Характеристика поражающих факторов ядерного оружия.

1.1. Поражающими факторами ядерного взрыва являются: световое излучение, ударная волна, проникающая радиация, радиоактивное заражение местности, электромагнитный импульс.

Развитие взрыва ядерного заряда начинается с цепной ядерной реакции деления. В ходе этой реакции из зоны взрыва в окружающую среду испускаются нейтроны и γ - излучение, называемые «мгновенными», поток которых составляет проникающую радиацию ядерного взрыва. Мгновенное γ - излучение, взаимодействуя с атомами окружающей среды, создает поток быстрых электронов, летящих с большой скоростью преимущественно в радиальном направлении от центра взрыва, и положительных ионов, остающихся практически на месте. Таким образом, в пространстве на некоторое время происходит разделение положительных и отрицательных зарядов, что приводит к возникновению электрических и магнитных полей. Эти поля ввиду их кратковременности принято называть электромагнитным импульсом ядерного взрыва. В зоне ядерной реакции впоследствии превращения кинетической энергии осколков деления в тепловую в течение малого промежутка времени (миллионные доли секунды) температура возрастает до десятков миллионов градусов, а давление достигает десятков миллионов атмосфер. В таких условиях вещество боеприпаса превращается в высокотемпературный ионизированный газ-плазму, испускающий интенсивный поток электромагнитного излучения (рентгеновский участок спектра). Поглощаясь окружающим воздухом, рентгеновское излучение нагревает его, в результате чего возникает светящаяся область, являющаяся источником светового излучения ядерного взрыва. У поверхности светящейся области наблюдается очень резкий перепад температуры и давления. Вследствие резкого перепада давления светящаяся область начинает стремительно расширяться, сжимая окружающие слои воздуха. Сжатие передается от одного слоя воздуха к другому, образуя мощную ударную волну, которая распространяется на значительные расстояния от места взрыва. Температура светящейся области падает, и эта область превращается в облако взрыва, в котором содержаться радиоактивные вещества, образовавшиеся при делении ядерного топлива. Плотность области значительно меньше окружающего воздуха, поэтому оно быстро поднимается вверх. При подъеме облака создается мощный восходящий поток воздуха, который увлекает поднятую взрывом пыль, образуя пылевой столб. В начальный момент после взрыва вследствие высокой температуры в облаке, попавшей в него грунт расплавляется, частично испаряется и перемешивается с радиоактивными веществами. Высота и скорость подъема облака взрыва и его размеры зависят от мощности взрыва. Воздушными потоками облако взрыва переносится на большие расстояния, а содержащаяся в нем радиоактивная пыль, под действием силы тяжести, выпадает на поверхность земли, образуя радиоактивное заражение местности.

1.1.1. Световое излучение представляет собой поток ультрафиолетовых, инфракрасных и видимых лучей, на этот фактор используется 30% энергии взрыва. Источником светового излучения является огненный шар, состоящий из раскаленных продуктов взрыва и воздуха, нагретый до температуры 8000-10000⁰С.

Основным параметром, определяющим поражающую способность светового излучения, является световой импульс (U_с)– количество световой энергии, падающей на 1м² поверхности, перпендикулярной направлению световых лучей, за все время свечения. Световой импульс измеряется в джоулях на 1м² (Дж/м²) или в калориях на 1см² (кал/см²); 1 кал/см² = 42 кДж/м². Характер воздействия светового импульса зависит не только от времени его действия, а также от плотности, теплопроводности, цвета и толщины материала, на который он воздействует. Воздействие светового излучения на людей характеризуется причинением ожогов различной тяжести. При световом импульсе (80≤U_с≤160 кДж/м²) – возникают ожоги 1-й степени, ожоги 2-й степени при - 160≤U_с≤400 кДж/м², ожоги 3-й степени - 400≤U_с≤600 кДж/м², ожоги 4-й степени – U_с ≥ 600 кДж/м². Возгорание материалов происходит при U_с = 125 кДж/м² или более.

