2. Ядерные заряды.

Устройства, предназначенные для осуществления взрывного процесса освобождения внутриядерной энергии, называются ядерными зарядами. В настоящее время различают два основных класса ядерных зарядов: атомные и термоядерные.

В атомных зарядах для получения взрыва делящееся вещество переводится в надкритическое состояние. По принципу перевода атомные заряды делятся на заряды пушечного и имплозивного типов.

В зарядах пушечного типа две или больше частей делящегося вещества, масса каждой из которых меньше критической, быстро соединяются друг с другом в надкритическую массу в результате взрыва обычного взрывчатого вещества – «выстреливания» одной части в другую. При создании зарядов по такой схеме трудно обеспечить высокую надкритичность делящегося вещества, поэтому коэффициент полезного использования его невелик. Достоинством схемы пушечного заряда является возможность создания зарядов малого диаметра и высокой стойкости к воздействию механических нагрузок, что позволяет использовать их в артиллерийских снарядах и минах.

В зарядах имплозивного типа делящееся вещество, имеющее при нормальной плотности массу меньше критической, переводится в надкритическое состояние повышением его плотности в результате всестороннего обжатия с помощью взрыва обычного взрывчатого вещества. В таких зарядах возможно получить наибольший коэффициент использования делящегося вещества.

В термоядерных зарядах основными элементами заряда являются термоядерное горючее и атомный заряд – инициатор реакции синтеза.

В связи с тем, что дейтерий и тритий в свободном состоянии представляют собой газы, а тритий, кроме того, является радиоактивным и дорогостоящим изотопом, в качестве первичного термоядерного горючего обычно используют дейтрид лития-6 – твердое вещество, представляющее собой соединение дейтрия и лития-6. При облучении лития-6 нейтронами, возникающими при взрыве ядерного заряда (инициатора реакции синтеза), образуется тритий, который и вступает в реакцию синтеза с дейтерием. Образующиеся при реакции синтеза нейтроны вновь приводят к образованию трития, а следовательно, к поддержанию реакции синтеза.

Термоядерные заряды условно разделяют на обычные и специализированные. Для обычных термоядерных зарядов распределение энергии взрыва между поражающими факторами близко к её распределению при взрывах атомных зарядов, а для специализированных – характерно резкое изменение распределения энергии по поражающим факторам. К специализированным термоядерным зарядам относятся, например, нейтронные, «чистые» и др. Для нейтронных зарядов характерны в несколько раз больший удельный (на единицу энергии взрыва) выход нейтронов и повышенная их энергия. У чистых зарядов резко снижен вклад в общее энерговыделение реакции деления, т.е. резко уменьшен выход радиоактивных продуктов.

3. Физические процессы при ядерных взрывах и формирование их поражающих факторов.

Взрыв любого ядерного заряда начинается с цепной реакции деления атомных ядер. Первоначально энергия при ядерных взрывах выделяется в виде кинетической энергии образовавшихся частиц (осколков деления, нейтронов, альфа-частиц и др.) и энергии гамма-квантов. Указанные частицы и гамма-кванты, взаимодействуя с атомами непрореагировавшей части вещества заряда, передает им большую часть своей энергии, в результате чего температура в зоне ядерной реакции резко до нескольких десятков миллионов градусов. При такой температуре вещество заряда и элементы конструкции боезаряда мгновенно превращаются в ионизированный газ (плазму). В момент образования этот газ занимает ограниченный объём и давление в нем составляет несколько десятков миллионов атмосфер.

Часть нейтронов и гамма-квантов, образующихся в процессе ядерной реакции выходят за пределы зоны взрыва. Их поток вместе с образующимися при радиоактивном распаде нейтронами (их называют запаздывающими) и гамма-излучением (его называют осколочным), а также гамма-излучением, возникающим в результете взаимодействия нейтронов с веществами боеприпаса и окружающей средой, представляет собой характерный для ядерного взрыва поражающий фактор, который называется ПРОНИКАЮЩЕЙ РАДИАЦИЕЙ.

