Ссылка на архив

Ядерна зброя


1. З історії створення ядерної зброї

У 1894 р. Робер Сесіл, що був тоді прем'єр-міністром Великобританії, у своєму зверненні до Британської асоціації сприяння науковому прогресу, перелічуючи невирішені проблеми науки, зупинився на завданні: що ж дійсно являє собою атом - існує він насправді або є лише теорією, придатною тільки для пояснення деяких фізичних явищ; яка його структура.

У США люблять говорити, що атом - уродженець Америки, але це не так. На рубежі ХІ-XX ст. ним займалися головним чином европейскі вчені. Англійський вчений Томсон запропонував модель атома, що являє собою позитивно заряджену речовину з вкрапленими електронами. Француз Беккераль відкрив радіоактивність у 1896 р. Він показав, що всі речовини, які містять уран, радіоактивні, причому радіоактивність пропорційна вмісту урану.

Французи П'єр Кюрі і Марія Склодовська-Кюрі відкрили радіоактивний елемент радій у 1898 р. Вони повідомили, що їм вдалося з уранових отходів виділити якийсь елемент, що володіє радіоактивністю і близький за хімічними властивостями до барію. Радіоактивність радію приблизно в 1 млн. раз більше радіоактивності урану.

Англієць Резерфорд у 1902 р. розробив теорію радіоактивного розпаду, у 1911 р. він відкрив атомне ядро, а в 1919 р. спостерігав штучне перетворення ядер.

А. Ейнштейн, який жив до 1933 р. в Німеччині, в 1905 р. розробив принцип еквівалентності маси й енергії. Він зв'язав ці поняття і показав, що визначеній кількості маси відповідає певна кількість енергії.

Датчанин Н. Бор у 1913 р. розробив теорію будови атома, що лягла в основу фізичної моделі стійкого атома.

Дж. Кокфорт і Е. Уолтон (Англія) у 1932 р. експериментально підтвердили теорію Ейнштейна.

Дж. Чедвик у тому ж році відкрив нову елементарну частку - нейтрон.

Д.Д. Іваненко в 1932 р. висунув гіпотезу про те, що ядра атомів складаються з протонів і нейтронів.

Е. Фермі використовував нейтрони для бомбардування атомного ядра (1934 р).

У 1937 р. Ірен Жоліо-Кюрі відкрила процес розподілу урану. У Ірен Кюрі і її учня-югослава П. Савича результат вийшов неймовірний: продуктом розпаду урану був лантан - 57-й елемент, розташований у середині таблиці Менделєєва.

Мейтнер, яка протягом 30 років працювала разом з О. Фрішем, який працював у Бора, знайшли, що при розподілі ядра урану частинки, отримані після розподілу, у сумі на 1/5 легше ядра урану. Це їм дозволило за формулою Ейнштейна порахувати енергію, що утримується в 1 ядрі урану. Вона виявилася рівної 200 млн.21 електрон-вольт (МЕВ). У кожному грамі утримується 2,5 х 10 атомів.

На початку 40-х років 20 ст. групою вчених у США були розроблені фізичні принципи здійснення ядерного вибуху.

У серпні 1945 р. дві атомні бомби потужністю близько 20 Кт кожна були скинуті на японські міста Хіросіму і Нагасакі. Застосування ядерної зброї тоді не викликалося військовою необхідністю. Правлячі кола США переслідували політичні цілі - продемонструвати свою силу для лякання СРСР.

Незабаром ядерна зброя була створена в СРСР групою вчених на чолі з академіком Курчатовим. У 1947 р. Радянський уряд заявило, що для СРСР більше немає секрету атомної бомби. Утративши монополію на ядерну зброю, США розгорнули початі ще в 1942 р. роботи зі створення термоядерної зброї. 1 листопаду 1952 р. у США був висаджений у повітря термоядерний пристрій потужністю 3 МгТ. У СРСР термоядерна бомба була вперше випробувана 12 серпня 1953 р.

На сьогодні секретом ядерної зброї володіють крім Росії і США також Франція, Німеччина, Великобританія, Китай, Пакистан, Індія, Італія.

2. Поражаючі фактори ядерного вибуху

До самих потужніх засобів масового ураження відноситься ядерна зброя. Воно складається з ядерних боєприпасів (бойові частини ракет і торпед, ядерні бомби, артснаряди, міни та ін.), засобів доставки їх до мети (носіїв) і засобів керування.

