Атомная бомба
В атомном котле из урана 238 образуется плутоний - 239. В плутонии, так же как и в уране 235, при определенных условиях может самопроизвольно развиваться цепная реакция.
Цепная ядерная реакция в уране 235 и плутонии может развиваться, если масса вещества будет не меньше критической.
Если масса вещества меньше критической, то значительная часть нейтронов вылетает за пределы куска и ядерная реакция не развивается. Взрывная реакция не произойдет, если заряд разделить на несколько частей, каждая из которых меньше критической. Стоит соединить эти части, как начнется цепная реакция, протекающая миллионные доли секунды, - произойдет атомный взрыв.
На этом принципе основано устройство атомных бомб, снарядов, ракет и других видов атомного оружия взрывного действия.
Взрывная реакция не произойдет, если заряд разделить на несколько частей, каждая из которых меньше критической. Стоит соединить эти части, как начнется цепная реакция, протекающая миллионные доли секунды, - произойдет атомный взрыв.
Термоядерная бомба
Более мощным источником внутриядерной энергии является реакция соединения ядер легких элементов, например, реакция соединения дейтерия и трития в гелий (термоядерная реакция). При получении 1 кг гелия выделится 110 миллиардов больших калорий, то есть в 6 раз больше, чем при делении 1 кг урана или плутония. Чтобы выработать такое количество энергии, Цимлянская ГЭС должна непрерывно работать целый месяц.
Как происходит термоядерная реакция?
Известно, что между ядрами действуют электрические силы отталкивания, которые препятствуют соединению ядер. Однако при скорости 20 тыс. км/с ядра могут сблизиться настолько, что под действием ядерных сил притяжения они соединятся в одно ядро. Это ядро неустойчиво, оно обладает избыточной энергией, которая выделяется в пространство в виде энергии движения альфа-частицы и нейтрона. Для практического использования энергии реакции соединения необходимо нагреть вещество до 10-20 млн. градусов. Такая температура существует только в недрах звезд и Солнца, где постоянно происходят термоядерные реакции. Этим и объясняется то, что Солнце непрерывно, в течение миллиардов лет, испускает огромное количество лучистой энергии. В земных условиях температуру, необходимую для протекания термоядерных реакций, можно получить при атомном взрыве.
Ядерное оружие, в отличие от обычного оружия, оказывает разрушающее действие за счет ядерной, а не механической или химической энергии. По разрушительной мощи только взрывной волны одна единица ядерного оружия может превосходить тысячи обычных бомб и артиллерийских снарядов. Кроме того, ядерный взрыв оказывает на все живое губительное тепловое и радиационное действие, причем иногда на больших площадях.
Испытания ядерного оружия впервые были проведены на Аламогордской базе ВВС, расположенной в пустынной части шт. Нью-Мексико. Плутониевое ядерное устройство, установленное на стальной башне, было успешно взорвано 16 июля 1945. Энергия взрыва приблизительно соответствовала 20 кт тротила. При взрыве образовалось грибовидное облако, башня обратилась в пар, а характерный для пустыни грунт под ней расплавился, превратившись в сильно радиоактивное стеклообразное вещество. (Через 16 лет после взрыва уровень радиоактивности в этом месте все еще был выше нормы). Информация об удачном опытном взрыве сохранялась в тайне от общественности, но была передана президенту Г.Трумэну, который в то время находился в Потсдаме на переговорах о послевоенном устройстве Германии. Проинформированы были также У.Черчилль и И.Сталин.
В это время велась подготовка к вторжению войск союзников в Японию. Чтобы обойтись без вторжения и избежать связанных с ним потерь - сотен тысяч жизней военнослужащих союзных войск, - 26 июля 1945 президент Трумэн из Потсдама предъявил ультиматум Японии: либо безоговорочная капитуляция, либо «быстрое и полное уничтожение». Японское правительство не ответило на ультиматум, и президент отдал приказ сбросить атомные бомбы.