1.1.2. Ударная волна представляет собой область значительного сжатия среды (воздуха, грунта, воды), распределяющейся от центра взрыва во все стороны. При наземных и воздушных ядерных взрывах в воздухе возникают воздушные ударные волны, в грунте и воде – сейсмовзрывные волны. На ее образование расходуется около 50% энергии взрыва. Максимальное давление в сжатой области (оно может достигать в центре взрыва миллиардов Паскалей (Па)), наблюдается на ее передней границе, называемой фронтом ударной волны. Перед фронтом ударной волны давление в воздухе равно атмосферному. Разность между давлением во фронте ударной волны и атмосферным давлением называется избыточным давлением во фронте ударной волны (∆ Р_ф). Чем мощнее взрыв, тем больше скорость и радиус действия ударной волны. При взрыве боеприпаса мощностью 20 кт, ударная волна проходит первый километр за 3 с, а мощностью 1 Мт за 0,5 с. поражающее действие ударной волны определяется избыточным давлением (∆ Р_ф), скоростным напором (∆ Р_ск), и временем действия избыточного давления. Скоростной напор – это динамическая нагрузка, создаваемая потоком воздуха, следующим за фронтом волны (может достигать 100 м/с и более). Поражение ударной волной возникает в результате действия избыточного давления, которое воспринимается как резкий удар, и скоростного напора, который обладает метательным действием и может отбросить различные предметы на значительные расстояния.

При избыточном давлении 20-40 кПа у незащищенных людей наступают легкие поражения. Проявление: звон в ушах, головокружение, головная боль.

При избыточном давлении 40 – 60 кПа – поражения средней тяжести. Проявление: вывихи конечностей, контузии, кровотечение из носа, ушей.

При избыточном давлении 60 – 100 кПа – поражения тяжелые. Проявление: потеря сознания, возможные повреждения внутренних органов.

Крайне тяжелые травмы возникают при избыточном давлении более 100 кПа, обычно приводящие к смертельному исходу.

Общую оценку разрушений, вызванных ударной волной, производят с учетом степени разрушений зданий и сооружений.

В зоне слабых разрушений разрушаются окна и двери, легкие перегородки, частично кровля, появляются трещины в стенах верхних этажей.

В зоне средних разрушений разрушается кровля, происходит обрушение отдельных участков этажей.

В зоне сильных разрушений разрушаются несущие конструкции зданий, перекрытия верхних этажей, части стен разрушаются.

1.1.3. Проникающая радиации представляет собой поток γ - лучей и нейтронов, испускаемых в окружающую среду при ядерном взрыве. На ее образование расходуется 5% энергии взрыва (кроме нейтронных боеприпасов). Гамма-излучение является потоком квантов коротковолнового электронного излучения, подобного рентгеновским лучам. Гамма-излучение распространяется со скоростью света, взаимодействуя с веществом, вызывает в нем появление свободных вторичных электронов и позитронов, которые и производят ионизацию среды.

Проходя через биологическую ткань, γ - квант и нейтрон ионизируют атомы и молекулы, входящие в состав живых клеток, в результате чего нарушается нормальный обмен веществ и изменяется характер жизнедеятельности клеток, некоторых органов и систем организма, что приводит к возникновению специфического заболевания – лучевой болезни.

Для количественной характеристики ионизирующей способности радиоактивного излучения в действующих ранее нормах безопасности использовалось понятие «экспозиционная доза». Экспозиционная доза измеряется внесистемной единицей – рентгеном (Р). Рентген – количество γ - излучения, которое при t = 0⁰ С и давление 760 мм. рт. ст. создает в 1см³ сухого воздуха 2.08 млрд. пар ионов. (табл. № 1) Один грамм воздуха поглощает 84 эрг энергии, а один грамм биологической ткани – 93 эрг. На практике часто применяют более мелкие единицы: миллирентген (мР) и микрорентген (мкР), 1 мР = 10^-3Р, 1 мкР = -10^-6 Р. В системе СИ доза измеряется в кулонах (Кл) на килограмм. 1Р = 2,58 · 10^-4 Кл/кг. Экспозиционная доза характеризует взаимодействие фотонного излучения с воздухом и определяется как отношение суммарного заряда всех ионов одного знака, возникающих в элементарном объеме воздуха, к массе воздуха в этом объеме

В последней редакции норм безопасности это понятие не применяется, соответственно не применяются и единицы его выражения.

