16 липня 1945 року на авіабазі ВПС США в штаті Нью-Мексико відбулося подія, яка змінила всю подальшу історію людства. О 5 годині 30 хвилин за місцевим часом тут була підірвана перша в світі ядерна бомба Gadget, потужністю 20 кілотонн у тротиловому еквіваленті. За спогадами очевидців, яскравість вибуху значно перевершувала сонячне світло опівдні, а хмара грибовидной форми всього за п'ять хвилин досягло висоти в 11 кілометрів. Ці успішні випробування стали початком нової ери людства - ядерної. Буквально через кілька місяців міць і лють створеного зброї в повній мірі випробують на собі жителі Хіросіми і Нагасакі.
Американці недовго володіли монополією на ядерну бомбу, і наступні чотири десятиліття стали періодом жорсткого протистояння між США і СРСР, яке увійшло в підручники історії під назвою Холодної війни. Ядерна зброя і сьогодні є найважливішим стратегічним чинником, з яким змушені рахуватися всі. Сьогодні в елітний ядерний клуб фактично входить вісім держав, ще кілька країн всерйоз займаються створенням ЯО. Найбільше зарядів знаходяться в арсеналі США і Росії.
Що ж таке ядерний вибух? Якими вони бувають, і що являє собою фізика ядерного вибуху? Чи відрізняється сучасне ЯО від зарядів, які були скинуті на японські міста сімдесят років тому? Ну і головне: які основні вражаючі фактори ядерного вибуху і чи можна захиститися від їх впливу? Про все це буде розказано в даному матеріалі.
З історії даного питання
Кінець XIX і перша чверть XX століття стали для ядерної фізики періодом небачених проривів і дивовижних звершень. Вже до середини 30-х років вчені зробили практично все теоретичні відкриття, що дозволяють створити ядерний заряд. На початку 30-х вперше було розщеплено атомне ядро, а в 1934 році угорський фізик Силард запатентував конструкцію ядерного реактора.
У 1938 році троє німецьких вчених - Фріц Штрассман, Отто Ган і Ліза Мейтнер - відкрили процес розщеплення урану при бомбардуванні нейтронами. Це була остання зупинка на шляху до Хіросімі, незабаром французький фізик Фредерік Жоліо-Кюрі отримав патент на конструкцію уранової бомби. У 1941 році Фермі закінчив теорію ланцюгової ядерної реакції.
У цей час світ невблаганно скочувався до нової глобальної війни, тому дослідження вчених, спрямовані на створення зброї небаченої нищівної сили, не могли залишитися непоміченими. Великий інтерес до подібних досліджень проявляло керівництво гітлерівської Німеччини. Володіючи прекрасною науковою школою, ця країна цілком могла першої створити ядерну зброю. Подібна перспектива сильно турбувала провідних вчених, більшість з яких були налаштовані вкрай антинімецькі. У серпні 1939 року Альберт Ейнштейн на прохання свого друга Силарда написав листа президенту США, де вказував на небезпеку появи у Гітлера ядерної бомби. Результатом цього листування став спочатку "Урановий комітет", а потім і "Манхеттенський проект", який і привів до створення американської ядерної зброї. У 1945 році США мали вже три бомби: плутонієву "Штучку" (Gadget) і "Товстуни" (Fat boy), а також уранового "Малюка" (Little boy). "Батьками" американського ЯО вважаються вчені Фермі і Оппенгеймер.
16 липня 1945 року на полігоні в Нью-Мексико підірвали "Штучку", а вже в серпні "Малюк" і "Товстун" скинули на японські міста. Результати бомбардувань перевершили всі очікування військових.
У 1949 році ЯО з'явилося у Радянського Союзу. У 1952 році американці вперше провели випробування першого пристрою, в основі роботи якого лежали реакції ядерного синтезу, а не розпаду. Незабаром термоядерна бомба була створена і в СРСР.
У 1954 році американці підірвали пристрій, еквівалентом 15 мегатонн тринітротолуолу. Але найпотужніший ядерний вибух в історії відбувся кількома роками пізніше - на Новій Землі підірвали пятідесятімегатонную "Цар-бомбу".
