Как происходит взрыв ядерной бомбы. Взрыв атомной бомбы и механизм его действия
Руководство по планированию действий местных служб на последствия ядреного взрыва в городской среде
Целью данного руководства является предоставление рекомендаций для планирования конкретных действий в случае городского ядерного взрыва с целью максимального сохранения жизни граждан… Руководство разработано для мероприятий по реагированию в среде с сильно разрушенной инфраструктуры в течение первых нескольких дней (т.е. 24 - 72 часов), когда вероятно, что многие ресурсы Федеральных служб все еще будут на пути к инциденту.
Глава 1 - ядерные эффекты и последствия детонации в городской среде
Как правило, при рассмотрении сценариев ядерного взрыва совершаемых террористами, эксперты предполагают использование маломощного ядерного устройства взрываемого на земле.
Мощность взрыва в данном контексте предполагается в диапазоне от долей килотонны (KT) до 10 КТ. Описания и планирования факторов, предусмотренных в настоящем документе, основаны на информации Департамента Национальной Безопаности (DHS) Национальная сценарного планирования (NPS) # 1, в котором описывается ядерной взрыв устройства из 10 KT взорванного на уровне земли в городской среде. Воздействия ядерного взрыва менее 10 KT будет меньше, однако, соотношение не является линейным.
Рисунок 1.1: Характеристика зон разрушений для 10 кт ядерного взрыва наложенный на условную городскую застройку.
Рисунок 1.2: Характеристика ущерба зонах разрушений 0,1, 1 и 10 KT ядерных взрывов (круги идеализированы здесь для целей моделирования)
Рисунок 1.6: Размеры опасных (DF) зон для 0.1KT, 1.0KT и 10KT в которой рано или поздно прямые угрозы от выпадения радиоактивности существует. В зоне DF величина облучения превышает 10 Р / ч. Зона DF начнет сокращаться сразу и относительно быстро с течением времени.
Таблица 1.4: Пример дозы распада с раннего выпадения как функция времени после ядерного взрыва; адаптировано из Глесстон и Dolan12
Рисунок 1.7. Добавление 10 мР / ч границей LD, MD, SD, и DF зоны (зоны ограниченного заражения на 0,01 Р / ч при 10 KT сценарии можно продлить за 100 км)
Рисунок 1.8. Время и последовательности изменения размера DF зоны и границы заражения с радиацией 0,01 Р / ч для сценария взрыва 10 кт
Таблица 1.5: Вероятность летального исхода от острого радиационного воздействия в зависимости от поглощенной дозы (для взрослых), для использования в процессе принятия решений после короткого терма облучения адаптировано из НКРЗ, AFRRI, МАГАТЭ, МКРЗ и Mettler
Рисунок 3.1: Строительные сооружения в качестве защитного фактора от радиации - Числа представляют фактор снижения дозы. Фактором снижения дозы от 10 указывает, что человек в этой области будут получать 1/10th дозы человека на открытом пространстве. Фактор снижения дозы в 200 указывает, что человек в этой области будут получать 1/200th дозы.
Я́дерный взрыв - неуправляемый процесс высвобождения большого количества тепловой и лучистой энергии в результате цепной ядерной реакции деления или реакции термоядерного синтеза за очень малый промежуток времени. По своему происхождению ядерные взрывы являются либо продуктом деятельности человека на Земле и в околоземном космическом пространстве, либо природными процессами на некоторых видах звёзд. Искусственные ядерные взрывы - мощное оружие, предназначенное для уничтожения крупных наземных и защищённых подземных военных объектов, скоплений войск и техники противника (в основном тактическое ядерное оружие), а также полное подавление и уничтожение противоборствующей стороны: разрушение больших и малых населённых пунктов с мирным населением и стратегической промышленности (Стратегическое ядерное оружие).
Ядерный взрыв может иметь мирное применение :
Перемещение больших масс грунта при строительстве;
Обрушение препятствий в горах;
Дробление руды;
Увеличение нефтеотдачи нефтяных местрождений;
Перекрывание аварийных нефтяных и газовых скважин;
Поиск полезных ископаемых сейсмическим зондированием земной коры;
Движущая сила для ядерных и термоядерных импульсных космических аппаратов,
Например нереализованный проект корабля "Орион" и проект межзвёздного
Автоматического зонда "Дедал");
Научные исследования: сейсмология, внутреннее строение Земли, физика плазмы и многое другое.
В последнее время рассматривается возможность разрушения или изменения орбиты одного из астероидов, угрожающих столкновением с Землёй, путём ядерного взрыва в его окрестности.
[ Физические основы ]
Цепная реакция деления
Атомные ядра некоторых изотопов химических элементов с большой атомной массой (например урана или плутония) при их облучении нейтронами определённой энергии теряют свою устойчивость и распадаются с выделением энергии на два меньших и приблизительно равных по массе осколка - происходит реакция деления атомного ядра. При этом наряду с осколками, обладающими большой кинетической энергией, выделяются ещё несколько нейтронов, которые способны вызвать аналогичный процесс в соседних таких же атомах. В свою очередь, нейтроны, образовавшиеся при их делении, могут привести к делению дополнительного количества атомов расщепляющего материала - реакция становится цепной, приобретает каскадный характер. В зависимости от внешних условий, количества и чистоты расщепляющегося материала её течение может происходить по-разному. Если вследствие вылета нейтронов из зоны деления или их поглощения атомными ядрами без последующего деления число расщеплённых ядер в последующей стадии цепной реакции меньше чем в предыдущей, то происходит её затухание. При равном числе расщеплённых ядер в обеих стадиях цепная реакция становится самоподдерживающейся, а в случае превышения количества расщеплённых ядер в каждой последующей стадии в реакцию вовлекаются всё новые атомы расщепляющегося вещества. Если такое превышение является многократным, то в ограниченном объёме за очень короткий промежуток времени образуется большое количество атомных ядер-осколков деления, электронов, нейтронов и квантов электромагнитного излучения с очень высокой кинетической энергией. Единственно возможной формой их существования является агрегатное состояние высокотемпературной плазмы, в сгусток которой превращается весь расщепляющийся материал и любое другое вещество в его окрестности. Этот сгусток не может быть сдержан в своём первоначальном объёме и стремится перейти в равновесное состояние путём расширения в окружающую среду и теплообмена с ней. Поскольку скорость упорядоченного движения составляющих сгусток частиц много выше скорости звука как в нём, так и в окружающей его среде (если это не вакуум), расширение не может иметь плавного характера и сопровождается образованием ударной волны - то есть носит характер взрыва.
Термоядерный синтез
В отличие от атомных реакций деления, реакции термоядерного синтеза с выделением энергии возможны только среди элементов с небольшой атомной массой, не превышающих приблизительно атомную массу железа. Они не носят цепного характера и возможны только при высоких температурах, когда кинетической энергии сталкивающихся атомных ядер достаточно для преодоления кулоновского барьера отталкивания между ними, либо для заметной вероятности их слияния за счёт действия туннельного эффекта квантовой механики. Чтобы сделать возможным такой процесс, необходимо совершить работу для разгона исходных атомных ядер до высоких скоростей, но если они сольются в новое ядро, то выделившаяся при этом энергия будет больше, чем затраченная. Появление нового ядра в результате термоядерного синтеза как правило сопровождается образованием различного рода элементарных частиц и высокоэнергетичных квантов электромагнитного излучения. Наряду со вновь образовавшимся ядром все они имеют большую кинетическую энергию, то есть в реакции термоядерного синтеза происходит преобразование внутриядерной энергии сильного взаимодействия в тепловую. Как следствие, в итоге результат оказывается тот же, что и в случае цепной реакции деления - в ограниченном объёме образуется сгусток высокотемпературной плазмы, расширение которого в окружающей плотной среде имеет характер взрыва.
[ Классификация ядерных взрывов ]
Искусственные ядерные взрывы обычно классифицируют по двум признакам: мощности заряда, инициировавшего взрыв, и местоположению точки нахождения заряда в момент подрыва (центр ядерного взрыва). Проекция этой точки на поверхность земли называется эпицентром ядерного взрыва. Мощность ядерного взрыва измеряется в так называемом тротиловом эквиваленте - массе тринитротолуола, при химическом взрыве которого выделяется столько же энергии, сколько при оцениваемом ядерном. Наиболее часто используемыми единицами измерения мощности ядерного взрыва служат 1 килотонна (кт) или 1 мегатонна (Мт) тротилового эквивалента.
Классификация по мощности
Сверхмалую (менее 1 кт);
Малую (от 1 до 10 кт) - на движущейся картинке справа (около 10 кт);
Среднюю (от 10 до 100 кт);
Большую (от 100 кт до 1 Мт);
Сверхбольшую (более 1 Мт);
Взрыв мощностью 20 кт даёт зону полных разрушений радиусом около 1 км, 20 Мт - уже 10 км. По расчётам, при взрыве мощностью 100 Мт зона полного разрушения будет иметь радиус около 35 км, сильных разрушений - около 50 км, на расстоянии около 80 км незащищённые люди получат ожоги третьей степени. Практически одним таким взрывом может быть полностью уничтожен любой из самых крупных городов Земли.
Наиболее мощным искусственным ядерным взрывом был атмосферный взрыв в приземном слое советской 58-мегатонной термоядерной бомбы АН602, прозванной Царь-Бомба, на полигоне на Новой Земле. Причём испытана на неполную мощность, в так называемом чистом варианте. Полная проектная мощность с урановой оболочкой-отражателем нейтронов могла бы составить порядка 100 мегатонн тротилового эквивалента.