В новых нормах для характеристики этого показателя используют понятие «поглощенная доза», т.е. величина энергии излучения, переданная единице массы облучаемого вещества. Поглощенная доза облучения определяется как отношение энергии, переданной веществу ионизирующим излучением в бесконечно малом элементарном объеме, к массе вещества в этом объеме. Поглощенная доза характеризует передачу энергии излучения в точке объекта (например, на заданной глубине внутри объекта). Единицей измерения поглощенной дозы в системе СИ является Грей (Гр), внесистемной является 1 рад = 0,01 Дж/г = 100эрг/г = 1 Дж/кг = 100 рад; 1Р = 0,93 рад. = 0,93 Установлено, что биологическое действие одинаковых поглощенных доз разного вида излучений (α, β, γ и др.) на организм неодинаково.

Эффект лучевого воздействия на организм зависит не только от поглощенной дозы и ее фракционирования во времени, но и в значительной степени от удельной ионизации данного вида излучения. Чем выше удельная ионизация, тем больше биологическое действие такого излучения, тем больше взвешивающий коэффициент данного вида излучения. Взвешивающий коэффициент показывает, во сколько раз биологическое действие данного вида излучения больше, чем β-, γ- или рентгеновского излучения, при одинаковой поглощенной дозе.

Взвешивающие коэффициенты для тканей и органов

при расчете эффективной дозы:

Гонады	0,20
Костный мозг (красный)	0,12
Толстый кишечник (прямая, сигмовидная и нисходящая кишки)	0,12
Легкие	0,12
Желудок	0,12
Мочевой пузырь	0,05
Грудная железа	0,05
Печень	0,05
Пищевод	0,05
Щитовидная железа	0,05
Кожа	0,01
Клетки костных поверхностей	0,01
Остальные (надпочечники, головной мозг, слепая восходящая и поперечно-ободочная кишки, тонкий кишечник, почки, мышечная ткань, поджелудочная железа, селезенка, вилочковая железа, матка)	0,05

Процесс ионизации атомов вещества нейтронами отличен от процесса ионизации γ-излучением. Для характеристики потока нейтронов используется биологический эквивалент рентгена (Бэр) – такая доза нейтронов, биологическое воздействие которого эквивалентно воздействию 1 рентгена γ - излучения. Известно, что поглощенные дозы излучений различных типов вызывают неодинаковый биологический эффект. Он определяется коэффициентом относительной биологической эффективности (Кбэ), который представляет собой отношение поглощенной дозы рентгеновского излучения к поглощенной дозе другого типа излучения вызывающий, такой же биологический эффект. Доза рентгеновского излучения определяется при напряжении генерирования 180-250 кВ. установлено, что Кбэ равна 1 для рентгеновского, γ, и β-излучения, Кбэ = 10 для нейтронов; Кб.э = 20 для α-частиц. Для решения практических задач радиационной безопасности принят коэффициент качества (К_к) учитывающийся в эквивалентной дозе (D_э): D_э= D_ΣК_к, где D_Σ - суммарная поглощенная доза.

Для выработки общей основы, позволяющей сравнивать все виды ионизирующих излучений в отношении возможного возникновения вредных эффектов от облучения, вводится понятие «эквивалентная доза».