На щастя, і в СРСР, і в США швидко зрозуміли, до чого може призвести масштабна ядерна війна. Тому в 1967 році наддержави підписали Договір про нерозповсюдження ЯО. Пізніше був вироблений ще ряд угод, що стосуються даної області: ОСВ-I і ОСВ-II, СНО-I і СНО-II, ін.
Ядерні вибухи в СРСР проводилися на Новій Землі і в Казахстані, американці випробовували своє ЯО на полігоні в штаті Невада. У 1996 році прийняли договір про заборону проведення будь-яких випробувань ЯО.
Як влаштована атомна бомба?
Ядерний вибух - це хаотичний процес звільнення колосальної кількості енергії, яка утворюється в результаті ядерної реакції поділу або синтезу. Аналогічні і зіставні по потужності процеси відбуваються в надрах зірок.
Ядро атома будь-якої речовини ділиться при поглинанні нейтронів, але для більшості елементів періодичної таблиці для цього необхідно затратити значну енергію. Однак існують елементи, здатні до подібної реакції під впливом нейтронів, які мають будь-- навіть мінімальної - енергією. Вони називаються діляться.
Для створення ЯО використовуються ізотопи уран-235 або плутоній-239. Перший елемент зустрічається в земній корі, його можна виділити з природного урану (збагачення), а збройовий плутоній отримують штучно в ядерних реакторах. Існують і інші елементи, що діляться, які теоретично можна застосувати в ЯО, але їх отримання пов'язане з великими труднощами і витратами, тому вони майже не використовуються.
Головною особливістю ядерної реакції є її ланцюгової, тобто самоподдерживающийся характер. При опроміненні атома нейтронами він розпадається на два осколки з виділенням великої кількості енергії, а також двох вторинних нейтронів, які, в свою чергу, здатні викликати розподіл сусідніх ядер. Так процес стає каскадним. В результаті ланцюгової ядерної реакції за короткий проміжок часу в дуже обмеженому обсязі утворюється колосальна кількість "осколків" розпалися ядер і атомів у вигляді високотемпературної плазми: нейтронів, електронів і квантів електромагнітного випромінювання. Цей згусток стрімко розширюється, утворюючи ударну хвилю величезної руйнівної сили.
Переважна частина сучасного ядерної зброї працює не на основі ланцюгової реакції розпаду, а за рахунок злиття ядер легких елементів, які починаються при високих температурах і величезному тиску. При цьому відбувається виділення ще більшої кількості енергії, ніж під час розпаду ядер типу урану або плутонію, але принципово результат не змінюється - утворюється область високотемпературної плазми. Подібні перетворення носять назву реакції термоядерного синтезу, а заряди, в яких вони використовуються, - термоядерні.
Окремо слід сказати про спеціальні видах ЯО, у яких велика частина енергії розподілу (або синтезу) спрямована на один з чинників поразки. До них відносяться нейтронні боєприпаси, які породжують потік жорсткого випромінювання, а також так звана кобальтова бомба, що дає максимальне радіаційне зараження місцевості.
Які бувають ядерні вибухи?
Існує дві основні класифікації ядерних вибухів:
- по потужності;
- за місцем розташування (точці розташування заряду) в момент вибуху.
Потужність - це визначальна характеристика ядерного вибуху. Від неї залежить радіус зони повних руйнувань, а також розмір території, зараженої радіацією.
Для оцінки цього параметра використовується тротиловий еквівалент. Він показує, скільки потрібно підірвати тринітротолуолу, щоб отримати яку можна порівняти енергію. Відповідно до цієї класифікації, бувають такі види ядерних вибухів:
- сверхмалі;
- малі;
- середні;
- великі;
- надвеликі.
При легкому корпусу (до 1 кт) вибуху утворюється вогненна куля діаметром не більше 200 метрів і грибоподібна хмара з висотою 3,5 км. Надвеликі - мають потужність понад 1 мТ, їх вогненна куля перевищує 2 км, а висота хмари - 8,5 км.