Классификация по нахождению центра взрыва
Приведённая высота (глубина) заряда в метрах на тонну тротилового эквивалента (в скобках пример для взрыва мощностью 1 мегатонна)[лит 1] (С. 146, 232, 247, 522, 751):
космический, экзоатмосферный или магнитосферный: свыше 100 км
атмосферные:
высотный: более 10-15 км, но чаще считается на высотах 40-100 км
высокий воздушный: свыше 15-20 м/т1/3, когда форма вспышки близка к сферической (свыше 1,5-2 км)
низкий воздушный: от 3,5 до 15-20 м/т1/3 - огненная сфера касается земли и усекается снизу (350-1500 м)
наземный: 0-3,5 м/т1/3, - вспышка принимает форму полусферы (0-350 м)
наземный с образованием вдавленной воронки без значительного выброса грунта: ниже 0,5 м/т1/3 (ниже 50 м)
наземный контактный: 0-0,3 м/т1/3 - когда грунт из воронки выбрасывается и попадает в светящуюся область (0-30 м)
подземный: на глубине более 1,5 м/т0,3[лит 2] (С. 276) (глубже 12 м)(?)
на выброс (выброс грунта и кратер в разы больше, чем при наземном взрыве)
взрыв рыхления - в глубине образуется полость или столб обрушения, а на поверхности колцеобразный вывал грунта (холм вспучивания), в центре которого провальная воронка
камуфлетный: глубже 7-10 м/т1/3 - в глубине остаётся замкнутая (котловая) полость или столб обрушения; если столб обрушения достигает поверхности, то образуется провальная воронка без холма вспучивания (глубже 700-1000 м)
наводный - происходит испарение воды
подводный:
на малой глубине: менее 0,3 м/т1/3 - вода испаряется до поверхности и столб воды (взрывной султан) не образуется (менее 30 м)
с образованием взрывного султана и облака султана: 0,25-2,2 м/т1/3 (25-220 м)
глубоководный: глубже 2,5 м/т1/3 - когда образующийся пузырь выходит на поверхность без образования облака султана.
[ Явления при ядерном взрыве ]
Специфичные только для ядерного взрыва
Сопутствующие ядерному взрыву явления варьируют от местонахождения его центра. Ниже рассматривается случай атмосферного ядерного взрыва в приземном слое, который был наиболее общим до запрета ядерных испытаний на земле, под водой, в атмосфере и в космосе. После инициирования реакции деления или синтеза за очень короткое время порядка долей микросекунд в ограниченном объёме выделяется огромное количество лучистой и тепловой энергии. Реакция обычнозаканчивается после испарения и разлёта конструкции взрывного устройства вследствие огромной температуры (до 107 К) и давления (до 109 атм.) в точке взрыва. Визуально с большого расстояния эта фаза воспринимается как очень яркая светящаяся точка.
Световое давление от электромагнитного излучения при реакции начинает нагревать и вытеснять окружающий воздух от точки взрыва - образуется огненный шар и начинает формироваться скачок давления между воздухом, сжатым излучением, и невозмущённым, поскольку скорость перемещения фронта нагрева изначально многократно превосходит скорость звука в среде. После затухания ядерной реакции энерговыделение прекращается и дальнейшее расширение происходит уже не за счёт светового давления, а за счёт разницы температур и давлений в области эпицентра и в окружающем его воздухе. Эта фаза характеризуется превращением светящейся точки в растущий в размерах огненный шар, постепенно теряющий свою яркость.
Происходящие в заряде ядерные реакции служат источником разнообразных излучений: электромагнитного в широком спектре от радиоволн до высокоэнергичных гамма-квантов, быстрых электронов, нейтронов, атомных ядер. Это излучение, называемое проникающей радиацией, порождает ряд характерных только для ядерного взрыва последствий. Нейтроны и высокоэнергичные гамма-кванты, взаимодействуя с атомами окружающего вещества, преобразуют их стабильные формы в нестабильные радиоактивные изотопы с различными путями и полупериодами распада - создают так называемую наведённую радиацию. Наряду с осколками атомных ядер расщепляющегося вещества или продуктами термоядерного синтеза, оставшимися от взрывного устройства, вновь получившиеся радиоактивные вещества поднимаются высоко в атмосферу и способны рассеяться на большой территории, формируя радиоактивное заражение местности после ядерного взрыва. Спектр образующихся при ядерном взрыве нестабильных изотопов таков, что радиоактивное заражение местности способно длиться тысячелетиями, хотя интенсивность излучения падает со временем.
Высокоэнергичные гамма-кванты от ядерного взрыва, проходя через окружающую среду, ионизуют её атомы, выбивая из них электроны и сообщая им достаточно большую энергию для каскадной ионизации других атомов, вплоть до 30000 ионизаций на один гамма-квант. В результате под эпицентром ядерного взрыва остаётся «пятно» положительно заряженных ионов, которые окружены гигантским количеством электронного газа; такая переменная во времени конфигурация носителей электрических зарядов создаёт очень сильное электромагнитное поле, которое исчезает после взрыва вместе с рекомбинацией ионизированных атомов. В процессе рекомбинации порождаются сильные электрические токи, служащие дополнительным источником электромагнитного излучения. Весь этот комплекс явлений называется электромагнитным импульсом, и хотя в него уходит менее трети десятимиллиардной доли энергии взрыва, происходит он за очень короткое время и выделяющаяся при этом мощность может достигать 100 ГВт.
Наземный ядерный взрыв в отличие от обычного также имеет свои особенности. При химическом взрыве температура грунта, примыкавшего к заряду и вовлечённого в движение относительно невелика. При ядерном взрыве температура грунта возрастает до десятков миллионов градусов и большая часть энергии нагрева в первые же мгновения излучается в воздух и дополнительно идёт в образование теплового излучения и ударной волны, чего при обычном взрыве не происходит.Отсюда резкое различие в воздействии на поверхность и грунтовый массив: наземный взрыв химического взрывчатого вещества передаёт в грунт до половины своей энергии, а ядерный - считанные проценты. Соответственно размеры воронки и энергия сейсмических колебаний от ядерного взрыва в разы меньше оных от одинакового по мощности взрыва ВВ.Однако при заглублениизарядов это соотношение сглаживается, так как энергия перегретой плазмы меньше уходит в воздух и идёт на совершение работы над грунтом.
Подводный взрыв на глубине 27 м:
Подводный взрыв на глубине 660 м:
Подземный взрыв на малой глубине:
Кратер после подземного взрыва на малой глубине:
Проседание поверхности после подземных взрывов на большой глубине:
Взрыв на высоте 400 км:
2000 ядерных взрывов
Создатель атомной бомбы Роберт Оппенгеймер в день первого испытания своего детища сказал: «Если бы на небе разом взошли сотни тысяч солнц, их свет мог бы сравниться с сиянием, исходившим от Верховного Господа… Я — есть Смерть, великий разрушитель миров, несущий гибель всему живому». Эти слова были цитатой из «Бхагавад Гиты», которую американский физик прочитал в оригинале.
Фотографы из Лукаут Маунтэйн стоят по пояс в пыли, поднятой ударной волной после ядерного взрыва (фото 1953 года).
Название испытания: Umbrella
Дата: 8 июня 1958 года
Мощность: 8 килотонн
Подводный ядерный взрыв был произведён в ходе операции «Hardtack». В качестве мишеней использовались списанные корабли.
Название испытания: Chama (в рамках проекта «Доминик»)
Дата: 18 октября 1962 года
Место: Остров Джонстон
Мощность: 1.59 мегатонн
Название испытания: Oak
Дата: 28 июня 1958 года
Место: Лагуна Эниветок в Тихом океане
Мощность: 8.9 мегатонн
Проект «Апшот-Нотхол», испытание «Энни». Дата: 17 марта 1953 г.; проект: Апшот-Нотхол; испытание: Энни; место: Нотхол, полигон в Неваде, сектор 4; мощность: 16 кт. (Photo: Wikicommons)
Название испытания: Castle Bravo
Дата: 1 марта 1954 года
Место: атолл Бикини
Тип взрыва: на поверхности
Мощность: 15 мегатонн
Взрыв водородной бомбы Castle Bravo был самым мощным взрывом из всех испытаний, когда либо проводимых США. Мощность взрыва оказалась намного больше первоначальных прогнозов в 4-6 мегатонн.
Название испытания: Castle Romeo
Дата: 26 марта 1954 года
Место: на барже в кратере Bravo, атолл Бикини
Тип взрыва: на поверхности
Мощность: 11 мегатонн
Мощность взрыва оказалась в 3 раза больше первоначальных прогнозов. Romeo был первым испытанием, произведенным на барже.
Проект «Доминик», испытание «Ацтек»
Название испытания: Priscilla (в рамках серии испытаний «Plumbbob»)
Дата: 1957 год
Мощность: 37 килотонн
Именно так выглядит процесс высвобождения огромного количества лучистой и тепловой энергии при атомном взрыве в воздухе над пустыней. Тут еще можно разглядеть военную технику, которая через мгновение будет уничтожена ударной волной, запечатленной в виде кроны, окружившей эпицентр взрыва. Видно как ударная волна отразилась от земной поверхности и вот-вот сольется с огненным шаром.