6 августа самолет В-29 «Энола-Гэй», поднявшийся в воздух с базы на Марианских островах, сбросил на Хиросиму бомбу из урана-235 мощностью ок. 20 кт. Большой город состоял в основном из легких деревянных построек, но в нем было много и железобетонных зданий. Бомба, взорвавшаяся на высоте 560 м, опустошила зону площадью ок. 10 кв. км. Были разрушены практически все деревянные строения и многие даже самые прочные дома. Пожары нанесли городу непоправимый ущерб. Было убито и ранено 140. Японское правительство и после этого не сделало недвусмысленного заявления о капитуляции, и поэтому 9 августа была сброшена вторая бомба - на этот раз на Нагасаки. Людские потери, хотя и не такие, как в Хиросиме, были тем не менее огромны. Вторая бомба убедила японцев в невозможности сопротивления, и император Хирохито предпринял шаги в направлении капитуляции Японии.
В октябре 1945 президент Трумэн законодательным порядком передал ядерные исследования под гражданский контроль. Законопроектом, принятым в августе 1946, был учреждена комиссия по атомной энергии из пяти членов, назначаемых президентом США
Эта комиссия прекратила свою деятельность 11 октября 1974, когда президент Дж.Форд создал комиссию по ядерной регламентации и управление по энергетическим исследованиям и разработкам, причем на последнее возлагалась ответственность за дальнейшие разработки ядерного оружия. В 1977 было создано министерство энергетики США, которое должно было контролировать научные исследования и разработки в области ядерного оружия.
В 1956 было создано Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ). В 1970, когда был заключен договор о нераспространении ядерного оружия, МАГАТЭ взяло на себя дополнительную, важную функцию - контролировать выполнение названного договора его участниками, не входящими в число ядерных держав. Примерно треть ресурсов МАГАТЭ идет на деятельность, связанную с таким контролем, а другие две трети - на помощь и кооперацию в разработках и обеспечении безопасности энергетики, а также на другие мирные ядерные программы.
В 1958 было создано Европейское сообщество по атомной энергии (Евратом), тоже для контроля за применением ядерной энергии в мирных целях. Первоначально его членами были Франция, Италия, Нидерланды, Люксембург и ФРГ. В 1973 в него вошли также Великобритания, Ирландия и Дания, в 1981 - Греция, в 1986 - Испания и Португалия и в 1995 - Австрия, Швеция и Финляндия.
Ударная волна
Ударная волна образуется вследствие резкого и исключительно сильного повышения давления в зоне ядерной реакции. Она представляет собой быстро распространяющуюся о центра взрыва область сильного сжатия воздуха. Передняя граница волны называется ее фронтом.
При воздушном взрыве волна, встречаясь с поверхностью земли, отражается от нее. На расстоянии от эпицентра, равном примерно высоте взрыва, падающая и отраженная волны сливаются, образуя головную ударную волну с почти вертикальным фронтом. Давление во фронте головной ударной волны выше, чем во фронте падающей или отраженной волны.
Высота фронта головной ударной волны увеличивается по мере распространения волны от эпицентра взрыва.
Сила ударной волны характеризуется создаваемым ею избыточным давлением, т.е. превышением нормального атмосферного давления. При этом пустотелые структуры легче разрушаются, нежели сплошные или армированные. Приземистые и подземные сооружения в меньшей мере подвержены разрушительному действию ударной волны, чем высокие здания.
Тело человека обладает удивительной стойкостью к ударной волне. Поэтому прямое воздействие избыточного давления ударной волны не приводит к значительным людским лагерям. Большей частью люди гибнут под обломками обрушивающихся зданий и получают травмы от быстро движущихся предметов. В табл. 1 представлен ряд различных объектов с указанием избыточного давления, вызывающего серьезные повреждения, и радиуса зоны, в которой наблюдается серьезное повреждение при взрывах мощностью 5, 10 и 20 кт тротилового эквивалента.
Радиоактивные излучения
Заражение местности в районе эпицентра при воздушном взрыве обуславливается в основном радиоактивностью, возникающей в почве в результате воздействия нейтронов.
В отличие от воздушного взрыва подземный взрыв характеризуется сильным заражением местности. При наземном взрыве образуется облако, поднимаясь вверх увлекает за собой не только продукты деления ядер урана и плутония, но и часть радиоактивных веществ, образовавшихся в почве.
Радиоактивные вещества, примешиваясь в облаке с частицами грунта, оседают на них и поэтому более быстро и в значительно большем количестве, чем при воздушном взрыве, выпадают на поверхность земли в районе взрыва и по пути движения облака.
В районе наземного атомного взрыва зараженность обуславливается также смешиванием радиоактивных веществ со шлаком в момент, когда светящаяся область касается поверхности земли.
В результате распада радиоактивных веществ, степень заражения местности резко уменьшается со временем.