Не менш важливою особливістю є розташування ядерного заряду перед вибухом, а також середовище, в якій він відбувається. Виходячи з цього, розрізняють наступні види ядерних вибухів:
- Атмосферне. Його центр може знаходитися на висоті від кількох метрів до десятків, а то і сотень кілометрів над поверхнею землі. В останньому випадку він відноситься до категорії висотних (від 15 до 100 км). Повітряний ядерний вибух має сферичну форму спалаху;
- Космічний. Для попадання в цю категорію, він повинен мати висоту більше 100 км;
- Наземний. До цієї групи належать не тільки вибухи на поверхні землі, а й на висоті кілька метрів над нею. Вони проходять як з викидом грунту, так і без нього;
- Підземний. Після підписання Договору про заборону випробувань ЯО в атмосфері, на землі, під водою і в космосі (1963 рік) подібний тип став єдино можливим при випробуваннях ядерних зарядів. Він проводиться на різній глибині, від декількох десятків до сотень метрів. Під товщею землі утворюється порожнина або стовп обвалення, сила ударної хвилі значно послаблюється (залежить від глибини);
- Надводний. Залежно від висоти він може бути безконтактним і контактним. В останньому випадку відбувається утворення підводної ударної хвилі;
- Підводний. Його глибина буває різною, від десятків до багатьох сотень метрів. Виходячи з цього, має свої особливості: наявність або відсутність "султана", характер радіоактивного зараження і ін.
Що відбувається при ядерному вибуху?
Після початку реакції протягом короткого періоду часу і в дуже обмеженому обсязі виділяється значна кількість теплової та променевої енергії. В результаті в центрі ядерного вибуху до величезних значень зростає температура і тиск. Здалеку ця фаза сприймається, як дуже яскрава крапка, що світиться. На цьому етапі велика частина енергії перетворюється в електромагнітне випромінювання, в основному в рентгенівської частини спектра. Воно називають первинним.
Навколишнє повітря нагрівається і витісняється з точки вибуху з надзвуковою швидкістю. Формується хмара і утворюється ударна хвиля, яка від нього відривається. Це відбувається приблизно через 0,1 мсек після початку реакції. У міру остигання хмара збільшується і починає підніматися, захоплюючи за собою заражені частинки грунту і повітря. В епіцентрі утворюється воронка від ядерного вибуху.
Ядерні реакції, що відбуваються в цей час, стають джерелом цілого ряду різних випромінювань, від гамма-променів і нейтронів до високоенергетичних електронів і атомних ядер. Так виникає проникаюча радіація ядерного вибуху - один з основних вражаючих факторів ЯО. Крім того, це випромінювання впливає на атоми навколишнього речовини, перетворюючи їх в радіоактивні ізотопи, які заражають місцевість.
Гамма-випромінювання іонізує атоми навколишнього середовища, створюючи електромагнітний імпульс (ЕМІ), який виводить з ладу будь-які електронні прилади поблизу. Електромагнітний імпульс висотних атмосферних вибухів поширюється на значно більшу площу, ніж при наземних або маловисотних.
Чим небезпечне атомну зброю і як від нього захиститися?
Основні вражаючі фактори ядерного вибуху:
- світлове випромінювання;
- ударна хвиля;
- проникаюча радіація;
- зараження місцевості;
- електромагнітний імпульс.
Якщо говорити про наземному вибуху, то половина його енергії (50%) йде на освіту ударної хвилі і воронки, приблизно 30% припадає на світлове випромінювання ядерного вибуху, 5% - на електромагнітний імпульс і проникаючу радіацію і 15% - на зараження місцевості.
Світлове випромінювання ядерного вибуху - це один з основних вражаючих факторів ЯО. Воно являє собою потужний потік променевої енергії, до складу якого входить випромінювання ультрафіолетової, інфрачервоної і видимої частини спектра. Його джерелом є хмара вибуху на ранніх етапах існування (вогненна куля). У цей час воно має температуру від 6 до 8 тис. ° C.
Світлове випромінювання поширюється практично миттєво, тривалість дії цього фактора обчислюється секундами (максимум до 20 сек.). Але, незважаючи на короткочасність, світлове випромінювання дуже небезпечно. На невеликій відстані від епіцентру воно спалює все горючі матеріали, а на видаленні призводить до масштабних пожеж та загорянь. Навіть на значній відстані від вибуху можливе ураження органів зору та опіки шкіри.
Так як випромінювання поширюється прямолінійно, то захистом від нього може стати будь-яка непрозора перепона. Цей вражаючий фактор значно слабшає при наявності задимленості, туману або запиленості.