Название испытания: Grable (в рамках операции «Апшот-Нотхол»)
Дата: 25 мая 1953 года
Место: Ядерный полигон в Неваде
Мощность: 15 килотонн
На испытательном полигоне в пустыне Невада фотографами центра Лукаут Маунтэйн в 1953 году была сделана фотография необычного явления (кольцо огня в ядерном грибе после взрыва снаряда из ядерной пушки), природа которого долгое время занимала умы ученых.
Проект «Апшот-Нотхол», испытание «Грабл». В рамках этого испытания был произведен взрыв атомной бомбы мощностью 15 килотонн, запущенной 280-миллиметровой атомной пушкой. Испытание прошло 25 мая 1953 года на полигоне Невады. (Photo: National Nuclear Security Administration / Nevada Site Office)
Грибовидное облако, образованное в результате атомного взрыва испытания «Траки», проводимого в рамках проекта «Доминик».
Проект «Бастер», испытание «Дог».
Проект «Доминик», испытание «Йесо». Испытание: Йесо; дата:10 июня 1962 г.; проект: Доминик; место: 32 км к югу от острова Рождества; тип испытания: B-52, атмосферный, высота - 2,5 м; мощность: 3.0 мт; тип заряда: атомный. (Wikicommons)
Название испытания: YESO
Дата: 10 июня 1962 года
Место: Остров Рождества
Мощность: 3 мегатонны
Испытание «Ликорн» на территории Французской Полинезии. Изображение №1. (Pierre J./French Army)
Название испытания: «Единорог» (фр. Licorne)
Дата: 3 июля 1970 года
Место: атолл во Французской Полинезии
Мощность: 914 килотонн
Испытание «Ликорн» на территории Французской Полинезии. Изображение №2. (Photo: Pierre J./French Army)
Испытание «Ликорн» на территории Французской Полинезии. Изображение №3. (Photo: Pierre J./French Army)
Для получения хороших снимков на испытательных полигонах часто работают целые команды фотографов. На фото: испытательный ядерный взрыв в пустыне Невада. Справа видны ракетные шлейфы, с помощью которых ученые определяют характеристики ударной волны.
Испытание «Ликорн» на территории Французской Полинезии. Изображение №4. (Photo: Pierre J./French Army)
Проект «Кастл», испытание «Ромео». (Photo: zvis.com)
Проект «Хардтэк», испытание «Амбрелла». Испытание: Амбрелла; дата: 8 июня 1958 г.; проект: Хардтэк I; место: лагуна атолла Эниветок; тип испытания: подводный, глубина 45 м; мощность: 8кт; тип заряда: атомный.
Проект «Редвинг», испытание «Семинол». (Photo: Nuclear Weapons Archive)
Испытание «Рия». Атмосферное испытание атомной бомбы на территории Французской Полинезии в августе 1971 года. В рамках этого испытания, которое прошло 14 августа 1971 года, была взорвана термоядерная боеголовка под кодовым названием «Рия», мощностью 1000 кт. Взрыв произошел на территории атолла Муруроа. Этот снимок был сделан с расстояния 60 км от нулевой отметки. Photo: Pierre J.
Грибовидное облако от ядерного взрыва над Хиросимой (слева) и Нагасаки (справа). На заключительной стадии Второй мировой войны, Соединенные Штаты нанесли 2 атомных удара по Хиросиме и Нагасаки. Первый взрыв прогремел 6 августа 1945 года, а второй - 9 августа 1945 года. Это был единственный случай, когда ядерное оружие применялось в военных целях. Согласно приказу президента Трумэна, 6 августа 1945 года американская армия сбросила ядерную бомбу «Малыш» на Хиросиму, а 9 августа последовал ядерный взрыв бомбы «Толстяк», сброшенной на Нагасаки. В течение 2-4 месяцев после ядерных взрывов в Хиросиме погибло от 90 000 до 166 000 человек, а в Нагасаки - от 60 000 до 80 000. (Photo: Wikicommons)
Проект «Апшот-Нотхол». Полигон в Неваде, 17 марта 1953 года. Взрывная волна полностью разрушила Строение №1, расположенное на расстоянии 1,05 км от нулевой отметки. Разница во времени между первым и вторым снимком составляет 21/3 секунды. Камера была помещена в защитный футляр с толщиной стенки 5 см. Единственным источником света в данном случае была ядерная вспышка. (Photo: National Nuclear Security Administration / Nevada Site Office)
Проект «Рэйнджер», 1951 год. Название испытания неизвестно. (Photo: National Nuclear Security Administration / Nevada Site Office)
Испытание «Тринити».
«Тринити» было кодовым названием первого испытания ядерного оружия. Это испытание было проведено армией Соединенных Штатов 16 июля 1945 года, на территории, расположенной приблизительно в 56 км к юго-востоку от Сокорро, штат Нью-Мексико, на ракетном полигоне «Уайт Сэндс». Для испытания использовалась плутониевая бомба имплозивного типа, получившая прозвище «Штучка». После детонации прогремел взрыв мощностью эквивалентной 20 килотоннам тротила. Дата проведения этого испытания считается началом атомной эры. (Photo: Wikicommons)
Название испытания: Mike
Дата: 31 октября 1952 года
Место: Остров Elugelab («Flora»), атолл Эневейта
Мощность: 10.4 мегатонны
Устройство, взорванное при испытании Майка и названное «колбасой», было первой настоящей «водородной» бомбой мегатонного класса. Грибовидное облако достигло высоты 41 км при диаметре 96 км.
АН602 (она же «Царь-бомба», она же «Кузькина мать») — термоядерная авиационная бомба, разработанная в СССР в 1954—1961 гг. группой физиков-ядерщиков под руководством академика Академии наук СССР И. В. Курчатова. Самое мощное взрывное устройство за всю историю человечества. По разным данным имело от 57 до 58,6 мегатонн тротилового эквивалента. Испытания бомбы состоялись 30 октября 1961 года. (Wikimedia)
Взрыв “MET”, осуществленный в рамках Операции “Типот”. Примечательно, что взрыв “MET” по мощности был сравним с плутониевой бомбой «Толстяк», сброшенной на Нагасаки. 15 апреля 1955 года, 22 кт. (Wikimedia)
Один из самых мощных взрывов термоядерной водородной бомбы на счету США - операция “Кастл Браво”. Мощность заряда составила 10 мегатонн. Взрыв был произведен 1 марта 1954 года на атолле Бикини, Маршалловы Острова. (Wikimedia)
Операция “Кастл Ромео” - один из самых мощных взрывов термоядреной бомбы, произведенных США. Атолл Бикини, 27 марта 1954 года, 11 мегатонн. (Wikimedia)
Взрыв “Бэйкер”, показана белая поверхность воды, потревоженной воздушной ударной волной, и верх полой колонны брызг, образовавшей полусферическое облако Вильсона. На заднем плане - берег атолла Бикини, июль 1946 года. (Wikimedia)
Взрыв американской термоядерной (водородной) бомбы “Майк” мощностью 10,4 мегатонны. 1 ноября, 1952 года. (Wikimedia)
Операция «Парник» (англ. Operation Greenhouse) — пятая серия американских ядерных испытаний и вторая из них за 1951 год. В ходе операции испытывались конструкции ядерных зарядов с использованием термоядерного синтеза для увеличения выхода энергии. Кроме того, исследовалось воздействие взрыва на сооружения, включая жилые здания, корпуса заводов и бункеры. Операция проводилась на Тихоокеанском ядерном полигоне. Все устройства были взорваны на высоких металлических вышках, имитирующих воздушный взрыв. Взрыв “Джордж”, 225 килотонн, 9 мая 1951 года. (Wikimedia)
Грибообразное облако, у которого вместо пылевой ножки водяной столб. Справа на столбе видна прореха: линкор «Арканзас» закрыл собой выброс брызг. Испытание “Бэйкер”, мощностью заряда - 23 килотонны в тротиловом эквиваленте, 25 июля 1946 года. (Wikimedia)
200-метровое облако над территорией Frenchman Flat после взрыва “MET” в рамках операции “Типот”, 15 апреля 1955 года, 22 кт. Этот снаряд имел редкую сердцевину из урана-233. (Wikimedia)
Кратер был сформирован, когда в 100 килотонн взрывной волны были взорваны под 635 футов пустыни 6 июля 1962 года, вытеснив 12 миллионов тонн земли.
Время: 0с. Расстояние: 0м.
Инициация взрыва ядерного детонатора.
Время: 0.0000001c. Расстояние: 0м Температура: до 100 млн. °C. Начало и ход ядерных и термоядерных реакций в заряде. Ядерный детонатор своим взрывом создаёт условия для начала термоядерных реакций: зона термоядерного горения проходит ударной волной в веществе заряда со скоростью порядка 5000 км/с (106 — 107 м/с) Около 90% выделяющихся при реакциях нейтронов поглощается веществом бомбы, оставшиеся 10% вылетают наружу.
Время: < 10−7c. Расстояние: 2м Температура: 30 млн.°C. Окончание реакции, начало разлёта вещества бомбы. Бомба сразу исчезает из виду и на её месте появляется яркая светящаяся сфера (огненный шар), маскирующая разлёт заряда. Скорость роста сферы на первых метрах близка к скорости света. Плотность вещества здесь за 0,01 сек падает до 1% плотности окружающего воздуха; температура за 2,6 сек падает до 7—8 тыс.°C, ~5 секунд удерживается и дальше снижается с подъёмом огненной сферы; давление через 2—3 сек падает до несколько ниже атмосферного.
