На протяжении всей своей истории человек создавал совершенные инструменты для решения поставленных целей. Понадобился дом – появился молоток. Нужды комфорта и желание познавать новое двигали разум по направлению к развитию и самообогащению. Но процветание общества не всегда означает мир и согласие между его членами. Порой возникает необходимость доказать свою позицию чем-либо кроме слов. Так родилась идея вооружения. Наблюдая за природными процессами, люди создавали копья, луки, мечи, топоры. В ответ им выковывались доспехи и сбивались щиты. Но когда начал набирать обороты научный прогресс, стали создаваться более совершенные виды «острых палок». Началось все с двух супругов, которые горели идей исследования нового – семейства Кюри (Рисунок 1).
Рисунок 1. Пьер и Мария Кюри
В конце XIX столетия они занимались исследованиями странных минералов, вызывавших интерес научного общества. В 1896 году Анри Беккерель установил, что урановые руды способны испускать излучение, но не смог объяснить природу его появления. Все идеи оканчивались теорией годичной давности, разработанной Вильгельмом Рентгеном, которая объясняла появление излучения под воздействием внешних источников. Однако теория имела огромное белое пятно относительно природы странного излучения, испускаемого тяжёлым веществом, добываемым в урановых карьерах. И вот супружеская пара поставила цель докопаться до истины. Постепенно и кропотливо супруги обрабатывали тонны руды, чтобы выделить очищенный метал. Спустя некоторое время им это удалось, и началась длинная серия экспериментов. Результаты их работы сильно повлияли на научное сообщество: был дан мощный толчок развитию классической физики и заложен фундамент для исследования ядерного синтеза (Рисунок 2). Множество умов занялись этим вопросом, ведь энергия, заключённая в атомах была огромной, а потенциал её применения – безграничным. Пролить свет на происходящее удалось пытливому уму Эрнеста Резерфорда.
Рисунок 2. Исследование ядерного синтеза
Поставив эксперимент по рассеиванию частиц, он смог доказать бинарную природу заряда атома. Положительный заряд сосредотачивался в ядре, а электронное облако вокруг обладало отрицательным зарядом. Дело оставалось за малым: понять, как можно использовать полученные знания для получения благ. Ответ был получен благодаря работам Эйнштейна. Выдвинутая им теория позволяла взглянуть на материю как на энергию, заключённую внутри атомных ядер. Как выяснилось позже, в результате цепной реакции распада, уран высвобождает огромное количество энергии. После открытия этой взаимосвязи последовала череда экспериментов, и началась работа над самым смертельным видом оружия – атомной бомбой.
Поражающие факторы ядерного оружия
Принцип действия атомной бомбы основан на высвобождении энергии, заключённой внутри ядра химического элемента. Чтобы осуществить этот процесс, необходимо использовать нестабильные изотопы, которые обладают высоким атомным числом. Чем оно выше, тем больше в ядре находится протон-нейтронных пар и как следствие – больше энергии. Исследования показали, что больше всего подходят уран-235 и плутоний-239 (Рисунок 3).
Рисунок 3. Уран-235 (слева) и Плутоний-239 (справа)
Они обладают оптимальными показателями для производства, но есть проблема, связанная с их распространённостью в чистом виде. Если доля изотопа урана-235 в породах составляет 0,7% и с этим ещё можно работать, то плутоний-239 вообще не существует в чистом виде. Их нужно получать производственным путём, обогащая уже имеющиеся стабильные элементы. Происходит это следующим образом – в ускорителе частиц или промышленном реакторе стабильный атом вещества бомбардируют нейтронами для искусственного повышения его атомного номера. Весьма трудоёмкий процесс, но благодаря работе ядерных реакторов значительно упрощённый. Отходы их производства можно пустить по вторичному кругу для получения обогащённого топлива. Уже подвергнутые обработке ресурсы будут использованы для создания боеголовки.
По принципу действия разделяют несколько категорий снарядов:
- Однофазное ядерное оружие, поражающие факторы ядерного взрыва которого ограничены энергетическим выходом ядерной реакции деления с образованием лёгких элементов. Во время взрыва реагирует не все активное вещество: приблизительно от 50 до 80%;
- Двухфазные или водородные боеприпасы (Рисунок 4). Механизм их работы основан на принципе последовательности РДС. Сначала происходит распад и деление тяжёлых ядер, после чего на второй стадии это дополняется термоядерным синтезом. В зависимости от стратегических требований, их пропорции можно настроить для получения определённого выхода энергии.
