитов. Через несколько дней эти явления проходят. В большинстве случаев специального лечения не требуется.

Лучевая болезнь второй степени возникает при дозе облучения 200−400 Р (0,052−0,104 Кл/кг). Скрытый период продолжается около недели. Затем наблюдается общая слабость, головные боли, повышение температуры, расстройство функций нервной системы, рвота. Количество лейкоцитов снижается наполовину. При активном лечении выздоровление наступает через полтора-два месяца. Возможны смертельные исходы — до 20% пораженных.

Лучевая болезнь третьей степени наступает при дозах облучения 400−600 Р (0,104−0,156 Кл/кг). Скрытый период длится несколько часов. Отмечается общее тяжелое состояние, сильные головные боли, озноб, повышение температуры до 40 °C, потеря сознания (иногда — резкое возбуждение). Болезнь требует длительного лечения (6−8 месяцев). Без лечения до 70% пораженных погибают.

Лучевая болезнь четвертой степени возникает при однократной дозе облучения свыше 600 Р (0,156 Кл/кг). Болезнь сопровождается затемнением сознания, лихорадкой, резким нарушением водно-солевого обмена и заканчивается смертельным исходом через 5−10 сут.

Лучевые болезни у животных возникают при более высоких дозах облучения.

Внутреннее облучение людей и животных обусловливается радиоактивным распадом изотопов, попавших в организм с воздухом, водой или пищей.

Значительная часть изотопов (до 90%) выводится из организма в течение нескольких дней, а остальные всасываются в кровь и разносятся по органам и тканям.

Некоторые изотопы распределяются в организме почти равномерно (цезий), а другие концентрируются в определенных тканях. Так, в костных тканях отлагаются источники ?-излучений (радий, уран, плутоний); ?-излучений (стронций, иттрий) и ?-излучений (цирконий). Эти элементы очень слабо выводятся из организма. Изотопы йода преимущественно откладываются в щитовидной железе; изотопы лантана, церия и прометия — в печени, почках и т. д.

При воздействии ионизирующих излучений получают дозу облучения и погибают растения. Так, дозы, приводящие к гибели некоторых растений, составляют, рад:

• • овес…330
• • пшеница…450
• • горох огородный…400
• • томаты…1240
• • рис…1960
• • картофель, капуста, свекла…1300
• • ель сизая…102
• • дуб, береза…800

В условиях военных действий с применением ядерного оружия в зонах радиоактивного заражения могут оказаться обширные территории, а облучение людей — принять массовый характер. Для исключения переоблучения персонала объектов и населения в таких условиях и для повышения устойчивости функционирования объектов народного хозяйства в условиях радиоактивного заражения на военное время устанавливают допустимые дозы облучения. Они составляют:

• 1) при однократном облучении (до 4 сут.) — 50 рад;
• 2) при многократном облучении:
  • • до 30 сут — 100 рад;
  • • 90 сут — 200 рад;
• 3) при систематическом облучении (в течение года) — 300 рад.

На военное время устанавливаются также допустимые нормы загрязнения РВ некоторых объектов, мрад/ч:

• • одежда и обувь…50
• • внутренние поверхности зданий и сооружений… 90
• • техника и транспорт…180
• • крупногабаритная техника (бульдозер и т. п.)…400
• • продовольствие…1,5

вода:

в объеме котелка…1,5.

объеме ведра…4,5.

Безопасный уровень радиации.

• • для приготовления пищи Р? 1 р/ч;
• • приема пищи Р? 5 р/ч.

Электромагнитный импульс. При ядерном взрыве образуется сильное электромагнитное излучение в широком диапазоне волн с максимумом спектральной плотности в области 15−30 кГц.

Ввиду кратковременности действия — несколько микросекунд — это излучение называют электромагнитным импульсом, причиной возникновения которого является ассиметричное электромагнитное поле, возникающее в результате взаимодействия гамма-квантов с ОС.

Основным параметром электромагнитного импульса как поражающего фактора, являются высокие напряженности электрического и магнитного полей, на человека не влияет. Однако в токопроводящих материалах (линиях связи, электроснабжения, системах сигнализации и управления, металлических опорах, трубопроводах и т. п.) в момент взрыва возникает импульс тока, и наводится высокий электрический потенциал относительно земли, что приводит к пробою изоляции кабелей, выгоранию разрядников и плавких предохранителей, повреждению трансформаторов, выходу из строя полупроводниковых приборов и т. д. На пунктах управления, узлах связи это может привести к выводу из строя аппаратуры и создать угрозу поражения обслуживающего персонала.

Защита достигается экранированием линий связи и управления, применением защитных устройств для входных цепей, экранированием отдельных блоков и узлов радиои электроаппаратуры.