Потужність ядерної зброї виражається тротиловим еквівалентом - кількістю тротилового заряду в тоннах, енергія вибуху якого дорівнює енергії вибуху даного ядерного заряду.

За потужністю ядерні боєприпаси підрозділяються на надмалі (потужністю менше 1 тис. тонн - 1 Кт), малі (1 - 10 тис. тонн - до 10 Кт), середні (10 - 100 тис. тонн - до 100 Кт), великі (100 - 1 млн. тонн - до 1 Мгт) і надвеликі (більше 1 млн. тонн - понад 1 Мгт).

Уперше ядерну зброю застосували США в серпні 1945 р, коли їхні літаки скинули на японські міста Хіросіму і Нагасакі атомні бомби, потужністю 20 Кт кожна. Вибухи бомб викликали величезні жертви (Хіросіма - близько 140 тис. чоловік, Нагасакі - близько 75 тис. чоловік) серед населення і заподіяли величезні руйнування.

Ядерна зброя - є зброєю вибухової дії і заснована на використанні енергії, що виділяється при ядерних перетвореннях. Вона буває атомна і воднева (термоядерна).

Атомна зброя заснована на використанні внутріядерної енергії, що миттєво виділяється у результаті ланцюгової реакції при розподілі ядер важких елементів (урану-235 або плутонію-239).

В основу водневої зброї покладене використання енергії, що миттєво виділяється при синтезі (з'єднанні) ядер легких елементів (ізотопів водню - дейтерію і тритію). Ця реакція супроводжується виділенням колосальної енергії. Ядерний вибух можна здійснити у повітрі на різній висоті (повітряний вибух), на поверхні землі (наземний вибух), під землею (підземний вибух), під водою (підводний вибух), над водою (надводний вибух). Місце на поверхні землі, над якою зроблений ядерний вибух, називають епіцентром (центром) вибуху.

Ядерний вибух супроводжується яскравим спалахом, що навіть у сонячний день озорює небо і місцевість навкруги на десятки кілометрів і видає оглушливий звук, що нагадує грозові розкати. Цей звук чутний на відстані десятків кілометрів. Слідом за спалахом при повітряному вибуху утворюється вогняна куля (при наземному - півкуля). Швидко збільшуючись у розмірах, вогняна куля піднімається, перетворюється у хмару, форма якого нагадує гриб.

Розподіл енергії між вражаючими факторами ядерного вибуху залежить від виду вибуху й умов, у яких він відбувається.

При ядерному вибуху діють п'ять вражаючих факторів: ударна хвиля, світлове випромінювання, проникаюча радіація, радіоактивне зараження і електромагнітний імпульс.

При вибуху атомної зброї в атмосфері приблизно 50% енергії вибуху витрачається на утворення ударної хвилі (УХ), 35% - на світлове випромінювання (СВ), 4% - на проникаючу радіацію (ПР), 10% - на радіоактивне зараження (РЗ) і 1% на електромагнітний імпульс (ЕМІ).

Для нейтронного вибуху характерні ті ж вражаючі фактори, але по-іншому розподіляється енергія вибуху: 40% - на утворення УХ, 25% - на СВ, 30% - на утворення - ПР, 5% - на РЗ.

Розглянемо вражаючі фактори ядерного вибуху.

Ударна хвиля (УХ)

Ударна хвиля - основний фактор вражаючої дії, являє собою область сильно стиснутого повітря, що рухається з надзвуковою швидкістю в усі сторони від центру вибуху. Вона утворюється за рахунок колосальної енергії, виділюваної у зоні реакції, де винятково висока температура, а тиск досягає мільярдів атмосфер (до 105 млрд. Па).

Основні параметри ударної хвилі це: надлишковий тиск у фронті ударної хвилі, тиск швидкісного напору, тривалість дії хвилі.

Надлишковий тиск у фронті ударної хвилі - це різниця між максимальним тиском у фронті ударної хвилі і нормальним атмосферним тиском Ро перед цим фронтом.

Одиниця надлишкового тиску - паскаль (Па) або кілограм - сила на квадратний сантиметр (кгс/см2):

1 Па = 0,0001 кПа;

1 кПа = 1000 Па = 0,01 кгс/см2,

1 кгс/см2 = 98,1 кПа або 1 кгс/см2 = 100 кПа.