Время: 1.1х10−7c. Расстояние: 10м Температура: 6 млн.°C. Расширение видимой сферы до ~10 м идёт за счёт свечения ионизованного воздуха под рентгеновским излучением ядерных реакций, а далее посредством радиационной диффузии самого нагретого воздуха. Энергия квантов излучения, покидающих термоядерный заряд такова, что их свободный пробег до захвата частицами воздуха порядка 10 м и вначале сравним с размерами сферы; фотоны быстро обегают всю сферу, усредняя её температуру и со скоростью света вылетают из неё, ионизуя всё новые слои воздуха, отсюда одинаковая температура и околосветовая скорость роста. Далее, от захвата к захвату, фотоны теряют энергию и длина их пробега сокращается, рост сферы замедляется.
Время: 1.4х10−7c. Расстояние: 16м Температура: 4 млн.°C. В целом от 10−7 до 0,08 секунд идёт 1-я фаза свечения сферы с быстрым падением температуры и выходом ~1 % энергии излучения, большей частю в виде УФ-лучей и ярчайшего светового излучения, способных повредить зрение у далёкого наблюдателя без образования ожогов кожи. Освещённость земной поверхности в эти мгновения на расстояниях до десятков километров может быть в сто и более раз больше солнечной.
Время: 1.7х10−7c. Расстояние: 21м
Температура: 3 млн.°C. Пары бомбы в виде клубов, плотных сгустков и струй плазмы как поршень сжимают впереди себя воздух и формируют ударную волну внутри сферы — внутренний скачок, отличающийся от обычной ударной волны неадиабатическими, почти изотермическими свойствами и при тех же давлениях в несколько раз большей плотностью: сжимающийся скачком воздух сразу излучает большую часть энергии через пока прозрачный для излучений шар.
На первых десятках метров окружающие предметы перед налётом на них огневой сферы из-за слишком большой её скорости не успевают никак среагировать — даже практически не нагреваются, а оказавшись внутри сферы под потоком излучения испаряются мгновенно.
Температура: 2 млн.°C. Скорость 1000 км/с. С ростом сферы и падением температуры энергия и плотность потока фотонов снижаются и их пробега (порядка метра) уже не хватает для околосветовых скоростей расширения огневого фронта. Нагретый объём воздуха начал расширяться и формируется поток его частиц от центра взрыва. Тепловая волна при неподвижном воздухе на границе сферы замедляется. Расширяющийся нагретый воздух внутри сферы наталкивается на неподвижный у её границы и где-то начиная с 36—37 м появляется волна повышения плотности — будущая внешняя воздушная ударная волна; до этого волна не успевала появиться из-за огромной скорости роста световой сферы.
Время: 0,000001c. Расстояние: 34м Температура: 2 млн.°C. Внутренний скачок и пары бомбы находятся в слое 8—12 м от места взрыва, пик давления до 17 000 МПа на расстоянии 10,5 м, плотность ~ в 4 раза больше плотности воздуха, скорость ~100 км/с. Область горячего воздуха: давление на границе 2.500 МПа, внутри области до 5000 МПа, скорость частиц до 16 км/с. Вещество паров бомбы начинает отставать от внутр. скачка по мере того, как всё больше воздуха в нём вовлекается в движение. Плотные сгустки и струи сохраняют скорость.
Время: 0,000034c. Расстояние: 42м Температура: 1 млн.°C. Условия в эпицентре взрыва первой советской водородной бомбы (400кт на высоте 30 м), при котором образовалась воронка порядка 50 м диаметром и 8 м глубиной. В 15 м от эпицентра или в 5—6 м от основания башни с зарядом располагался железобетонный бункер со стенами толщиной 2 м. для размещения научной аппаратуры сверху укрытый большой насыпью земли толщиной 8 м разрушен.
Температура: 600тыс.°C.С этого момента характер ударной волны перестаёт зависеть от начальных условий ядерного взрыва и приближается к типовому для сильного взрыва в воздухе, т.е. такие параметры волны могли бы наблюдаться при взрыве большой массы обычной взрывчатки.
Время: 0,0036c. Расстояние: 60м Температура: 600тыс.°C. Внутренний скачок, пройдя всю изотермическую сферу, догоняет и сливается с внешним, повышая его плотность и образуя т. н. сильный скачок — единый фронт ударной волны. Плотность вещества в сфере падает до 1/3 атмосферной.
Время: 0,014c. Расстояние: 110м Температура: 400тыс.°C. Аналогичная ударная волна в эпицентре взрыва первой советской атомной бомбы мощностью 22 кт на высоте 30 м сгенерировала сейсмический сдвиг, разрушивший имитацию тоннелей метро с различными типами крепления на глубинах 10 и 20 м 30 м, животные в тоннелях на глубинах 10, 20 и 30 м погибли. На поверхности появилось малозаметное тарелкообразное углубление диаметром около 100 м. Сходные условия были в эпицентре взрыва "Тринити" 21 кт на высоте 30 м, образовалась воронка диаметром 80 м и глубиной 2 м.
Время: 0,004c. Расстояние: 135м
Температура: 300тыс.°C. Максимальная высота воздушного взрыва 1 Мт для образования заметной воронки в земле. Фронт ударной волны искривлён ударами сгустков паров бомбы:
Время: 0,007c. Расстояние: 190м
Температура: 200тыс.°C. На гладком и как бы блестящем фронте уд. волны образуются большие волдыри и яркие пятна (сфера как бы кипит). Плотность вещества в изотермической сфере диаметром ~150 м падает ниже 10 % атмосферной.
Немассивные предметы испаряются за несколько метров до прихода огн. сферы («Канатные трюки»); тело человека со стороны взрыва успеет обуглиться, а полностью испаряется уже с приходом ударной волны.
Время: 0,015c. Расстояние: 250м Температура: 170тыс.°C. Ударная волна сильно разрушает скальные породы. Скорость ударной волны выше скорости звука в металле: теоретический предел прочности входной двери в убежище; танк расплющивается и сгорает.
Время: 0,028c. Расстояние: 320м Температура: 110тыс.°C. Человек развеивается потоком плазмы (скорость ударной волны = скорости звука в костях, тело разрушается в пыль и сразу сгорает). Полное разрушение самых прочных наземных построек.
Время: 0,073c. Расстояние: 400м Температура: 80тыс.°C. Неровности на сфере пропадают. Плотность вещества падает в центре почти до 1%, а на краю изотерм. сферы диамером ~320 м до 2% атмосферной.На этом расстоянии в пределах 1,5 с нагрев до 30 000 °C и падение до 7000 °C, ~5 с удержание на уровне ~6.500 °C и снижение температуры за 10—20 с по мере ухода огненного шара вверх.
Время: 0,079c. Расстояние: 435м Температура: 110тыс.°C. Полное разрушение шоссейных дорог с асфальтовым и бетонным покрытием Температурный минимум излучения ударной волны, окончание 1-й фазы свечения. Убежище типа метро, облицованное чугунными тюбингами и монолитным железобетоном и заглублённое на 18 м, по расчёту способно выдержать без разрушения взрыв (40 кт) на высоте 30 м на минимальном расстоянии 150 м (давление ударной волны порядка 5 МПа), испытано 38 кт РДС-2 на расстоянии 235 м (давление ~1,5 МПа), получило незначительные деформации, повреждения. При температурах во фронте сжатия ниже 80тыс.°C новые молекулы NO2 больше не появляются, слой двуокиси азота постепенно исчезает и перестаёт экранировать внутреннее излучение. Ударная сфера постепенно становится прозрачной и через неё, как через затемнённое стекло, некоторое время видны клубы паров бомбы и изотермическая сфера; в целом огненная сфера похожа на фейерверк. Затем, по мере увеличения прозрачности, интенсивность излучения возрастает и детали как бы снова разгорающейся сферы становятся не видны. Процесс напоминает окончание эры рекомбинации и рождение света во Вселенной через несколько сотен тысяч лет после Большого взрыва.
Время: 0,1c. Расстояние: 530м Температура: 70тыс.°C. Отрыв и уход вперёд фронта ударной волны от границы огненной сферы, скорость роста её заметно снижается. Наступает 2-я фаза свечения, менее интенсивная, но на два порядка более длительная с выходом 99 % энергии излучения взрыва в основном в видимом и ИК спектре. На первых сотнях метров человек не успевает увидеть взрыв и погибает без мучений (время зрительной реакции человека 0,1 — 0,3 с, время реакции на ожог 0,15 — 0,2 с).
Время: 0,15c. Расстояние: 580м Температура: 65тыс.°C. Радиация ~100 000 Гр. От человека остаются обугленные осколки костей (скорость ударной волны порядка скорости звука в мягких тканях: по телу проходит разрушающий клетки и ткани гидродинамический удар).
Время: 0,25c. Расстояние: 630м Температура: 50тыс.°C. Проникающая радиация ~40 000 Гр. Человек превращается в обугленные обломки: ударная волна вызывает травматические ампутацииа подошедшая через долю сек. огненная сфера обугливает останки. Полное разрушение танка. Полное разрушение подземных кабельных линий, водопроводов, газопроводов, канализации, смотровых колодцев. Разрушение подземных ж/б труб диаметром 1,5м, с толщиной стенок 0,2м. Разрушение арочной бетонной плотины ГЭС. Сильное разрушение долговременных железобетонных фортсооружений. Незначительные повреждения подземных сооружений метро.