Образовавшийся в результате ядерной реакции ионизированный газ (плазма) испускает интенсивный поток рентгеновского излучения и, расширяясь, создает газовый поток, который представляет собой разлетающиеся с большой скоростью продукты взрыва заряда и испарившиеся вещества боеприпаса. Рентгеновское излучение и газовый поток в зависимости от окружающей зону взрыва среды могут проявлять себя как самостоятельные поражающие факторы или, в результате передачи своей энергии окружающей зону взрыва среде, вызвать формирование других поражающих факторов.

Радиоактивные продукты, образующиеся в результате цепной реакции деления атомных ядер, а также радиоактивные изотопы, образующиеся под действием испускаемых при ядерной реакции нейтронов на элементы окружающей среды, могут вызвать радиоактивное заражение местности.

Итак, энергия из зоны ядерной реакции независимо от среды, в которой происходит взрыв, уносится проникающей радиацией, рентгеновским излучением, газовым потоком и радиоактивными про

а также слабые механические колебания грунта (сейсмовзрывные волны).я: активное заражение местностирасстояние и рассеивается.кдуктами. Это распределение энергии ориентировочно характеризуется следующими данными:

-проникающая радиация – 5%;

-радиоактивные продукты – 10%;

-рентгеновское излучение и газовый поток – 85%.

В результате взаимодействия проникающей радиации, рентгеновского излучения и газового потока с окружающей зону взрыва средой (воздух, грунт, вода) происходят характерные для каждой среды физические процессы, обусловливающие внешнюю картину и поражающие факторы.

В зависимости от свойств окружающей среды различают воздушные, подземные, наземные, подводные, надводные и высотные ядерные взрывы.

ВОЗДУШНЫЙ ВЗРЫВ. Практически к воздушным взрывам относятся взрывы в атмосфере на высотах 3,5³√¯q<H<10 000 м, где q-мощность взрыва, т. Проникающая радиация и рентгеновское излучение, выходящее из зоны реакции, вызывают возбуждение и ионизацию воздуха. Возбужденные атомы и молекулы при переходе в основное состояние испускают кванты света, в результате чего возникает так называемая область начального свечения воздуха. Это свечение носит люминесцентный характер (свечение холодного воздуха). Его длительность не зависит от мощности взрыва и составляет приблизительно 10 мксек, а радиус области начального свечения воздуха равен примерно 300 м.

В результате взаимодействия гамма-излучения с атомами воздуха образуются высокоэнергетические электроны, движущиеся по направлению движения гамма-квантов, и тяжелые положительные ионы, практически остающиеся на месте. Из-за такого разделения положительных и отрицательных зарядов возникают электрические и магнитные поля – ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ИМПУЛЬС, который проявляет себя как поражающий фактор ядерного взрыва.

Одновременно с ионизацией прилегающего к зоне реакции воздуха происходит его прогрев рентгеновским излучением. В результате чего начинается формирование светящейся области, представляющей собой плазменное образование нагретых до высоких температур воздуха и материалов конструкции боеприпаса. В развитии светящейся области различают три фазы: начальную, первую и вторую. Длительность каждой из них зависит от мощности взрыва: чем больше мощность, тем они длительнее. Продолжительность начальной фазы составляет доли миллисекунд, первой – от нескольких миллисекунд до сотен миллисекунд, второй – от десятых долей секунды до десятков секунд.

Высокая температура внутри охваченной тепловой волной области в тонком наружном слое резко уменьшается до температуры окружающего холодного воздуха. Такой перепад температуры обусловливает возникновение около фронта тепловой волны больших градиентов давления. На границе области, охваченной тепловой волной, накапливаются гидродинамические возмущения, вследствие чего внутри светящейся области зарождается УДАРНАЯ ВОЛНА, которая представляет собой резкое сжатие среды, распространяющееся со сверхзвуковой скоростью.

Некоторое время ударная волна распространяется внутри светящейся области, так как скорость лучистого прогрева больше, чем скорость ударной волны. По мере охлаждения светящейся области скорость распространения тепловой волны уменьшается и при температуре 300 тысяч К она становится равной скорости ударной волны. При температуре ниже 300 тысяч К скорость ударной волны становится больше скорости тепловой волны и её фронт выходит вперед. Момент выхода фронта ударной волны на поверхность светящейся области является окончанием начальной фазы её развития и началом первой фазы.