Легкі ураження виникають при надлишковому тиску у фронті ударної хвилі від 20 до 40 кПа, середні - від 40 до 60 кПа, важкі й дуже важкі - відповідно від 60-100 кПа і більше 100 кПа.

Ударна хвиля уражає незахищених людей, руйнує або пошкоджує будинки, техніку і виробниче устаткування. Люди можуть постраждати від уламків будинків, що руйнуються, летячих каменів, осколків скла і т.д.

Ступінь ураження і руйнування від ударної хвилі залежить від потужності боєприпасів, виду і відстані від центру (епіцентру) вибуху, положення людей, будинків, техніки під час впливу ударної хвилі, рельєфу місцевості і т.д.

При повітряному ядерному вибуху на людину, що стоїть, в якого площа сприймаючої поверхні 5000 см2, ударна хвиля з надлишковим тиском 0,5 кГ/см2 діє з силою більше 2500 кГ, а швидкість проходження її 2 км - за 4 сек, 5 км - за 9 сек, а 10 км - за 22 сек.

Світлове випромінювання

Світлове випромінювання являє собою потік променистої енергії, що виникає при ядерному вибуху. Температура повітря світної області ядерного вибуху коливається від мільйонів градусів на початку світіння до декількох тисяч наприкінці його. Світлове випромінювання поширюється миттєво і діє короткочасно.

Яскравість світлового випромінювання набагато сильніша сонячного, а вогняна куля, що утворилася, при ядерному вибуху, помітна на сотні кілометрів.

Світлове випромінювання ядерного вибуху - це електромагнітне випромінювання оптичного діапазону у видімій, ультрафіолетовій і інфрачервоній областях спектра. Джерелом світлового випромінювання є вогняна куля, яка виникає при ядерному вибуху. До її складу входять розжарені продукти вибуху і повітря. Із вогняної кулі випромінюється дуже велика кількість променевої енергії. Внаслідок цього опромінювані предмети дуже швидко нагріваються, обвуглюються або загоряються, а в живих тканинах виникають опіки різних ступенів.

Основним параметром, що визначає уражуючу дію світлового випромінювання ядерного вибуху, є світловий імпульс - це кількість світлової енергії, яка припадає на 1 м2 освітлюваної поверхні, розташованої перпендикулярно до напрямку розповсюдження випромінювання. У системі СІ світловий імпульс вимірюється в джоулях на квадратний метр (Дж/м ); тривалість світлового імпульсу вимірюється в секундах і залежить від потужності ядерного боєприпасу. Світловий імпульс зменшується зі збільшенням відстані від центру вибуху і стану атмосфери внаслідок розсіювання і поглинання проміння.

Дощ, сніг, туман, дим поглинають світлове випромінювання, знижують його потужність і уражуючу силу в декілька разів.

Світлове опромінювання при безпосередній дії викликає опіки відкритих частин тіла, тимчасове осліплення й опіки від полум'я палаючих будівель, споруд, рослинності, палаючої або тліючої одежі. Незалежно від причини виникнення за важкістю травмування організму людини опіки розрізняють 4-х ступенів.

Опік першого ступеня отримують люди при потужності світлового імпульсу від 100 до 200 кДж/м2. При цьому виникає почервоніння шкіри, припухлість місць опіку. Люди не втрачають працездатності, спеціального лікування не потребують. Опіки загоюються швидко.

Опік другого ступеня люди отримують при потужності світлового імпульсу від 200 до 400 кДж/м2. При цьому на шкірі утворюються пухирі, наповнені рідиною. Люди втрачають працездатність і потребують лікування.

Опік третього ступеня люди отримують при потужності світлового імпульсу від 400 до 600 кДж/м. При цьому відбувається повне порушення шкірного покрову по всій його товщині, виникають виразки. Якщо не робити пересадку шкіри, то на місцях опіків утворюються шрами.

Опік четвертого ступеня люди отримують при потужності світлового імпульсу більше 600 кДж/м. При цьому омертвляється підшкірна клітковина, відбувається обвуглення. Люди, які отримали опік 4-го ступеня, потребують тривалого лікування, можлива смерть.

Небезпечність опіків для життя залежить від розміру ураженої площі тіла. Наприклад, опік 1-го ступеня по всьому тілу може бути не безпечнішим, ніж опік 3-го ступеня на малій ділянці.

Ураження очей світловим випромінюванням можливе трьох видів:

- тимчасове осліплення, яке може тривати до 30 хв.;

- опіки очного дна, які виникають на великих відстанях, якщо дивитись на вогняну кулю ядерного вибуху;

- опіки рогівки очей і повік, які виникають на тих же відстанях, що і опіки шкіри.