Эквивалентная доза равна произведению поглощенной дозы на взвешивающий коэффициент для данного вида излучения, равный, например, 1 – для рентгеновского, γ- и β-излучений, 20 – для α-излучения, т.е. при одной и той же поглощенной дозе биологическое действие α-излучения будет в 20 раз больше, чем рентгеновского, γ- и β-излучений.

Доза эквивалентная, или эффективная – это доза, ожидаемая при внутреннем облучении, за время с момента поступления радиоактивных веществ в организм. Если это время не определено, то его следует принять равным 50 годам для взрослых и 7 – для детей.

Доза эффективная или эквивалентная годовая – сумма эффективной или эквивалентной дозы внешнего облучения, полученной за календарный год, и ожидаемой эффективной или эквивалентной дозы внутреннего облучения, обусловленной поступлением в организм радионуклидов за этот же год.

Эффективная доза (Е) – мера риска возникновения отдаленных последствий облучения всего тела человека и отдельных его органов и тканей с учетом их радиочувствительности, равна сумме произведений эквивалентной дозы в органах и тканях на соответствующие взвешивающие коэффициенты.

Единица эффективной дозы – зиверт (Зв).

Взвешивающие коэффициенты для тканей и органов при расчете эффективной дозы используются для учета различной чувствительности разных органов и тканей в возникновении стохастических (вероятностных) эффектов радиации (генетические заболевания, злокачественные новообразования, лейкозы).

В основу различной радиочувствительности органов и тканей положен закон радиочувствительности Бергонье-Трибондо, по которому наиболее чувствительными к ионизирующему излучению являются наименее дифференцированные ткани, клетки которых интенсивно размножаются.

При воздействии на организм человека ионизирующая радиация может вызвать эффекты двух видов:

детерминированные пороговые эффекты (лучевая болезнь, лучевой дерматит, лучевая катаракта, лучевое бесплодие, аномалии развития плода и др.);

стохастические (вероятностные) беспороговые эффекты (злокачественные опухоли, лейкозы, наследственные болезни).

В проявлении ранних детерминированных эффектов характерна четкая зависимость от дозы облучения радиационных повреждений разной степени тяжести – от скрытых, т.е. незначительных, без клинических проявлений, до смертельных.

Так, клинически значимое подавление кроветворения при остром облучении наблюдается с порогом 0,15 Гр поглощенной дозы во всем красном костном мозге. Пороговая доза для лучевой катаракты 0,15 Гр\год. Радиационные поражения кожи легкой, средней и тяжелой степени тяжести развиваются при местном облучении соответственно в дозах 8-10, 10-20, более 30 Гр. Пороговая доза вызывающая острую лучевую болезнь равна 1 Гр. При дозах 3-5 Гр. в результате повреждения стволовых клеток костного мозга 50% облученных могут погибнуть (без лечения) в течение 60 суток. При дозах более 15 Гр летальный исход у всех облученных наступает в течение 5 суток.

Согласно Закона РБ «О радиационной безопасности населения» радиационная безопасность населения – это состояние защищенности настоящего и будущего поколения людей от вредного воздействия ионизирующего излучения (статья 1) устанавливаются следующие основные гигиенические нормативы (допустимые пределы доз) облучения на территории РБ в результате воздействия источников ионизирующего излучения:

- для населения средняя годовая эффективная доза равна 0,001 Зиверта или эффективная доза за период жизни (70 лет) – 0,07 Зиверта;

- для работников средняя годовая эффективная доза равна 0,02 Зиверта или эффективная доза за период трудовой деятельности (50 лет) – 1 Зиверту.

При облучении человека однократно (до 4 суток), в зависимости от полученной дозы, различают четыре степени лучевой болезни: первая степень – легкая (при дозе 100-200 рад, 1-2 Гр.); вторая степень – средняя (200-400 рад, 2-4 Гр.); третья степень – тяжелая (400-6—рад, 4-6 Гр.); четвертая степень – крайне тяжелая (более 600 рад, 6 Гр.).