Первой фазой называется период развития светящейся области, в течении которого её границей и источником интенсивного светового излучения является фронт воздушной ударной волны. В этот период ударная волна полностью экранирует излучение, идущее из внутренних более горячих слоев светящейся области. При этом в то время, когда температура воздуха во фронте выше 10 тысяч К, экраном является сам фронт, а при более низких температурах, когда фронт прозрачен, экранирование излучения внутренних слоев продолжается окислами азота, образующимися за фронтом ударной волны. С течением времени фронт ударной волны перестает светиться и начинает отрываться (удаляться) от светящейся области. Момент отрыва воздушной ударной волны от светящейся области считают окончанием первой фазы и началом второй. Второй фазой называют период развития светящейся области, в течении которого источником светового излучения является воздух за прозрачным фронтом ударной волны.

В этой фазе светящееся область начинает подниматься вверх, вовлекая в себя окружающий воздух; яркостная температура начинает возрастать до 8-10 тысяч К, а затем уменьшается; свет излучается не только поверхностью светящейся области, но и всем её объемом. По мере остывания светящейся области её свечение прекращается, пары конденсируются, она превращается в облако взрыва, представляющее собой клубящуюся массу воздуха, перемешанного с отвердевшими частицами продуктов взрыва, окислами азота воздуха, каплями воды и частицами грунтовой пыли. На вторую фазу приходится основная доля энергии светового излучения (до 98%).

Форма светящейся области во второй фазе зависит от высоты взрыва. При высоком воздушном взрыве (Н>12³√¯qм) она близка к сфере. Светящаяся область низкого воздушного взрыва (Н<7³√¯qм) в результате деформации ударной волны, отраженной от поверхности земли, имеет вид сферического сегмента. Время свечения и диаметр светящейся области зависит от мощности взрыва. Например, при сверхкрупных взрывов по мощности время свечения составляет несколько десятков секунд, а максимальный диаметр светящейся области составляет несколько тысяч метров.

При атомном и обычном термоядерном взрывах в световое излучение трансформируется около 35% их энергии, а в ударную волну, возникающую при развитии светящейся области, трансформируется около 50% энергии воздушного взрыва.

Образовавшееся в результате увеличения и охлаждения светящейся области облако взрыва вначале имеет красный или красно-коричневый цвет, затем, по мере увеличения количества капель воды, он становится белым. С возрастанием высоты подъёма облако взрыва за счет вовлечения в себя окружающего воздуха и аэродинамических сил увеличивается по размерам и массе, из сферы оно превращается в вихревой тороид. Максимальная высота подъёма облака при ядерных взрывах средней мощности 8-12 км. На этой высоте горизонтальный размер облака составляет 5-9 км. Облако сверхкрупного термоядерного взрыва может подняться до высоты 25 км, а его горизонтальный размер в этом случае достигает десятки километров.

Облако взрыва радиоактивно. После подъёма под действием воздушных течений оно переносится на большое расстояние и рассеивается. Во время движения облака содержащиеся в нем радиоактивные продукты, смешавшись с пылью и каплями воды, постепенно выпадают и вызывают радиоактивное заражение местности. Таким образом, поражающими факторами воздушного ядерного взрыва являются:

-воздушная ударная волна;

-световое излучение;

-проникающая радиация;

-электромагнитный импульс;

-облако взрыва;

-ионизация и радиоактивное заражение атмосферы.

Кроме того, при воздушном взрыве над сушей могут возникать пылевые образования, слабое радиоактивное заражение местности, а также слабые механические колебания грунта (сейсмовзрывные волны).