Время: 0,4c. Расстояние: 800м Температура: 40тыс.°C. Нагрев объектов до 3000 °C. Проникающая радиация ~20 000 Гр. Полное разрушение всех защитных сооружений гражданской обороны (убежищ) разрушение защитных устройств входов в метро. Разрушение гравитационной бетонной плотины ГЭС ДОТы становятся небоеспособны дистанции 250 м.
Время: 0,73c. Расстояние: 1200м Температура: 17тыс.°C. Радиация ~5000 Гр. При высоте взрыва 1200 м нагрев приземного воздуха в эпицентре перед приходом уд. волны до 900°C. Человек — 100 %-я гибель от действия ударной волны. Разрушение убежищ, рассчитанных на 200 кПа (тип А-III или класс 3). Полное разрушение железобетонных ДОТов сборного типа на дистанции 500 м по условиям наземного взрыва. Полное разрушение железнодорожных путей. Максимум яркости второй фазы свечения сферы к этому времени она выделила ~20 % световой энергии
Время: 1,4c. Расстояние: 1600м Температура: 12тыс.°C. Нагрев объектов до 200°C. Радиация 500 Гр. Многочисленные ожоги 3—4 степени до 60-90 % поверхности тела, тяжёлое лучевое поражение, сочетающиеся с другими травмами, летальность сразу или до 100 % в первые сутки. Танк отбрасывается ~ на 10 м и повреждается. Полное резрушение металлических и железобетонных мостов пролётом 30 — 50 м.
Время: 1,6c. Расстояние: 1750м Температура: 10тыс.°C. Радиация ок. 70 Гр. Экипаж танка погибает в течение 2-3 недель от крайне тяжёлой лучевой болезни. Полное разрушение бетонных, железобетонных монолитных (малоэтажных) и сейсмостойких зданий 0,2 МПа, убежищ встроенных и отдельностоящих, рассчитанных на 100 кПа (тип А-IV или класс 4), убежищ в подвальных помещениях многоэтажных зданий.
Время: 1,9c. Расстояние: 1900м Температура: 9тыс.°C Опасные поражения человека ударной волной и отброс до 300 м с начальной скоростью до 400 км/ч, из них 100—150 м (0,3—0,5 пути) свободный полёт, а остальное расстояние — многочисленные рикошеты о грунт. Радиация около 50 Гр — молниеносная форма лучевой болезни[, 100 % летальность в течение 6-9 суток. Разрушение встроенных убежищ, рассчитанных на 50 кПа. Сильное разрушение сейсмостойких зданий. Давление 0,12 МПа и выше — вся городская застройка плотная и разряжённая превращается в сплошные завалы (отдельные завалы сливаются в один сплошной), высота завалов может составлять 3—4 м. Огненная сфера в это время достигает максимальных размеров (D~2км), подминается снизу отражённой от земли ударной волной и начинает подъём; изотермическая сфера в ней схлопывается, образуя быстрый восходящий поток в эпицентре — будущую ножку гриба.
Время: 2,6c. Расстояние: 2200м Температура: 7,5тыс.°C. Тяжёлые поражения человека ударной волной. Радиация ~10 Гр — крайне тяжёлая острая лучевая болезнь, по сочетании травм 100 % летальность в пределах 1-2 недель. Безопасное нахождение в танке, в укреплённом подвале с усиленным ж/б перекрытием и в большинстве убежищ Г. О. Разрушение грузовых автомобилей. 0,1 МПа — расчётное давление ударной волны для проектирования конструкций и защитных устройств подземных сооружений линий мелкого заложения метрополитена.
Время: 3,8c. Расстояние: 2800м Температура: 7,5тыс.°C. Радиация 1 Гр — в мирных условиях и своевременном лечении неопасное лучевое поражение, но при сопутствующих катастрофе антисанитарии и тяжёлых физических и психологических нагрузках, отсутствии медицинской помощи, питания и нормального отдыха до половины пострадавщих погибают только от радиации и сопутствующих заболеваний, а по сумме повреждений (плюс травмы и ожоги) гораздо больше. Давление менее 0,1 МПа — городские районы с плотной застройкой превращаются в сплошные завалы. Полное разрушение подвалов без усиления конструкций 0,075 МПа. Среднее разрушение сейсмостойких зданий 0,08-0,12 МПа. Сильные повреждения железобетонных ДОТов сборного типа. Детонация пиротехнических средств.
Время: 6c. Расстояние: 3600м Температура: 4,5тыс.°C. Средние поражения человека ударной волной. Радиация ~0,05 Гр — доза неопасна. Люди и предметы оставляют «тени» на асфальте. Полное разрушение административных многоэтажных каркасных (офисных) зданий (0,05—0,06 МПа), укрытий простейшего типа; сильное и полное разрушение массивных промышленных сооружений. Практически вся городская застройка разрушена с образованием местных завалов (один дом — один завал). Полное разрушение легковых автомобилей, полное уничтожение леса. Электромагнитный импульс ~3 кВ/м поражает нечувствительные электроприборы. Разрушения аналогичны землетрясению10 бал. Сфера перешла в огненный купол, как пузырь всплывающий вверх, увлекая за собой столб из дыма и пыли с поверхности земли: растёт характерный взрывной гриб с начальной вертикальной скоростью до 500 км/час. Скорость ветра у поверхности к эпицентру ~100 км/ч.
Время: 10c. Расстояние: 6400м Температура: 2тыс.°C. Окончание эффективного времени второй фазы свечения, выделилось ~80 % суммарной энергии светового излучения. Оставшиеся 20 % неопасно высвечиваются в течение порядка минуты с непрерывным понижением интенсивности, постепенно теряясь в клубах облака. Разрушение укрытий простейшего типа (0,035—0,05 МПа). На первых километрах человек не услышит грохот взрыва из-за поражения слуха ударной волной. Отброс человека ударной волной ~20 м с начальной скоростью ~30 км/ч. Полное разрушение многоэтажных кирпичных домов, панельных домов, сильное разрушение складов, среднее разрушение каркасных административных зданий. Разрушения аналогичны землетрясению 8 баллов. Безопасно почти в любом подвале.
Свечение огненного купола перестаёт быть опасным, он превращается в огненное облако, с подъёмом растущее в объёме; раскалённые газы в облаке начинают вращаться в торообразном вихре; горячие продукты взрыва локализуются в верхней части облака. Поток запылённого воздуха в столбе движется в два раза быстрее подъёма «гриба», настигает облако, проходит сквозь, расходится и как бы наматывается на него, как на кольцеобразную катушку.
Время: 15c. Расстояние: 7500м . Лёгкие поражения человека ударной волной. Ожоги третьей степени открытых частей тела. Полное разрушение деревянных домов, сильное разрушение кирпичных многоэтажных домов 0,02—0,03МПа, среднее разрушение кирпичных складов, многоэтажных железобетонных, панельных домов; слабое разрушение административных зданий 0,02—0,03 МПа, массивных промышленных сооружений. Воспламенение автомобилей. Разрушения аналогичны землетрясению 6 бал., урагану 12 бал. до 39 м/с. «Гриб» вырос до 3 км над центром взрыва (истинная высота гриба больше на высоту взрыва боеголовки, примерно на 1,5 км), у него появляется «юбочка» из конденсата паров воды в потоке тёплого воздуха, веером затягиваемого облаком в холодные верхние слои атмосферы.
Время: 35c. Расстояние: 14км. Ожоги второй степени. Воспламеняется бумага, тёмный брезент. Зона сплошных пожаров, в районах плотной сгораемой застройки возможны огненный шторм, смерч (Хиросима, «Операция Гоморра»). Слабое разрушение панельных зданий. Вывод из строя авиатехники и ракет. Разрушения аналогичны землетрясению 4-5 баллов, шторму 9—11 балов V = 21 — 28,5м/с. «Гриб» вырос до ~5 км огненное облако светит всё слабее.
Время: 1мин. Расстояние: 22км. Ожоги первой степени — в пляжной одежде возможна гибель. Разрушение армированного остекления. Корчевание больших деревьев. Зона отдельных пожаров.«Гриб» поднялся до 7,5 км облако перестаёт излучать свет и теперь имеет красноватый оттенок из-за содержащихся в нём окислов азота, чем будет резко выделяться среди других облаков.
Время: 1,5мин. Расстояние: 35км
. Максимальный радиус поражения незащищённой чувствительной электроаппаратуры электромагнитным импульсом. Разбиты почти все обычные и часть армированных стёкол в окнах— актуально морозной зимой плюс возможность порезов летящими осколками. «Гриб» поднялся до 10 км, скорость подъёма ~220 км/час. Выше тропопаузы облако развивается преимущественно в ширину.
Время: 4мин. Расстояние: 85км. Вспышка похожа на большое неестественно яркое Солнце у горизонта, может вызвать ожог сетчатки глаз, прилив тепла к лицу. Подошедшая через 4 минуты ударная волна ещё может сбить с ног человека и разбить отдельные стёкла в окнах. «Гриб» поднялся свыше 16 км, скорость подъёма ~140 км/час
Время: 8мин. Расстояние: 145км. Вспышка не видна за горизонтом, зато видно сильное зарево и огненное облако. Общая высота «гриба» до 24 км, облако 9 км в высоту и 20—30 км в диаметре, своей широкой частью оно "опирается " на тропопаузу. Грибовидное облако выросло до максимальных размеров и наблюдается ешё порядка часа или более, пока не развеется ветрами и не перемешается с обычной облачностью. Из облака в течение 10—20 часов выпадают осадки с относительно крупными частицами, формируя ближний радиоактивный след.