 

Физические величины и единицы их измерения, принятые для оценки воздействия на человека поражающих факторов ядерного взрыва

 

Наименование	Единицы измерения физических величин	Соотношение между вне-системными единицами и единицами системы СИ
поражающего фактора	физической величины	в системе СИ	внесистемные
Ионизирующее излучение: а) гамма-излуче-ние без взаимодей-ствия его с телом че-ловека     б) гамма-нейтрон-ное или гамма-излу-чение при взаимодействии их с телом человека   Радиоактивные продукты ядерного взрыва	Экспозиционная доза   Мощность экспозиционной дозы     Поглощенная доза (тканевая) Мощность поглощенной дозы (тканевой)   Активность (в радиоактивном источнике)   Концентрация (в среде)     Удельная активность	Кулон на килограмм   Кулон на ки лограмм в се-кунду (Кл/(кг ^. с))   Грей (Гр)   Грей в секунду (Гр/с)   Беккерель (Бк)     Отсутствует   Беккерель на килограмм (Бк/кг)	Рентген (Р)     Рентген в час (Р/час)   Рад (рад)   Рад в час (рад/час)     Кюри (Ки)   Кюри на килограмм (Ки/кг), кюри на литр (Ки/л)   Отсутствует	1 Р = 2,58 ^. 10^-4 Кл/кг     1 Р/час = 7,17 ^. 10^-8Кл/(кг^.с)   1 рад = 0,01 Гр   1 рад/час = 2,77 ^. 10^-6 Гр/с     1 Ки = 3,7 ^. 10^10 Бк   1 Ки/кг = 3,7 ^. 10^10 Бк/кг     1 Ки/л = 3,7 ^. 10^13 Бк/м^3
Световое излучение   Воздушная ударная волна     Сейсмовзрывные волны	Объемная активность     Плотность загрязнения   Плотность энергии   Избыточное давление во фронте   Максимальная скорость опорной поверхности   Максимальное	Беккерель на кубический метр (Бк/м^3)   Беккерель на квадратный метр (Бк/м^2)     Джоуль на квадратный метр (Дж/м^2)     Паскаль (Па)   Метр на секунду (м/с)   Метр на секунду в квад-рате (м/с^2)	Отсутствует   Кюри на квадратный сантиметр (Ки/см^2)   Калория на квадратный сантиметр (кал/см^2)   Килограмм силы на квадратный сантиметр (кгс/см^2)   Метр на секунду (м/с)   Метр на секунду в квадрате (м/с^2)	^-     1 Ки/см^2 = 3 ^. 7 ^. 10^14 Бк/м^2   1 кал/см^2 = 4,19 ^. 10^4 Дж/м^2   1 кгс/см^2 = 10^5 Па   Единицы тождественны     Единицы тождественны

 

1.1.4. Радиоактивное заражение возникает в результате выпадения радиоактивных веществ (из облака ядерного взрыва) на него расходуется около 10% энергии взрыва. Источниками радиоактивного заражения при ядерных взрывах являются:

- продукты ядерного взрыва («осколочная» радиация);

- не разделившаяся (не участвовавшая в реакции деления) часть заряда;

- наведенная радиация, возникающая под воздействием нейтронов на элементы, входящие в состав грунта, материалов оболочки боеприпаса и т.д. Наведенная активность грунта вносит основной вклад в радиоактивное заражение местности. Радиоактивные продукты, поднимаясь с облаком взрыва, перемешиваются с частицами грунта и оседают на них, а затем постепенно выпадают, заражая местность в районе взрыва и по пути движения облака, образуя так называемый след облака. Большая часть радиоактивных осадков из облака взрыва выпадает в течение 10-20 часов, заражая воздух, земную поверхность, водные источники, материальные ценности и т.д.

Степень заражения местности оценивается уровнем радиации Р, измеряемым в рентгенах в час (уровень радиации – это мощность экспозиционной дозы на высоте 0,7 – 1 м над уровнем зараженной поверхности). Степень поражения личного состава на зараженной местности в результате внешнего облучения определяется величиной дозы радиации D, измеряемой в рентгенах, временем ее накопления и другими факторами (характером облучения, индивидуальными особенностями организма человека и т.д.).