Рисунок 4. Водородная бомба и, предположительно, кратер после взрыва подобной бомбы на испытаниях
Также они могут различаться по механизму зажигания заряда:
- Пушечная схема ускорения заряда внутри полой трубки при помощи порохового заряда. Одна из действующих частей приводится в движение детонацией пороха, ускоряясь по направлению ко второй части, называемой мишенью. После их столкновения они достигают критической массы, и инициируется взрыв. Для более эффективной работы устройства заряд замедляется до рабочих 200-300 метров в секунду;
- Имплозивный тип. Внутри сферической оболочки по каналам располагаются синхронизированные заряды взрывчатых веществ. Эти каналы называются взрывными линзами, и их функция заключается в фокусировке ударной волны для сжатия ядра из активного вещества. В конструкции используется медленный и быстрый тип веществ для получения стабильной взрывной волны по всем фронтам без отклонений. Любые задержки вызовут помехи в работе и не приведут к детонации. Испытания показали, что это неэффективный способ детонации, и ему требуется доработка;
- Лебединая шея. Является вариацией имплозивного типа снаряда, за исключением того, что применяется не сферическая, а продольная форма колбы. Её форма близка к скрещиванию шей двух лебедей, что и породило такое название. В роли внутреннего наполнителя между источником заряда и активной частью выступает пенополистирол. Ключевым свойством этого материала является замедление взрывной волны и обеспечение последовательности детонации. Проходящий через него импульс становится скоординированным, и достигает сферического контейнера с одинаковой скоростью по всей его поверхности. Это приводит к сжатию внутреннего наполнения и достижению критической массы. После чего оружие ядерного поражения детонирует.
При конструировании двухфазных бомб используется оболочка, отражающая нейтроны и усиливающая взрывной эффект – тампер.
В первых «грязных» типах ядерного оружия (Рисунок 5) поражающие факторы ядерного взрыва были усилены урановым тампером.
Рисунок 5. Самая мощная водородная бомба за всю историю: «Царь-бомба» и её взрыв на полигоне «Новая Земля»
Он, поглотив определённое количество быстрых нейтронов, начинал делиться сам. По аналогичному принципу работает ядерное оружие химического поражения, где основная поражающая роль сконцентрирована на выбросе токсинов. В поздних версиях снаряда стали использовать оболочку из свинца или вольфрама во избежание излишнего загрязнения. Происходящие во время взрыва процессы высвобождают широкий спектр различного рода излучения. Факторы поражения ядерного оружия имеют чёткую последовательность, основанную на скорости распространения в среде продуктов реакции. В течении короткого промежутка времени оружие ядерного поражения высвобождает поток неуправляемой энергии различных видов.
Основные поражающие факторы:
- Первым поражающим фактором становится световое излучение. Оно появляется после того как разъярённое атомное пламя прорывает оболочку бомбы, и наружу вырывается раскалённое до десятков тысяч градусов вещество. Состав разнится в зависимости от конструкционных особенностей, но общая черта взрывов – они сияют ярче солнца. И это сияние опасно. Способное оставить на теле ожоги четвертой степени, а то и вовсе испепелить, оно преодолевает сотни метров менее чем за наносекунду. Вся окружающая территория будет выжжена в течение мгновения;
- Следующий по очерёдности поражающий фактор ядерного оружия – ударная волна. Появившаяся в результате сверхбыстрого расширения воздушных масс, вызванных стремительно нарастающим огненным шаром, она догоняет поражённые участки спустя пару секунд. По мощности её можно сравнить с небольшим ураганом, который переворачивает машины;
- Поражающие факторы ядерного оружия не ограничиваются лишь световым испепелением и ударной волной. Опасности добавляет остаточное радиационное излучение. В результате лавинообразно протекающей цепной реакции распада ядер активного вещества происходит выброс во внешнюю среду побочных продуктов распада. К ним причисляют альфа-, бета- и гамма- излучение и определённую долю рентгеновского воздействия;
- Боевые свойства и поражающие факторы ядерного оружия поистине впечатляют – разрушение построек в мгновение ока (Рисунок 6), выжигание всей жизни волной радиационного излучения, остаточное загрязнение окружающей среды. В качестве дополнения к основным свойствам идут кратер, оставленный взрывом и загрязнение почвы опасными токсинами.
Рисунок 6. Разрушение здания во время ядерного взрыва
По природе взрыва ядерного оружия, виды поражающих факторов, достигающие цели, могут отличаться.