Местность, зараженная радиоактивными веществами, внешне ничем не отличается от незараженной. Своевременно установить наличие радиоактивного заражения и определить степень по опасности возможно только с помощью дозиметрических приборов.
Виды поражающего действия радиации. Радиация разрушает ткани тела. Поглощенная доза излучения - это энергетическая величина, измеряемая в радах (1 рад = 0,01 Дж/кг) для всех видов проникающего излучения. Разные виды излучения оказывают разное действие на организм человека. Поэтому экспозиционная доза рентгеновского и гамма-излучения измеряется в рентгенах (1P = 2,58 · 10-4 Кл/кг). Вред нанесенный человеческой ткани поглощением радиации, оценивается в единицах эквивалентной дозы излучения - бэрах (бэр - биологический эквивалент рентгена). Чтобы вычислить дозу в рентгенах, необходимо дозу в радах умножить на т.н. относительную биологическую эффективность рассматриваемого вида проникающей радиации.
Все люди на протяжении своей жизни поглощают некоторое природное (фоновое) проникающее излучение, а многие - искусственное, например рентгеновское. Человеческий организм, по-видимому, справляется с таким уровнем облучения. Вредные же последствия наблюдаются тогда, когда- либо полная накопленная доза слишком велика, либо облучение произошло за короткое время. (Правда, доза, полученная в результате равномерного облучения на протяжении более длительного времени, тоже может приводить к тяжелым последствиям.)
Как правило, полученная доза облучения не приводит к немедленному поражению. Даже летальные дозы могут в течение часа и более никак не сказываться.
Проникающая радиация
Проникающая радиация – это невидимое излучение, состоящее из потока гамма-лучей и нейтронов, испускаемых в момент атомного взрыва. Основным источником проникающей радиации являются осколки деления вещества заряда.
Распространение проникающей радиации сопровождается ионизацией атомов и молекул среды. Ионизация молекул живых тканей может привести к заболеванию лучевой болезнью. Степень поражения организма зависит от дозы радиации, измеряемой в рентгенах. Современные способы лечения могут обеспечить выздоровление даже при тяжелой степени лучевой болезни.
При взрыве бомбы малого калибра опасное воздействие радиации наблюдается в зоне радиусом несколько сотен метров. При этом основное поражающее действие наносится гамма-излучением, доза которого в любой точке зоны воздействия проникающей радиации превышает дозу нейтронов.
Доза проникающей радиации с увеличением расстояния резко уменьшается. Проходя через любую среду, в том числе и воздух, проникающая радиация ослабляется.
На боевую технику проникающая радиация вредного влияния не оказывает, но может временно сделать ее непригодной для использования вследствие наведенной активности.
Проникающая ядерная радиация действует почти исключительно на людей и другие живые организмы. Возникают два вида проникающей радиации: начальная и остаточная. Начальная радиация, состоящая в основном из гамма-излучения и нейтронов, испускается самим взрывом в течение примерно 60 с. Она действует в пределах прямой видимости. Ее поражающее действие можно уменьшить, если, заметив первую взрывную вспышку, сразу спрятаться в укрытие. Начальная радиация обладает значительной проникающей способностью, так что для защиты от нее требуется толстый лист металла или толстый слой грунта. Стальной лист толщиной 40 мм пропускает половину падающей на него радиации. Как поглотитель радиации сталь в 4 раза эффективнее бетона, в 5 раз - земли, в 8 раз - воды, и в 16 раз - дерева. Но она в 3 раза менее эффективна, чем свинец.
Остаточная радиация испускается длительное время. Она может быть связана с наведенной радиоактивностью и с радиоактивными осадками. В результате действия нейтронной составляющей начальной радиации на грунт вблизи эпицентра взрыва грунт становится радиоактивным. При взрывах на поверхности земли и на небольшой высоте наведенная радиоактивность особенно велика и может сохраняться длительное время.
«Радиоактивными осадками» называется загрязнение частицами, выпадающими из радиоактивного облака. Это частицы делящегося материала самой бомбы, а также материала, затянутого в атомное облако с земли и ставшего радиоактивным в результате облучения нейтронами, высвобождающимися в ходе ядерной реакции. Такие частицы постепенно оседают, что приводит к радиоактивному загрязнению поверхностей. Более тяжелые из них быстро оседают неподалеку от места взрыва. Более легкие радиоактивные частицы, уносимые ветром, могут оседать на расстоянии многих километров, заражая большие площади на протяжении длительного времени.