Внаслідок дії світлового опромінення ядерного вибуху на матеріали відбувається їх плавлення, жолоблення, обвуглення або загоряння. Через світлове опромінювання і вторинні фактори ядерного вибуху можуть виникнути пожежі на підприємствах і в населених пунктах. Особливо швидко загоряються папір, суха трава, солома, сухе листя, деревяні будівлі, пиломатеріали, горючі гази, паливні матеріали.

В осередку ядерного ураження виникають три зони пожеж: зона пожеж в завалах, зона суцільних пожеж і зона окремих пожеж.

Зона пожеж в завалах розповсюджується на всю територію зони повних зруйнувань і на частину зони сильних зруйнувань. Для цієї території характерним є тривале тління і горіння в завалах, яке може продовжуватись до кількох діб. Внаслідок неповного згоряння має місце сильне задимлення, виділення токсичних речовин. У цій зоні підвищена температура задимленого повітря, в якому наявний окис вуглецю. Вдихання продуктів згоряння з невеликою домішкою окиси вуглецю і нагрітих до температури 50-60 оС призводить до загибелі людей.

На території зони суцільних пожеж під дією світлового імпульсу виникають пожежі в більшій частині будівель. Через 1-2 години вогонь розповсюджується на більшість будівель і виникає суцільна пожежа. Зона суцільних пожеж розповсюджується на більшу частину території зони сильних руйнувань, на всю територію середніх руйнувань і на частину території зони слабких руйнувань.

Можливе виникнення вогняного шторму, який викликається ураганним вітром, спрямованим до центру пожежі, стовп вогню підіймається на висоту до 5 км. Виникненню вогняного шторму сприяють щільна забудова, розтікання горючих рідин на площі більше 100 га, відсутність вітру і вологість повітря менша 30%, наявність в житлових кварталах дерев'яних будівель. Зона окремих пожеж розповсюджується на частину території зони слабких руйнувань і виходить за межу цієї зони і закінчується на місцевості, де потужність світлового імпульсу становить 100 кДж/м і менше. На території зони окремих пожеж вони виникають в окремих будівлях. У цій зоні є можливість швидкої організації гасіння пожеж і проведення рятувальних та інших невідкладних робіт.

Надійним захистом від світлового вопромінювання ядерного вибуху є будь- яка непрозора перепона на шляху поширення світлових променів.

Проникаюча радіація (ПР)

Проникаюча радіація - потік гамма-променів і нейтронів, що випускаються у момент ядерного вибуху. Вона дуже небезпечна для незахищених людей і тварин.

Проникаюча радіація діє усього 10-15 сек після вибуху. Однак і цього досить, щоб викликати в незахищених людей і тварин важке захворювання, називане променевою хворобою.

При вибуху ядерного боєприпасу діє дуже потужне радіоактивне опромінювання, яке в своєму складі має альфа-, бета-, гама- і нейтронне випромінювання, їх загальна схожість - можливість іонізувати атоми і молекули речовини, в якій вони розповсюджуються.

Альфа-випромінювання - це потік а-частинок з початковою швидкістю 20000 км/с. При а-розпаді з ядра вилітає порівняно важка а-частинка - ядро атома гелію. Енергія а-частинки, що вилетіла, досить висока - 5-10 МЕВ - майже в мільйон разів більша від енергії електрону в атомі. У зв'язку з цим а-частинки, проходячи через речовину, приводять в ній до значних змін внаслідок іонізації і збудження атомів.

a-частинка взаємодіє з речовиною найефективніше тому, що має великий заряд і малу швидкість. Внаслідок цього великою є її іонізаційна можливість, а проникаюча радіація незначна. Надійним захистом від а-частинок при зовнішньому опроміненні є одяг людини.

Бета-випромінювання - це потік Я-частинок. Я-частинкою називається електрон або позитрон, який випромінює енергію, його швидкість близька до швидкості світла - 300000 км/с, їх заряд менший, а швидкість більша, ніж у а- частинок. У зв'язку з цим Я-частинки мають меншу іонізуючу і більшу проникаючу здатність, ніж а-частинки.