Выделяют следующие типы взрывов:
- Тропосферный, на высоте 12 км;
- В пределе между термосферой и экзосферой;
- Вне земного воздушного пространства (посреди межпланетного космоса);
- На поверхности земной коры;
- Глубинный, в земной коре;
- Глубоководный и надводный.
Поражающие факторы ядерного оружия для каждого из этих типов будут разными, и огромную роль играет именно среда распространения. К примеру, подземный взрыв не будет иметь светового излучения, а глубоководный – ударной волны.
Световое излучение
При столь мощном взрыве температурные показатели могут достигать запредельных высот от 10 000 000 Кельвинов. Для сравнения температура плавления Вольфрама – 3 625 градусов по Кельвину. Такой перегрев превращает сталь в газ, и в процессе нагрева атомы теряют все электроны, испускаемые в форме светового потока. Продолжительность возникновения лучей варьируется с изменением уровня мощности – от малых долей секунды до десятков единиц. Воздействие ядерного света на людей и животных причиняет ожоги различной степени тяжести, выжигание сетчатки глаза (Рисунок 7), а также оплавление, обугливание и возгорание материалов, не способных выдерживать высокие температуры.
Рисунок 7. Последствия светового излучения при ядерном взрыве в Хиросиме
Большая плотность огненного шара имеет поглощающую способность, очень близкую к идеально чёрному телу. Поэтому в спектре преобладает ультрафиолет и рентген лучи. Время на реагирование и поиски укрытия будут, только если заметить падение бомбы заранее. В противном случае световое излучение застанет человека врасплох. Ослабить поражающие факторы могут непрозрачные материалы находящиеся поблизости. Постройки из кирпича и бетона, деревянные коробки, мебель, различного рода возвышения и углубления в земле. На крайний случай сработает простыня из очень плотной ткани, многократно обмотанная по всему телу. Когда вокруг нет каких либо заграждений, следует лечь на живот, направив ноги к очагу реакции и закрыв лицо. Так можно избежать значительных ожогов и травм.
Проникающая радиация
Вторым по опасности пунктом станут потоки высокоэнергетических частиц, появившихся в результате ядерной реакции. Огромное количество смертельно опасного для жизни ионизирующего излучения испускается в течение малых долей секунды. На величину поражающего радиуса в атмосфере влияет поглощение частиц окружающей средой. Наибольшую опасность радиоактивного заражения представляет только надземный взрыв. Свою смертоносность этот поток сохраняет только на протяжении 2.5 километров, даже для зарядов, превышающих по мощности бомбы, сброшенные на Хиросиму и Нагасаки в 1945. Попадая в материалы, быстрые нейтроны нарушают кристаллические решётки и приводят к разрушению всей структуры твёрдого тела.
Рисунок 8. Материалы, способные замедлить поражающий фактор — проникающую радиацию
Надёжной защитой от такого рода воздействия служат вещества способные замедлить распространение бета- и гамма излучения. Бетон, сталь, свинец и даже кирпичная кладка, за неимением лучшего, способны вполовину замедлить поражающий фактор (Рисунок 8). На крайний случай в качестве укрытия подойдут глубокие водоёмы, подвалы и толстые деревья.
Радиационное заражение
Последствием ядерной детонации становится не только загрязнение электромагнитного спектра в течение нескольких секунд, но и остаточное загрязнение (Рисунок 9).
Рисунок 9. Радиационное заражение и его последствия (Чернобыль)
Не вступившая в реакцию часть топлива и продукты распада основных веществ послужат источниками наведённой радиации. Во время взрыва все это выбрасывается в атмосферу и опадает с осадками в течение последующих дней. В результате нарушениям атомарной структуры подвержены металлические конструкции: корпуса автомобилей, броня танков, железная дорога, составы поездов, армированный бетон.
Электромагнитный импульс
Облучённый воздух ионизируется и, как последствие, образуется разность зарядов и потенциалов. Это даёт начало появлению переменного волнового поля – электромагнитного импульса. Влияние на человеческое тело минимальное, не приносящее вреда. Но перегорают электроприборы на основе кремния, транзисторов и проводящих металлов – компьютерная и измерительная техника, глушится работа радиотехники, перегорают линии электропередач (Рисунок 10).
Рисунок 10. Схема влияния электромагнитного импулься при высотном ядерном взрыве
1.1. Общая характеристика ядерного оружия. Виды ядерных взрывов и их краткая характеристика
Ядерным оружием
называется оружие массового поражения взрывного действия, основанное на использовании внутренней энергии, выделяющейся при цепных реакциях деления тяжелых ядер некоторых изотопов урана и плутония или при термоядерных реакциях синтеза легких ядер изотопа водорода (дейтерия и трития) в более тяжелые, например ядра изотопов гелия.