Для характеристики зон радиоактивного заражения с учетом степени опасности пребывания в них личного состава пользуются дозами радиации от момента выпадения радиоактивных веществ до их полного распада D_∞. Местность считается зараженной при уровне радиации более или равной 5 Р/час (Р = ≥ 5 Р/час). Принято выделять на зараженной местности зоны радиоактивного заражения.

 

Р – 800 Р/ч Р – 240 Р/ч Р - 80 Р/ч Р – 8 Р/ч

Зона Г Зона В Зона Б Зона А

 

 

ВВ

Г В

 

D∞ 4000р

Зона М

D∞ 1200р

D∞ 400р

 

D∞ 40р

 

Внешняя граница зоны А (зона умеренного заражения – выхода из строя личного состава, находящегося в ней как правило не происходит) считается границей радиационной безопасности по внешнему облучению, так как за пределами этой зоны получаемая доза радиации не будут превышать допустимой дозы при многократном облучении, однако мерой защиты от попадания радиоактивных веществ внутрь организма должны приниматься в зависимости от условий расположения и характера боевых действий по данным радиационной разведки об уровнях радиации и о наличии пылеобразования. Зона Б - зона сильного заражения, до 50 % личного состава может выйти из строя при нахождении в этой зоне. Зона В – зона опасного заражения, до 100 % личного состава может выйти из строя при нахождении в зоне. Зона Г – чрезвычайно опасного заражения. Зона М – при авариях на радиационно опасных объектах за зоной А указывается зона М – зона радиационной опасности.

Размеры и конфигурация зон заражения, характер и степень радиоактивного заражения местности зависит главным образом от мощности и вида взрыва, метеорологических условий, в которых происходит заражение, времени, прошедшего после взрыва, рельеф местности, тип грунта в районе взрыва, лесные массивы, направление среднего ветра (в специальных справочниках по боевым свойствам ядерного оружия имеются таблицы возможных размеров зон заражения в зависимости от различных условий ядерного взрыва).

Для практических расчетов можно принять, что уровень радиации на следе облака уменьшается в 10 раз, через отрезок времени, в 7 раз больший первоначального.

Например, если через 1 час после взрыва уровень радиации равен 100 Р/ч, то через 7 часов после взрыва он будет равен 10 Р/ч, а через 49 часов – 1 Р/ч и т.д.

1.1.5. Электромагнитный импульс (ЭМИ). Основными параметрами электромагнитного импульса, определяющими его поражающее действие является характер изменения напряженности электрического и магнитного полей во времени и величине максимальной напряженности поля (амплитуды импульса). Основная часть энергии ЭМИ приходится на частоты до 30 кГц.

Амплитуда ЭМИ для взрывов боеприпасов малого и крупного калибров, составляет соответственно: в воздухе – тысячи и десятки тысяч вольт на метр, в грунте – сотни и тысячи вольт на метр. Амплитуда ЭМИ быстро уменьшается с увеличением расстояния от центра взрыва, поэтому его поражающее действие при наземном ядерном взрыве проявляется только на расстоянии нескольких километров от центра взрыва. С увеличением высоты взрыва амплитуда импульса уменьшается. В результате действия ЭМИ на металлических объектах индуцируются высокие электрические потенциалы относительно земли. На подземных и воздушных проводных и кабельных линиях возникают высокие электрические потенциалы, как относительно земли, так и между проводами. Наиболее подвержены ЭМИ системы связи, сигнализации и управления. Предельную электрическую прочность оборудования этих систем без средств защиты к кратковременному воздействию ЭМИ можно считать равной 8 – 10 кВ.

Наиболее эффективным способом защиты от ЭМИ, радиоэлектронной аппаратуры в сооружениях, является применение электропроводящих (металлических) экранов.