Я-частинки повністю поглинаються віконними й автомобільними заскленнями і металевими екранами товщиною в декілька міліметрів. Одяг людини поглинає близько 50% Я-частинок. Оскільки а- і Я-випромінювання мають невелику здатність, вони більш небезпечні при попаданні в організм людини або безпосередньо на шкіру, особливо в очі.

Гамма-випромінювання - це електромагнітне випромінювання, яке виділяється ядрами атомів при радіоактивних перетвореннях, у-випромінювання супроводжується Я-розпадом, а деколи а-розпадом. За своєю природою у-випромінювання подібне до рентгенівського. Воно має значно більшу енергію (менша довжина хвилі), яка випускається окремими порціями (квантами) і розповсюджується зі швидкістю світла - 300000 км/с. Гамма кванти не мають електричного заряду. У зв'язку з цим іонізуюча можливість у-випромінювання значно менша, ніж у бета- і альфа-частинок. Поряд з цим у-випромінювання має найбільшу проникаючу здатність і є основним фактором уражаючої дії радіоактивних випромінювань.

Нейтронне випромінювання є потоком нейтронів. Швидкість розповсюдження нейтронів досягає 20000 км/с. Нейтрони не мають електричного заряду, тому легко проникають в ядра атомів і захоплюються ними. Нейтронне випромінювання має сильну вражаючу дію при зовнішньому опромінюванні.

Біологічна ефективність нейтронів у кілька разів більша ефективності гамма- променів.

Вплив на організм іонізуючого опромінення призводить до складних хімічних, фізичних і біологічних процесів.

Під впливом опромінення вода організму розкладається на водень (Н) і гідроксильну групу (ОН), що утворюють оксид НО2 і перекис водню Н2О2 - продукти з високою хімічною активністю. Вступаючи в реакцію з молекулами білка, ферментів та інших структурних елементів тканини, вони руйнують її. У результаті цього уповільнюється і зупиняється зростання тканини, порушуються обмінні процеси, пригнічується активність ферментних систем, з'являються токсини - хімічні сполуки, не властиві організму, що порушують життєдіяльність окремих функцій і систем організму.

Радіоактивні речовини, потрапляючи в організм людини, переважно уражають ті тканини й органи, в яких відкладаються: стронцій - у кістках, цезій - у м'язах, уран і плутоній - у печінці, нирках, товстому кишечнику, йод - у щитовидній залозі.

Основним параметром, який характеризує дію ядерного випромінювання, є доза опромінювання (доза радіації). Доза прямо пропорційна інтенсивності випромінювання і тривалості його дії.

Доза опромінення - це енергія, поглинена 1 см2 або 1 г речовини і витрачена на іонізацію і збуджування середовища. Розрізняють експозиційну, поглинену й еквівалентну дози випромінювання.

Експозиційна доза - це доза випромінювання у повітрі. Вона характеризує потенційну небезпеку впливу іонізуючих випромінювань при загальному і рівномірному опроміненні тіла людини. У системі одиниць СІ виміряється в кулонах на кілограм (Кл/ кг). Несистемною одиницею є рентген (Р).

1 рентген (1 Р) - це доза гамма-випромінювання, при якій у 1 см сухого повітря при температурі 0 °С і тиску 760 мм рт. ст. утворюється 2,08 млрд. пар іонів.

Поглинена доза більш точно характеризує вплив іонізуючих випромінювань на біологічні тканини. У системі одиниць СІ вона виміряється у греях (Гр).

1 Гр - це поглинена доза, при якій 1 кг речовини, що опромінюється, поглинає енергію в 1 Дж, звідси 1 Гр = 1 Дж/кг. Несистемна одиниця - рад.

Доза в 1 рад означає, що у кожному грамі речовини, що підлягала опроміненню, поглинені 100 ерг енергії. Цією дозиметричною одиницею можна користуватися для виміру доз будь-якого виду випромінювань у будь-якому середовищі.

1 рад = 10" Гр або 1 Гр = 100 рад; 1 рад = 1,14 Р або 1 Р = 0,87 рад.

Для оцінки біологічної дії іонізуючих випромінювань використовується еквівалентна доза. Во дорівнює добутку поглиненої дози на коефіцієнт якості (К).

У системі СІ як еквівалентну дозу використовують зіверт (Зв), несистемною одиницею є біологічний еквівалент рада (бер):


1 Зв = 100 бер = 1 Гр X К.

Розрізняють чотири ступені променевої хвороби: перший (легкий), другий (середньої ваги), третій (важкий) і четвертий (дуже важкий).