Время: 5,5-13 часов Расстояние: 300-500км. Дальняя граница зоны умеренного заражения (зона А). Уровень радиации на внешней границе зоны 0,08 Гр/ч; суммарная доза излучения 0,4—4 Гр.
Время: ~10 месяцев. Эффективное время половинного оседания радиоактивных веществ для нижних слоёв тропической стратосферы (до 21 км), выпадение также идёт в основном в средних широтах в том же полушарии, где произведён взрыв.
Памятник первому испытанию атомной бомбы «Тринити». Этот памятник был воздвигнут на полигоне «Уайт Сэндс» в 1965 году, через 20 лет после проведения испытания «Тринити». Мемориальная доска памятника гласит: «На этом месте 16 июля 1945 года прошло первое в мире испытание атомной бомбы». Еще одна мемориальная доска, установленная ниже, свидетельствует о том, что это место получило статус национального исторического памятника. (Photo: Wikicommons)
В начале XX века благодаря усилиям Альберта Эйнштейна человечество впервые узнало о том, что на атомном уровне из небольшого количества вещества при определенных условиях можно получить огромное количество энергии. В 30-е годы работу в этом направлении продолжили немецкий физик-ядерщик Отто Хан, англичанин Роберт Фриш и француз Жолио-Кюри. Именно им удалось на практике отследить результаты деления ядер атомов радиоактивных химических элементов. Смоделированный в лабораториях процесс цепной реакции подтвердил теорию Эйнштейна о способности вещества в малых количествах выделять большое количество энергии. В таких условиях рождалась физика ядерного взрыва – наука, поставившая под сомнение возможность дальнейшего существования земной цивилизации.
Рождение ядерного оружия
Еще в 1939 году французу Жолио-Кюри стало понятно, что воздействие на ядра урана в определенных условиях может привести к взрывной реакции огромной мощности. В результате цепной ядерной реакции начинается спонтанное экспоненциальное деление ядер урана, происходит выделение энергии в огромном количестве. В одно мгновение радиоактивное вещество взрывалось, при этом образующийся взрыв обладал огромным поражающим эффектом. В результате опытов стало ясно, что уран (U235) можно превратить из химического элемента в мощную взрывчатку.
В мирных целях, при работе ядерного реактора, процесс ядерного деления радиоактивных компонентов носит спокойный и контролируемый характер. При ядерном взрыве основным отличием является то, что колоссальный объем энергии выделяется мгновенно и это продолжается до тех пор, пока не иссякнет запас радиоактивной взрывчатки. Впервые человек узнал о боевых возможностях новой взрывчатки 16 июля 1945 года. В то время, когда в Потсдаме проходила заключительная встреча Глав государств победителей войны с Германией, на полигоне в Аламогордо штата Нью-Мексико состоялось первое испытание атомного боевого заряда. Параметры первого ядерного взрыва были достаточно скромными. Мощность атомного заряда в тротиловом эквиваленте равнялась массе тринитротолуола в 21 килотонну, однако сила взрыва и его воздействие на окружающие объекты произвели на всех, кто наблюдал за испытаниями, неизгладимое впечатление.
Взрыв первой атомной бомбы
Сначала все увидели яркую светящуюся точку, которую было видно на расстоянии 290 км. от места проведения испытаний. При этом звук от взрыва был слышен в радиусе 160 км. На том месте, где было установлено ядерное взрывное устройство, образовался огромный кратер. Воронка от ядерного взрыва достигала глубины более 20 метров, имея внешний диаметр 70 м. На территории полигона в радиусе 300-400 метров от эпицентра поверхность земли представляла собой безжизненную лунную поверхность.
Интересно привести зафиксированные впечатления участников первого испытания атомной бомбы. «Окружающий воздух стал плотнее, мгновенно поднялась его температура. Буквально через минуту округой прокатилась огромной силы ударная волна. В точке нахождения заряда образуется огромный огненный шар, после чего на его месте стало формироваться облако ядерного взрыва грибовидной формы. Столб дыма и пыли, увенчанный массивной головой ядерного гриба, поднялся на высоту 12 км. Всех присутствующих в укрытие поражали масштабы взрыва. Никто не мог себе представить, с какой мощью и силой мы столкнулись», — писал в последствие руководитель Манхэттенского проекта Лесли Гровз.
Никто ни до, ни после не имел в своем распоряжении оружия такой огромной мощи. Это при том, что на тот момент ученые и военные еще не имели представление обо всех поражающих факторах нового оружия. Брались во внимание только видимые основные поражающие факторы ядерного взрыва, такие как:
- ударная волна ядерного взрыва;
- световое и тепловое излучение ядерного взрыва.
О том, что убийственными для всего живого является проникающая радиация и последующее радиоактивное заражение при ядерном взрыве, тогда еще не имели четкого представления. Оказалось, что именно эти два фактора после ядерного взрыва станут для человека впоследствии наиболее опасными. Зона полного разрушения и опустошение достаточно мала по площади в сравнении с зоной заражения местности продуктами радиационного распада. Зараженная территория может иметь площадь в сотни километров. К облучению, полученному в первые минуты после взрыва, и к уровню радиации впоследствии добавляется заражение обширных территорий радиационными осадками. Масштабы катастрофы становятся апокалиптическими.
Только потом, значительно позже, когда атомные бомбы были использованы в военных целях, стало ясно, насколько мощным является новое оружие и насколько тяжелыми для людей окажутся последствия применения ядерной бомбы.
Механизм атомного заряда и принцип действия
Если не вдаваться в подробные описания и технологию создания атомной бомбы, кратко описать ядерный заряд можно буквально тремя фразами:
- имеется докритическая масса радиоактивного вещества (уран U235 или плутоний Pu239);
- создание определенных условий для начала цепной реакции деления ядер радиоактивных элементов (детонация);
- создание критической массы делящегося вещества.
Весь механизм можно изобразить на простом и понятном рисунке, где все части и детали находятся в сильном и тесном взаимодействии друг с другом. В результате подрыва химического или электрического детонатора, запускается детонационная сферическая волна, сжимающая делящееся вещество до критической массы. Ядерный заряд представляет собой многослойную конструкцию. Уран или плутоний используется в качестве основной взрывчатки. Детонатором может служить определенное количество тротила или гексогена. Далее процесс сжатия приобретает неуправляемый характер.
Скорость протекающих процессов огромна и сравнима со скоростью света. Промежуток времени от начала детонации до запуска необратимой цепной реакции занимает не более 10-8 с. Другими словами, чтобы привести в действие 1 кг обогащенного урана, потребуется всего 10-7 секунд. Этой величиной обозначается время ядерного взрыва. С аналогичной скоростью протекает реакция термоядерного синтеза, лежащего в основе термоядерной бомбы с той разницей, что ядерный заряд приводит в действие еще более мощный — термоядерный заряд. Термоядерная бомба имеет другой принцип действия. Здесь мы имеем дело с реакцией синтеза легких элементов в более тяжелые, в результате которых опять же выделяется огромное количество энергии.
В процессе деления ядер урана или плутония возникает огромное количество энергии. В центре ядерного взрыва температура составляет 107 Кельвина. В таких условиях возникает колоссальное давление — 1000 атм. Атомы делящегося вещества превращаются в плазму, которая и становится главным результатом цепной реакции. Во время аварии на 4-м реакторе Чернобыльской АЭС ядерного взрыва не было, так как деление радиоактивного топлива осуществлялось медленно и сопровождалось только интенсивным выделением тепла.
Высокая скорость происходящих внутри заряда процессов приводит к стремительному скачку температуры и росту давления. Именно эти составляющие формируют характер, факторы и мощность ядерного взрыва.
Виды и типы ядерных взрывов
Запущенная цепная реакция уже не может быть остановлена. В тысячные доли секунды ядерный заряд, состоящий из радиоактивных элементов, превращается в сгусток плазмы, разрываемый высоким давлением на части. Начинается последовательная цепочка целого ряда других факторов, оказывающих поражающий эффект на окружающую среду, объекты инфраструктуры и живые организмы. Разница в наносимом ущербе заключается лишь в том, что маленькая ядерная бомба (10-30 килотонн) влечет за собой меньший масштаб разрушений и менее тяжелые последствия, чем приносит большой ядерный взрыв мощностью в 100 более мегатонн.
Поражающие факторы зависят не только от мощности заряда. Для оценки последствий важны условия подрыва ядерного боеприпаса, какой в данном случае наблюдается тип ядерного взрыва. Подрыв заряда может быть осуществлен на поверхности земли, под землей или под водой, соответственно с условиями применения имеем дело со следующими видами:
- воздушные ядерные взрывы, осуществляемые на определенных высотах над поверхностью земли;
- высотные взрывы, осуществляемые в атмосфере планеты, на высотах свыше 10 км;
- наземные (надводные) ядерные взрывы, осуществляемые непосредственно над поверхностью земли или над водной гладью;
- подземные или подводные взрывы, проводимые в поверхностной толще земной коры или под водой, на определенной глубине.