Прямые людские потери от радиоактивных осадков могут быть значительны вблизи эпицентра взрыва. Но с увеличением расстояния от эпицентра интенсивность радиации быстро уменьшается.
Послевоенные разработки оружия и их испытания
После 1945 дальнейшее развитие в области ядерного оружия шло в двух основных направлениях: усовершенствование оружия, созданного в период Второй мировой войны, и создание термоядерного оружия.
Бомба, взорванная над Хиросимой, была изготовлена из урата-235, а по конструкции относилась к т.н. орудийному типу. В бомбах такого типа делящийся материал состоит из двух частей, расположенных в противоположных концах орудийного ствола. Масса каждой из этих двух половин - докритическая. Одна из них называется мишенью, другая - снарядом. Чтобы бомба взорвалась, производится детонация неядерного взрывного заряда, в результате чего снаряд выстреливается в мишень. Образуется критическая масса, что приводит к ядерному взрыву.
В бомбе имплозионной конструкции, сброшенной на Нагасаки, требуется меньше делящегося материала для заданной мощности взрыва, она меньше по размерам; мощность оружия можно изменять соответственно типу носителя. В результате параллельных разработок были созданы ядерные артиллерийские снаряды.
Водородная бомба. Поскольку масса каждого заряда урана или плутония в бомбе, основанной на делении ядер, должна быть докритической, мощность атомной бомбы можно наращивать, только увеличивая число зарядов. Таким образом, с повышением мощности бомбы она быстро растет в размерах и в конце концов становится нетранспортабельной. Поэтому исследователи, работавшие в области ядерного оружия, обратились к реакции термоядерного синтеза как возможному источнику энергии взрыва. Термоядерную («водородную») бомбу в принципе можно сделать любых размеров.
Соответствующие исследования в США вначале почти не получили поддержки, и до 1950 разработки и испытания практически не проводились. Лишь некоторые ученые, в частности Э. Теллер, продолжали заниматься этим вопросом и совершенствовали теорию, на которой могли основываться испытания.
Советский Союз взорвал свою первую атомную бомбу в 1949. Президент Трумэн 13 января 1951 распорядился ускорить разработку водородной бомбы. В ноябре 1952 в США было взорвано нетранспортабельное термоядерное устройство. Это был первый термоядерный взрыв, мощность его составила несколько мегатонн тротилового эквивалента. В 1953 о взрыве своей термоядерной бомбы объявило советское правительство.
Оружие повышенной радиации. Оружие повышенной радиации по проникающей радиации не уступает атомному (основанному на делении), которое оно призвано заменить, но выделяет значительно меньше тепла, создает более слабую ударную волну и меньше радиоактивных осадков. Такая «нейтронная бомба» (на самом деле не бомба, а артиллерийский снаряд), уничтожающая живую силу, представляет собой тактическое оружие, рассчитанное на применение против бронетехники на малых полях сражения. Нейтронная бомба была испытана в США, Франции, Советском Союзе и, вероятно, в КНР, но, по-видимому, не была принята на вооружение.
Ядерные испытания проводятся в целях общего исследования ядерных реакций, совершенствования оружейной техники, проверки новых средств доставки, а также надежности и безопасности методов хранения и обслуживания оружия. Одна из главных проблем при проведении испытаний связана с необходимостью обеспечения безопасности. При всей важности вопросов защиты от прямого воздействия ударной волны, нагрева и светового излучения первостепенное значение имеет все-таки проблема радиоактивных осадков. Пока что не создано «чистого» ядерного оружия, не приводящего к выпадению радиоактивных осадков.
Испытания ядерного оружия могут проводиться в космосе, в атмосфере, на воде или на суше, под землей или под водой. Если они проводятся над землей или над водой, то в атмосферу вносится облако мелкой радиоактивной пыли, которая затем широко рассеивается. При испытаниях в атмосфере образуется зона долго сохраняющейся остаточной радиоактивности. Соединенные Штаты, Великобритания и Советский Союз отказались от атмосферных испытаний, ратифицировав в 1963 договор о запрещении ядерных испытаний в трех средах. Франция последний раз провела атмосферное испытание в 1974. Самое последнее испытание в атмосфере было проведено в КНР в 1980. После этого все испытания проводились под землей, а Францией - под океанским дном.
Комментарии