Мощность ядерных боеприпасов характеризуют тротиловым эквивалентом, то есть таким количеством тратила в тоннах, при взрыве которого выделяется такое же количество энергии, что и при взрыве данного ядерного заряда. По мощности ядерные боеприпасы условно делятся на сверхмалые (до 1 кт), малые (от 1 до 10 кт), средние (от 10 до 100 кт), крупные (от 100 кт до 1 мт), сверхкрупные (свыше 1 мт).
Ядерные взрывы могут осуществляться в воздухе на различной высоте, у поверхности земли (воды) и под землей (водой). В соответствии с этим ядерные взрывы разделяют на воздушные, высотные, наземные (надводные) и подземные (подводные).
Рис. 1. Воздушный ЯВ
Воздушный ядерный взрыв
К воздушным ядерным взрывам
относятся взрывы в воздухе на такой высоте, когда светящаяся область взрыва не касается поверхности земли (воды) (рис. 1,а). Одним из признаков воздушного взрыва является то, что пылевой столб не соединяется с облаком взрыва (высокий воздушный взрыв). Воздушный взрыв может быть высоким и низким.
Точка на поверхности земли (воды), над которой произошел взрыв, называется эпицентром взрыва.
Воздушный ядерный взрыв начинается ослепительной кратковременной вспышкой, свет от которой может наблюдаться на расстоянии нескольких десятков и сотен километров. Вслед за вспышкой в месте взрыва возникает шарообразная светящаяся область, которая быстро увеличивается в размерах и поднимается вверх. Температура светящейся области достигает десятков миллионов градусов. Светящаяся область служит мощным источником светового излучения. Увеличиваясь, огненный шар быстро поднимается вверх и охлаждается, превращаясь в поднимающееся клубящееся облако. При подъеме огненного шара, а затем клубящегося облака создается мощный восходящий поток воздуха, который засасывает с земли поднятую взрывом пыль, которая удерживаются в воздухе в течение нескольких десятков минут.
При низком воздушном взрыве (рис. 1,б) столб пыли, поднятый взрывом, может соединиться с облаком взрыва; в результате образуется облако грибовидной формы.
Если воздушный взрыв произошел на большой высоте, то столб пыли может и не соединиться с облаком. Облако ядерного взрыва, двигаясь по ветру, утрачивает свою характерную форму и рассеивается. Ядерный взрыв сопровождается резким звуком, напоминающим сильный раскат грома. Воздушные взрывы могут применяться противником для поражения войск на поле боя, разрушения городских и промышленных зданий, поражения самолетов и аэродромных сооружений. Поражающими факторами воздушного ядерного взрыва являются: ударная волна, световое излучение, проникающая радиация и электромагнитный импульс.
Высотный ядерный взрыв
Рис. 2. Высотный ЯВ
Высотный ядерный взрыв производится на высоте от 10 км и более от поверхности земли. При высотных взрывах на высоте нескольких десятков километров в месте взрыва образуется шарообразная светящаяся область, размеры ее больше, чем при взрыве такой же мощности в приземном слое атмосферы. После остывания светящаяся область превращается в клубящееся кольцевое облако. Пылевой столб и облако пыли при высотном взрыве не образуются.
При ядерных взрывах на высотах до 25-30 км поражающими факторами этого взрыва являются ударная волна, световое излучение, проникающая радиация и электромагнитный импульс.
С увеличением высоты взрыва вследствие разрежения атмосферы ударная волна значительно ослабевает, а роль светового излучения и проникающей радиации возрастает. Взрывы, происходящие в ионосферной области, создают в атмосфере районы или области повышенной ионизации, которые могут влиять на распространение радиоволн (ультракоротковолнового диапазона) и нарушать работу радиотехнических средств.
Радиоактивное заражение поверхности земли при высотных ядерных взрывах практически отсутствует.
Высотные взрывы могут применяться для уничтожения воздушных и космических средств нападения и разведки: самолетов, крылатых ракет, спутников, головных частей баллистических ракет.
Рис. 3. Наземный ЯВ
Наземный ядерный взрыв
Наземным ядерным взрывом называется взрыв на поверхности земли или в воздухе на небольшой высоте, при котором светящаяся область касается земли.
При наземном взрыве светящаяся область имеет форму полусферы, лежащей основанием на поверхности земли. Если наземный взрыв осуществляется на поверхности земли (контактный взрыв) или в непосредственной близости от нее, в грунте образуется большая воронка, окруженная валом земли. Размер и форма воронки зависят от мощности взрыва; диаметр воронки может достигать несколько сотен метров.