В каждом отдельном случае определенные поражающие факторы имеют свою силу, интенсивность и особенности действия, приводящие к определенным результатам. В одном случае происходит точечное уничтожение цели с минимальными разрушениями и радиоактивным заражением территории. В других случаях приходится иметь дело с масштабным опустошением местности и разрушением объектов, происходит мгновенное уничтожение всего живого, наблюдается сильное радиоактивное заражение обширных территорий.
Воздушный ядерный взрыв, к примеру, отличается от наземного способа подрыва тем, что огненный шар не соприкасается с поверхностью земли. При таком взрыве пыль и другие мелкие фрагменты соединяются в пылевой столб, существующий отдельно от облака взрыва. Соответственно от высоты подрыва зависит и площадь поражения. Такие взрывы могут быть высокими и низкими.
Первые испытания атомных боевых зарядов и в США и в СССР были преимущественно трех видов, наземными, воздушными и подводными. Только после того, как вступил в силу Договор об ограничении ядерных испытаний, ядерные взрывы в СССР, в США, во Франции, в Китае и в Великобритании стали осуществляться только под землей. Это позволило минимизировать загрязнение окружающей среды радиоактивными продуктами, уменьшить площадь зон отчуждения, которые возникали рядом с военными полигонами.
Самый мощный ядерный взрыв, осуществленный за всю историю ядерных испытаний, состоялся 30 октября 1961 года в Советском Союзе. Бомба, общим весом 26 тонн и мощностью 53 мегатонн, была сброшена в районе архипелага Новая Земля с борта стратегического бомбардировщика Ту-95. Это пример типичного высокого воздушного взрыва, так как подрыв заряда произошел на высоте 4 км.
Следует отметить, что подрыв ядерного боезаряда в воздухе отличается сильным воздействием светового излучения и проникающей радиацией. Вспышку ядерного взрыва хорошо видно за десятки и сотни километров от эпицентра. Помимо мощного светового излучения и сильной ударной волны, расходящейся вокруг на 3600, воздушный взрыв становится источником сильнейшего электромагнитного возмущения. Образуемый при воздушном ядерном взрыве электромагнитный импульс в радиусе 100-500 км. способен вывести из строя всю наземную электротехническую инфраструктуру и электронику.
Ярким примером низкого воздушного взрыва стала атомная бомбардировка в августе 1945 года японских городов Хиросимы и Нагасаки. Бомбы «Толстяк» и «Малыш» сработали на высоте полукилометра, тем самым накрыв ядерным взрывом практически всю территорию этих городов. Большинство жителей Хиросимы погибли в первые секунды после взрыва, в результате воздействия интенсивного светового, теплового и гамма-излучения. Ударная волна полностью разрушила городские постройки. В случае с бомбардировкой города Нагасаки эффект от взрыва был ослаблен особенностями рельефа. Холмистая местность позволила некоторым районам города избежать прямого действия световых лучей, снизила силу удара взрывной волны. Зато во время такого взрыва наблюдалось обширное радиоактивное заражение местности, повлекшее в дальнейшем тяжелые последствия для населения уничтоженного города.
Низкие и высокие воздушные взрывы — наиболее распространенное современное средство оружия массового уничтожения. Такие заряды применяются для уничтожения скопления войск и техники, городов и объектов наземной инфраструктуры.
Высотный ядерный взрыв отличается способом применения и характером действия. Подрыв ядерного боеприпаса осуществляется на высоте более 10 км, в стратосфере. При подобном взрыве высоко в небе наблюдается яркая солнцеобразная вспышка большого диаметра. Вместо облаков пыли и дыма, на месте взрыва вскоре образуется облако, состоящее из испарившихся под воздействием высоких температур молекул водорода, углекислого газа и азота.
В данном случае основным поражающими факторами являются ударная волна, световое излучение, проникающая радиация и ЭМИ ядерного взрыва. Чем выше высота подрыва заряда, тем меньше сила ударной волны. Радиация и световое излучение, наоборот, с ростом высоты только усиливаются. Ввиду отсутствия значительного перемещения воздушных масс на больших высотах, радиоактивное заражение территорий в данном случае практически сводится к нулю. Взрывы на больших высотах, сделанные в пределах ионосферы, нарушают распространение радиоволн в ультразвуковом диапазоне.
Такие взрывы, в основном направлены на уничтожение высоколетящих целей. Это могут быть разведывательные самолеты, крылатые ракеты, боеголовки стратегических ракет, искусственные спутники и другие космические средства нападения.
Наземный ядерный взрыв — это совершенно иное явление в военной тактике и стратегии. Здесь поражению подвергается непосредственно определенная область поверхности земли. Подрыв боезаряда может быть осуществлен над объектом или над водой. Первые испытания атомного оружия в США и в СССР происходили именно в таком виде.
Отличительная особенность этого вида ядерного взрыв — наличие ярко выраженного грибовидного облака, которое формируется за счет огромных объемов поднятых взрывом частиц грунта и породы. В самый первый момент на месте взрыва образуется светящаяся полусфера, нижним краем касающаяся поверхности земли. При контактном подрыве в эпицентре взрыва, где взорвался ядерный заряд, образуется воронка. Глубина и диаметр воронки зависит от мощности самого взрыва. При использовании небольших тактических боеприпасов диаметр воронки может достигать двух, трех десятков метров. При взрыве ядерной бомбы большой мощностью размеры кратера нередко достигают сотни метров.
Наличие мощного грязево-пылевого облака способствует тому, что основная масса радиоактивных продуктов взрыва обратно выпадает на поверхность, делая ее полностью зараженной. Более мелкие частицы пыли попадают в приземной слой атмосферы и вместе с воздушными массами разлетаются на обширные расстояния. Если на поверхности земли взорвать атомный заряд, радиоактивный след от произведенного наземного взрыва, может протянуться на сотни и тысячи километров. Во время аварии на Чернобыльской АЭС, радиоактивные частицы, попавшие в атмосферу, выпали вместе с осадками на территории Скандинавских стран, которые находятся в 1000 км от места катастрофы.
Наземные взрывы могут осуществляться для уничтожения и разрушения объектов большой прочности. Подобные взрывы могут быть использованы и в том случае, если преследуется цель создать обширную зону радиоактивного заражения местности. В данном случае действуют все пять поражающих факторов ядерного взрыва. Следом за термодинамическим ударом и световым излучением в дело вступает электромагнитный импульс. Довершает уничтожение объекта и живой силы в радиусе действия ударная волна и проникающая радиация. Напоследок остается радиоактивное заражение. В отличие от наземного способа подрыва, надводный ядерный взрыв поднимает в воздух огромные массы воды, как в жидком виде, так и в парообразном состоянии. Разрушительный эффект достигается за счет удара воздушной ударной волны и большим волнением, образующимся в результате взрыва. Поднятая в воздух вода препятствует распространению светового излучения и проникающей радиации. Ввиду того, что частицы воды намного тяжелее и являются естественным нейтрализатором активности элементов, интенсивность распространения радиоактивных частиц в воздушном пространстве незначительна.
Подземный взрыв ядерного боеприпаса осуществляется на определенной глубине. В отличие от наземных взрывов здесь отсутствует светящаяся область. Всю огромную силу удара берет на себя земная порода. Ударная волна расходится в толще земли, вызывая локальное землетрясение. Огромное давление, создаваемое в процессе взрыва, образует столб обрушения грунта, уходящий на большую глубину. В результате проседания породы на месте взрыва образуется воронка, размеры которой зависят от мощности заряда и глубины взрыва.
Такой взрыв не сопровождается грибовидным облаком. Столб пыли, поднявшийся в месте подрыва заряда, имеет высоту всего в несколько десятков метров. Ударная волна, преобразуемая в сейсмические волны, и местное поверхностное радиоактивное заражение являются главными поражающими факторами при проведении таких взрывов. Как правило, такой вид подрыва ядерного заряда имеет экономическое и прикладное значение. На сегодняшний день большинство ядерных испытаний осуществляется подземным способом. В 70-80 годы подобным образом решали народнохозяйственные задачи, используя колоссальную энергию ядерного взрыва для разрушения горных массивов и образования искусственных водоемов.
На карте ядерных полигонов в Семипалатинске (ныне Республика Казахстан) и в штате Невада (США) имеется огромное количество кратеров, следов проведения подземных ядерных испытаний.
Подводный подрыв ядерного заряда осуществляется на заданной глубине. В данном случае во время взрыва световая вспышка отсутствует. На поверхности воды в месте подрыва возникает водяной столб высотой 200-500 метров, который венчает облако брызг и пара. Образование ударной волны происходит сразу после взрыва, вызывая возмущения в толще воды. Основным поражающим фактором взрыва является ударная волна, трансформирующаяся в волны большой высоты. При взрыве зарядов большой мощности высота волн может достигать 100 и более метров. В дальнейшем на месте взрыва и на прилегающей территории наблюдается сильное радиоактивное заражение.
Способы защиты от поражающих факторов ядерного взрыва
В результате взрывной реакции ядерного заряда образуется огромное количество тепловой и световой энергии, способной не только разрушить и уничтожить неживые объекты, но убить все живое на значительной площади. В эпицентре взрыва и в непосредственной близости от него в результате интенсивного воздействия проникающей радиации, светового, теплового излучения и ударной волны погибает все живое, уничтожается военная техника, разрушаются здания и сооружения. С удалением от эпицентра взрыва и с течением времени сила поражающих факторов уменьшается, уступая место последнему губительному фактору — радиоактивному заражению.