ПОДЗЕМНЫЙ ВЗРЫВ – Это взрыв для которого средой, окружающей зону реакции, является грунт. В грунте в результате его послойного прогрева образуется раскаленный объем. Процесс расширения этого объема в невозмущенном грунте называется тепловой волной в грунте. Внутри раскаленного объема из-за больших градиентов давления на его границе возникают механические возмущения. Начиная с определенного момента времени, скорость распространения механических возмущений начинает превышать скорость тепловой волны и в окружающем раскаленном объёме грунта происходит скачкообразное увеличение давления, плотности, температуры и скорости его движения. Процесс распространения этих возмущений называется ударной волной в грунте. В отличии от воздушного взрыва при ядерном взрыве в грунте ударная волна существует лишь в самой ближней зоне.

Процессы развития подземного взрыва зависят от глубины заложения заряда в грунте. На большой глубине проникающая радиация и газовый поток полностью поглощаются грунтом, радиоактивные продукты взрыва остаются в полости и в толщине разрушенной породы. Такие взрывы называются камуфлетными. Поражающими факторами камуфлетного ядерного взрыва являются: сейсмовзрывные волны и местное действие на грунт (полость и зоны разрушения грунта, остаточная деформация в грунте, вспучивания, отколы и проседание грунта).

Если взрыв происходит на небольшой глубине, вырвавшиеся наружу газы поднимают с собой в атмосферу большое количество грунта. Образуется воронка, вокруг неё навал грунта, возникают пылевые образования. Вместе с газом и грунтом в атмосферу выбрасывается большое количество радиоактивных продуктов, которые смешиваются с частицами пыли. Такие взрывы называются взрывами с выбросом грунта. Поражающими факторами здесь являются: сейсмовзрывные волны, местное действие взрыва (воронка, зона разрушения, вспучивание и навал грунта, камнепад), сильное радиоактивное заражение местности и атмосферы, облако взрыва и пылевые образования. Проникающая радиация и газовый поток при подземном ядерном взрыве на небольшой глубине практически полностью поглощаются грунтом.

НАЗЕМНЫЙ ВЗРЫВ. К наземным ядерным взрывам относятся взрывы на поверхности земли (контактные) и взрывы в воздухе на высотах Н<3,5³√¯q (м), при которых светящаяся область касается поверхности земли. При наземных взрывах энергия из зоны радиации передается в воздушную и грунтовую среду, поэтому они обладают признаками, характерными как для воздушных, так и для подземных взрывов. Поражающими факторами наземных ядерных взрывов являются: воздушная ударная волна, световое излучение, электромагнитный импульс, радиоактивное заражение местности и воздуха, пылевые образования, местное действие (воронка, зоны разрушения, вспучивание и навал грунта, камнепад), проникающая радиация, сейсмовзрывные волны в грунте, облако взрыва и ионизация воздуха.

ПОДВОДНЫЙ ВЗРЫВ. Подводным взрывом называется взрыв ниже поверхности воды, т.е. взрывы, для которых средой, окружающей зону реакции, является вода. Подводная ударная волна, распространяясь от взрыва во все стороны, достигает поверхности воды. Это приводит к возникновению в воздухе преломленной ударной волны, а в воде – отраженной волны разряжения. В результате отражения подводной ударной волны от водной поверхности над эпицентром взрыва образуется водяной купол.

Вследствие значительного градиента давления в преломленной воздушной ударной волне и подъёма водяного купола в воздухе формируется другая ударная волна, которая называется эпицентральной.

При распространении волны разряжения в воде возникают растягивающие усилия, приводящие к кавитации жидкости в большой области вокруг эпицентра взрыва. След этот виден на поверхности в виде светлого расширяющегося вокруг водяного купола кольца.

В центре взрыва происходит ионизация, диссоциация и испарение воды, в воде возникает парогазовый пузырь, наполненный радиоактивными продуктами, образовавшимися в начальной стадии взрыва. Сразу же после возникновения парогазовый пузырь начинает расширяться под действием своего внутреннего давления, затем, когда его внутреннее давление становится меньше давления окружающей среды, сжимается. Во время сжатия в первой пульсации парогазовый пузырь начинает всплывать и через определенное время он прорывается через поверхность воды. В результате этого прорыва образуется ещё одна, третья воздушная ударная волна, а водяной купол превращается в поднимающийся полый водяной столб. Паря из пузыря вместе с радиоактивными продуктами взрыва поднимаются в верхнюю часть пузыря, образуя конденсационное облако. Водяной столб, увенчанный конденсационным облаком, называется взрывным султаном. При взрывах на глубинах до 0,4³√¯q (м) взрывной султан не образуется. В этом случае водяной купол превращается в пароводяной столб и пароводяное облако.

