Электромагнитный импульс ядерного взрыва

При взрыве ядерного заряда в результате ядерной реакции освобождается большое количество энергии. Наряду с другими явлениями при этом возникает импульс гамма-излучения, длящийся примерно 100 нс и уносящий около 0,1% общей энергии. Гамма-излучение в атмосфере вызывает электронный ток, сопровождающийся сильным электрическим полем. Это весьма кратковременное явление называют электромагнитным импульсом ядерного взрыва (ЭМИ ЯВ). Его влияние особенно сильно, если взрыв происходит за пределами атмосферы. При так называемом внеатмосферном ядерном взрыве на поверхности земли не проявляется ударная или тепловая волна, однако вблизи поверхности земли на расстоянии от нескольких сотен до тысячи километров от точки взрыва возникают сильные электромагнитные поля, имеющие малые времена нарастания.

Учитывая возможность возникновения локальных военных конфликтов с ограниченным применением ядерного оружия, Международная электротехническая комиссия (МЭК) разработала комплекс стандартов МЭК 61000 IEC, в котором определены параметры электромагнитных полей высотного ядерного взрыва, заданы требования к защите важных для обеспечения безопасности страны объектов (атомные электростанции, химические производства, средства связи и управления, электроэнергетические системы и т.д.), рассмотрены методы и средства защиты. Причем необходимо отметить, что параметры полей ЭМИ высотного ЯВ, заданные МЭК, уточняют параметры, задаваемые предыдущими источниками.

     В соответствии с данными стандартами высотные ЯВ обычного боеприпаса формируют ЭМИ трех типов:

1. Ранний ЭМИ ВЯВ – характеризуется амплитудой напряженности электрического поля, достигающей Е ₁ = 50 кВ/м, при длительности фронта импульса  = 2,5 нс и длительности до полуспада τ _0,5 = 23 нс;  

2. Промежуточный ЭМИ ВЯВ – характеризуется амплитудой Е ₂ от 10 до 100 В/м и временем действия от 0,1 микросекунды до 0,01 секунды;

3. Поздний ЭМИ ВЯВ – формируется благодаря магнитогидродинамическому эффекту (МГД ЭМИ) и генерирует горизонтальные электрические поля Е ₃ в грунте порядка десятков милливольт на метр и временем действия от 1 до 1000 секунд.

На рис. 2.21 в логарифмическом масштабе показана временная форма всех трех составляющих ЭМИ ВЯВ и полное электрическое поле, которое определяется как алгебраическая сумма всех трех составляющих ЭМИ (на рисунке – сплошная линия). При высотных ядерных взрывах максимальные уровни токов в металлопокровах кабелей наблюдаются при расположении кабельных линий (КЛ) к югу от эпицентра взрыва и углах падения волны на КЛ  градусов. В данной расчетной ситуации уровни токов могут достигать значений от 100 до 600 А. Амплитудно-временные параметры токов в жилах и напряжений между жилами и металлопокровами КЛ изменяются в широких пределах, причем их количественные значения в значительной степени определяются влиянием не только ранней, но и промежуточной составляющей ЭМИ высотного ЯВ.

 

Уровни наводок в цепи жила-металлопокровы кабельных линий зависят в первую очередь от конструктивных характеристик металлопокровов (типы защитных покровов, их проводимости, толщина, магнитная проницаемость, диаметр), а также от длины КЛ и проводимости грунта. Величины токов в жилах КЛ могут достигать 200 А, а величины напряжений между жилами и металлопокровами – 2 кВ. Их временные характеристики находятся в пределах: длительность фронта τ _ф – от единиц до нескольких десятков микросекунд, длительность до полуспада τ _0,5 – от десятков до нескольких сотен микросекунд. В кабельных линиях без сплошных металлопокровов наводимые напряжения имеют длительности фронтов в несколько наносекунд.

В воздушных линиях электропередачи импульсные напряжения наводятся в несколько сотен киловольт при очень больших скоростях нарастания. Вследствие гораздо большей скорости нарастания напряжения при воздействии ЭМИ высотного ядерного взрыва они не могут быть снижены обычными молниевыми разрядниками. В этом случае могут помочь лишь защитные мероприятия, заключающиеся в разработке специальных аппаратных средств защиты, основанных на различных физических принципах. Принципиальное значение при обеспечении стойкости приборов к ЭМИ ядерных взрывов имеет тщательное высокочастотное экранирование, осуществление передачи информационных сигналов оптическим путем, а в остальном необходимо позаботиться о концепции структурного ступенчатого снижения помех до допустимого уровня. Стоимость средств защиты от ЭМИ ядерного взрыва может достигать 5% общей стоимости системы.

Более подробно вопросы воздействия ЭМИ ЯВ на системы электроснабжения рассматриваются в специальном курсе.