Искать спасение тем, кто попал в эпицентр ядерного апокалипсиса, бесполезно. Здесь не спасет ни крепкое бомбоубежище, ни средства личной защиты. Травмы и ожоги, полученные человеком в таких ситуациях, несовместимы с жизнью. Разрушения объектов инфраструктуры носят тотальный характер и не подлежат восстановлению. В свою очередь тем, кто оказался на значительном расстоянии от места взрыва, можно рассчитывать на спасение, используя определенные навыки и специальные способы защиты.
Основной поражающий фактор при ядерном взрыве — это ударная волна. Образующаяся в эпицентре область высокого давления оказывает воздействие на воздушную массу, создавая ударную волну, которая распространяется во все стороны со сверхзвуковой скоростью.
Скорость распространения взрывной волны следующая:
- на ровной местности 1000 метров от эпицентра взрыва ударная волна преодолевает за 2 сек.;
- на расстоянии 2000 м. от эпицентра ударная волна вас настигнет через 5 секунд;
- находясь от взрыва на дистанции 3 км, ударную волну следует ожидать через 8 секунд.
После прохождения взрывной волны возникает область низкого давления. Стремясь заполнить разреженное пространство, воздух идет в обратном направлении. Создаваемый вакуумный эффект вызывает очередную волну разрушений. Увидев вспышку, до прихода взрывной волны можно попытаться найти укрытие, уменьшив последствия воздействия ударной волны.
Световое и тепловое излучение на большом расстоянии от эпицентра взрыва теряют свою силу, поэтому если человек сумел укрыться при виде вспышки, можно рассчитывать на спасение. Гораздо страшнее проникающая радиация, представляющая собой стремительный поток гамма лучей и нейтронов, которые распространяются со скоростью света из светящейся области взрыва. Самое мощное воздействие проникающей радиации происходит в первые секунды после взрыва. Находясь в убежище или в укрытии, высока вероятность избежать прямого попадания смертоносного гамма-излучения. Проникающая радиация наносит тяжелейшие поражения живым организмам, вызывая лучевую болезнь.
Если все предыдущие перечисленные поражающие факторы ядерного взрыва носят кратковременный характер, то радиоактивное заражение является самым коварным и опасным фактором. Его губительное действие на организм человека происходит постепенно, с течением времени. Величина остаточной радиации и интенсивность радиоактивного заражения зависит от мощности взрыва, условий местности и климатических факторов. Радиоактивные продукты взрыва, смешиваясь с пылью, мелкими фрагментами и осколками попадают в приземный воздушный слой, после чего вместе с осадками или самостоятельно выпадают на поверхность земли. Радиационный фон в зоне применения ядерного оружия в сотни раз превышает естественный радиационный фон, создавая угрозу всему живому. Находясь на территории, подвергнувшейся ядерному удару, следует избегать контакта с любыми предметами. Средства индивидуальной защиты и дозиметр позволят снизить вероятность радиоактивного заражения.
Ядерное оружие является самым разрушительным и абсолютным в мире. Начиная с 1945 года были произведены крупнейшие ядерные взрывы-испытания в истории, которые показали ужасающие последствия ядерного взрыва.
После первого ядерного испытания 15 июля 1945 года было зарегистрировано более 2051 других испытаний ядерного оружия по всему миру.
Ни одна другая сила не олицетворяет собой такое абсолютное разрушительное действие, как ядерное оружие. И этот вид оружия быстро становиться еще более мощным в течение десятилетий после первого испытания.
Испытание ядерной бомбы в 1945 году имело мощность 20 килотонн, то есть бомба имела взрывную силу 20000 тонн в тротиловом эквиваленте. В течение 20 лет США и СССР испытали ядерное оружие общей массой более 10 мегатонн, или 10 миллионов тонн в тротиловом эквиваленте. Для масштаба, это по крайней мере в 500 раз сильнее первой атомной бомбы. Для того, чтобы привести размер крупнейших ядерных взрывов в истории в масштабе, данные были выведены с использованием Nukemap Alex Wellerstein, приспособление для визуализации ужасающих последствий ядерного взрыва в реальном мире.
В приведенных картах, первое кольцо взрыва является огненным шаром, за которым следует радиус излучения. В розовом радиусе отображается почти все разрушения зданий и со смертельным исходом 100%. В сером радиусе, более сильные здания будут выдерживать взрыв. В оранжевом радиусе, люди пострадают от ожогов третьей степени, а горючие материалы будут загораться, что приведет к возможным огненных штормам.
Самые крупные ядерные взрывы
Советские тесты 158 и 168
25 августа и 19 сентября 1962 года, менее чем через месяц друг от друга, в СССР были проведены ядерные испытания над Новоземельским регионом России, на архипелаге на севере России вблизи Северного Ледовитого океана.
Никаких видео или фотозаписей испытаний не осталось, но оба испытания включали в себя использование 10-мегатонных атомных бомб. Эти взрывы сожгли бы все в пределах 1,77 квадратных миль в эпицентре, вызывая ожоги третьей степени потерпевших в площади 1090 квадратных миль.
Айви Майк
1 ноября 1952 года США было поведено испытание Айви Майк над Маршалловыми островами. Айви Майк - первая в мире водородная бомба и имела мощность 10,4 мегатонн, что в 700 раз сильнее первой атомной бомбы.
Взрыв Айви Майк был настолько мощным, что испарился остров Элугелаб где он был взорван, в результате чего на его месте образовался 164-футовый глубокий кратер.
Castle Romeo
Ромео был вторым ядерным взрывом из серии испытаний, которые проводились США в 1954 г. Все взрывы проводились на атолле Бикини. Ромео был третьим самым мощным испытанием серии и имел мощность около 11 мегатонн.
Romeo был первым протестированным на барже в открытых водах, а не на рифе, так как США быстро кончились острова, на которых можно было испытать ядерное оружие. Взрыв сожжет все в пределах 1,91 квадратных миль.
Советский Тест 123
23 октября 1961 г. Советский Союз провел ядерное испытание № 123 над Новой Землей. Тест 123 был мощностью 12,5 мегатонн ядерной бомбы. Бомба такого размера будет сжигать все в пределах 2,11 квадратных миль, вызывая ожоги третьей степени людям на площади 1309 квадратных миль. Это испытание также не оставило никаких записей.
Castle Yankee
Castle Yankee, второй по мощности из серии испытаний, был проведен 4 мая 1954 г. Бомба имела мощность 13,5 мегатонн. Четыре дня спустя, его радиоактивные осадки распада достигли Мехико, не расстояние около 7100 миль.
Castle Bravo
Castle Bravo был проведен 28 февраля 1954 года, был первым из серии Castle испытаний и крупнейшим ядерного взрыва в США всех времен.
Браво первоначально предполагали как 6-мегатонн взрыв. Вместо этого, бомба произвела 15-мегатонный взрыв. Его гриб достиг 114000 футов в воздухе.
Просчет американских военных имел последствия в размере облучении около 665 жителей Маршалловых островов и смертью от радиационного облучения японского рыбака, который был в 80 милях от места взрыва.
Советские тесты 173, 174 и 147
С 5 августа по 27 сентября 1962 г. СССР провел серию ядерных испытаний над Новой Землей. Тест 173, 174, 147 и все выделяются как на пятый, четвертый, и третий сильнейшие ядерные взрывы в истории.
Произведенные все три взрыва имели мощность 20 Мегатон, или около 1000 раз сильнее ядерной бомбы Тринити. Бомба этой силы снесет на своем пути все в пределах трех квадратных миль.
Тест 219, Советский Союз
24 декабря 1962 г. СССР провел испытание № 219, мощностью 24,2 мегатонн над Новой Землей. Бомба этой силы может сжечь все в пределах 3,58 квадратных миль, вызывая ожоги третьей степени в области до 2250 квадратных миль.
Царь-Бомба
30 октября 1961 года СССР взорвали наибольшее ядерное оружие когда-либо испытанное и создали самый большой рукотворный взрыв в истории. В результате взрыва, который в 3000 раз сильнее бомбы, сброшенной на Хиросиму.
Вспышка света от взрыва была видна на расстоянии 620 миль.
Царь-бомба, в конечном счете, имела мощность между 50 и 58 мегатонн, в два раза больше второго по величине ядерного взрыва.
Бомба такого размера будет создать огненный шар размером 6,4 квадратных миль и будет в состоянии нанести ожоги третьей степени в пределах 4080 квадратных миль от эпицентра бомбы.
Первая атомная бомба
Первый атомный взрыв был размером Бомбы-Царя, и до сих пор взрыв считается почти невообразимого размера.
В соответствии с данными NukeMap, это оружие с мощностью 20-килотонн производит огненный шар с радиусом 260 м, примерно 5 футбольных полей. По оценкам принесенного вреда, бомба понесет смертельное излучение площадью 7 миль в ширину, и будет производить ожоги третьей степени на расстоянии более чем 12 миль. При применении такой бомбы на нижнем Манхэттене, будет убито более 150 000 человек и действие радиоактивных осадков протянется до центрального Коннектикута, согласно расчетов NukeMap.
Первая атомная бомба была крошечной по меркам ядерного оружия. Но ее деструктивность все же очень велика для восприятия.