После достижения максимальной высоты подъёма взрывной султан обрушается и у его основания образуется базисная волна – вихревое кольцо плотного радиоактивного тумана, водяных капель и брызг. Базисная волна является вторым источником проникающей радиации в основном гамма-излучения радиоактивных продуктов.

Воздействие ударной волны в воде на дно акватории может привести к образованию отражений волны в воде и сейсмических волн в грунте. Последние могут генерировать волны в воде, их называют волнами сейсмического происхождения в воде. При подводном ядерном взрыве вблизи дна в грунте образуется воронка и навал грунта.

Поражающими факторами подводного ядерного взрыва являются: подводная ударная волна, взрывной султан, проникающая радиация, радиоактивное заражение акватории и воздуха, гравитационные волны, сейсмовзрывные волны в грунте дна, волны сейсмического происхождения в воде, воздушные ударные волны, местное действие на грунт дна.

НАДВОДНЫЙ ВЗРЫВ. К надводным ядерным взрывам относят контактные взрывы и взрывы в воздухе на высотах Н<3,5³√¯q (м), при которых светящаяся область касается поверхности воды. При надводных взрывах энергия из зоны взрыва передается одновременно в воздушную и водную среды. Поэтому поражающими факторами здесь являются: воздушная ударная волна, световое излучение, электромагнитный импульс, радиоактивное заражение воды, прибрежных участков суши и воздуха, проникающая радиация, ударные волны в воде, пароводяное облако, пароводяной столб.

ВЫСОТНЫЙ ВЗРЫВ. К таким взрывам относят взрывы на высотах более 10 км. Физические процессы, сопровождающие высотные ядерные взрывы, с увеличением высоты взрыва (т.е. с уменьшением плотности воздуха) сначала претерпевают только количественные изменения значений их характеристик, а затем – и качественные изменения самих процессов. По этой причине высотные ядерные взрывы подразделяют на стратосферные (взрывы на высотах от 10 до 80 км) и космические (взрывы на высотах более 80 км).

Процессы развития стратосферных взрывов подобны процессам воздушных взрывов. Однако значения характеристик этих процессов различаются. Для стратосферных взрывов характерно образование и развитие светящейся области, облака взрыва и возникновение области повышенной ионизации воздуха. С увеличением высоты взрыва размеры светящейся области возрастают, она становится все боле вытянутой по вертикали, само облако взрыва рассеивается быстрее. При взрывах на высотах более 25 км размеры области ионизации превышают размеры светящейся области и облака взрыва. Поражающими факторами стратосферных ядерных взрывов являются: рентгеновское излучение, проникающая радиация, воздушная ударная волна, световое излучение, газовый поток, ионизация среды, электромагнитный импульс, радиоактивное заражение воздуха.

Космические ядерные взрывы отличаются от стратосферных как физическими процессами, так и значениями их характеристик. Из-за сильного разряжения воздуха пробег всех излучений достигает больших значений, поэтому при космических взрывах:

-воздух в окрестностях взрыва прогревается слабо, светящаяся область и световое излучение практически не образуются;

-излучение, поглощенное в обширной области атмосферы на высотах 60-90 км, вызывает ионизацию и возбуждение атомов воздуха без заметного его нагрева. Вследствие перехода их в основное состояние возникает люминесцентное свечение воздуха, которое длится часами;

-воздушная волна образуется в результате торможения разлетающихся продуктов взрыва окружающим воздухом и поэтому её интенсивность такова, что она не приобретает роли поражающего фактора.

Поражающими факторами космических ядерных взрывов являются: проникающая радиация, рентгеновское излучение, область повышенной ионизации атмосферы, газовый поток, ионизация среды, электромагнитный импульс, слабое радиоактивное заражение воздуха.