При наземном взрыве образуется мощное пылевое облако и столб пыли, чем
при воздушном, причем столб пыли с момента его образования соединен с облаком взрыва, в результате чего в облако вовлекается огромное количество грунта, который придает ему темную окраску.
Перемешиваясь с радиоактивными продуктами, грунт способствует их интенсивному выпадению из облака. При наземном взрыве радиоактивное заражение местности в районе взрыва и по следу движения облака значительно сильнее, чем при воздушном.
Наземные взрывы предназначаются для разрушения объектов, состоящих из сооружений большой прочности, и поражения войск, находящихся в прочных укрытиях, если при этом допустимо или желательно сильное радиоактивное заражение местности и объектов в районе взрыва или на следе облака. Эти взрывы применяются и для поражения открыто расположенных войск, если необходимо создать сильное радиоактивное заражение местности. При наземном ядерном взрыве поражающими факторами являются
ударная волна, световое излучение, проникающая радиация радиоактивное заражение местности и электромагнитный импульс.
Рис. 4. Подземный ЯВ
Подземный ядерный взрыв
Подземным ядерным взрывом называется взрыв, произведенный на некоторой глубине в земле.
При таком взрыве светящаяся область может не наблюдаться; при взрыве создается огромное давление на грунт, образующаяся ударная волна вызывает колебания почвы, напоминающие землетрясение.
В месте взрыва образуется большая воронка, размеры которой зависят от мощности заряда, глубины взрыва и типа грунта; из воронки выбрасывается огромное количество грунта, перемешанного с радиоактивными веществами, которые образуют столб. Высота столба может достигать многих сотен метров.
При подземном взрыве характерного, грибовидного облака, как правило, не образуется. Образующийся столб имеет значительно более темную окраску, чем облако наземного взрыва. Достигнув максимальной высоты, столб начинает разрушаться. Радиоактивная пыль, оседая на землю, сильно заражает местность в районе взрыва и по пути движения облака.
Подземные взрывы могут осуществляться для разрушения особо важных подземных сооружений и образования завалов в горах в условиях, когда допустимо сильное радиоактивное заражение местности и объектов. При подземном ядерном взрыве поражающими факторами являются сейсмовзрывные волны и радиоактивное заражение местности.
Рис. 5. Надводный ЯВ
Надводный ядерный взрыв
Этот взрыв имеет внешнее сходство с наземным ядерным взрывом и сопровождается теми же поражающими факторами, что и наземный взрыв.
Разница заключается в том, что грибовидное облако надводного взрыва состоит из плотного радиоактивного тумана или водяной пыли.
Характерным для этого вида взрыва является образование поверхностных волн. Действие светового излучения значительно ослабляется вследствие экранирования большой массой водяного пара. Выход из строя объектов определяется в основном действием воздушной ударной волны. Радиоактивное заражение акватории, местности и объектов происходит вследствие выпадения радиоактивных частиц из облака взрыва.
Надводные ядерные взрывы могут осуществляться для поражения крупных надводных кораблей и прочных сооружений военно-морских баз, портов, когда допустимо или желательно сильное радиоактивное заражение воды и прибрежной местности.
Подводный ядерный взрыв
Подводным ядерным взрывом называется взрыв, осуществленный в воде на той или иной глубине. При таком взрыве вспышка и светящаяся область, как правило, не видны. При подводном взрыве на небольшой глубине над поверхностью воды поднимается полый столб воды, достигающий высоты более километра. В верхней части столба образуется облако, состоящее из брызг и паров воды. Это облако может достигать несколько километров в диаметре. Через несколько секунд после взрыва водяной столб начинает разрушаться и у его основания образуется облако, называемое базисной волной.
Базисная волна состоит из радиоактивного тумана; она быстро распространяется во все стороны от эпицентра взрыва, одновременно поднимается вверх и относится ветром. Спустя несколько, минут базисная волна смешивается с облаком султана (султан — клубящееся облако, окутывающее верхнею часть водяного столба) и превращается в слоисто-кучевое облако, из которого выпадает радиоактивный дождь.
В воде образуется ударная волна, а на ее поверхности — поверхностные волны,
распространяющиеся во все стороны. Высота волн может достигать десятков метров. Подводные ядерные взрывы предназначены для уничтожения кораблей и разрушений подводной части сооружений. Кроме того, они могут осуществляться для сильного радиоактивного заражения кораблей и береговой полосы.
Читать полный конспект Современные средства массового поражения