Ударна хвиля ядерного вибуху - це найбільш небезпечний фактор ЯО. Більшість поразок людей, а також руйнувань і пошкоджень об'єктів відбувається саме завдяки її впливу. Ударна хвиля - це область різкого стиску середовища (води, грунту або повітря), який рухається в різні боки від епіцентру. Якщо говорити про атмосферний вибуху, то швидкість ударної хвилі становить 350 м / с. Зі збільшенням відстані її швидкість швидко падає.
Цей вражаючий фактор робить прямий вплив за рахунок надлишкового тиску і швидкості, також людина може постраждати від різних уламків, які вона несе. Ближче до епіцентру хвиля викликає серйозні сейсмічні коливання, здатні обрушувати підземні споруди і комунікації.
Слід розуміти, що ні будівлі, ні навіть спеціальні притулки не зможуть захистити від ударної хвилі в безпосередній близькості від епіцентру. Однак вони цілком дієві на значній відстані від нього. Руйнівну силу цього фактора істотно знижують складки місцевості.
Проникаюча радіація. Даний вражаючий фактор є потік жорсткого випромінювання, який складається з нейтронів і гамма-променів, що випускається з епіцентру вибуху. Його вплив, як і світлового випромінювання, є короткочасним, тому що він сильно поглинається атмосферою. Проникаюча радіація небезпечна протягом 10-15 секунд після ядерного вибуху. З тієї ж причини вона здатна впливати на людину тільки на порівняно невеликій відстані від епіцентру - 2-3 км. При видаленні від нього рівень радіоактивного опромінення швидко падає.
Проходячи через тканини нашого тіла, потік частинок, іонізує молекули, порушуючи нормальний перебіг біологічних процесів, що призводить до виходу з ладу найважливіших систем організму. При важких ураженнях виникає променева хвороба. Даний фактор чинить руйнівну дію на деякі матеріали, а також виводить з ладу електронні та оптичні прилади.
Для захисту від проникаючої радіації використовуються поглинають матеріали. Для гамма-випромінювання це важкі елементи зі значною атомною масою: наприклад, свинець або залізо. Однак ці речовини погано вловлюють нейтрони, більш того, дані частинки викликають в металах наведену радіоактивність. Нейтрони, в свою чергу, добре поглинаються легкими елементами, типу літію або водню. Для комплексного захисту об'єктів або військової техніки використовуються багатошарові матеріали. Наприклад, оголовки шахтних установок МБР екранують за допомогою залізобетону і ємностей з літієм. При спорудженні протиатомних притулків в будівельні матеріали нерідко додають бор.
Електромагнітний імпульс. Вражаючий фактор, який не впливає на здоров'я людини або тварин, але виводить з ладу електронні прилади.
Потужне електромагнітне поле виникає після ядерного вибуху в результаті впливу жорсткого випромінювання на атоми навколишнього середовища. Його вплив короткочасно (кілька мілісекунд), однак і його досить для пошкодження апаратури і ліній електропередач. Сильна іонізація повітря порушує нормальну роботу радіозв'язку та РЛС, тому підрив ЯО використовується для засліплення системи попередження про ракетний напад.
Ефективний спосіб захисту від ЕМІ - екранування електронної техніки. Він уже багато десятиліть застосовується на практиці.
Радіаційне зараження. Джерелом цього фактора ураження є продукти ядерних реакцій, невикористана частина заряду, а також наведена радіація. Зараження при ядерному вибуху є серйозною небезпекою здоров'ю людини, тим більше що час напіврозпаду багатьох ізотопів досить тривало.
Зараження повітря, місцевості і об'єктів відбувається в результаті випадання радіоактивних речовин. Вони осідають по ходу, утворюючи радіоактивний слід. Причому, в міру віддалення від епіцентру небезпека зменшується. І, звичайно ж, зоною зараження стає і сам район вибуху. Велика частина небезпечних речовин випадають у вигляді опадів на протязі 12-24 годин після вибуху.
Основними параметрами цього фактора є доза опромінення і його потужність.
Радиоактивные продукты способны испускать три вида частиц: альфа, бета и гамма. Первые два не обладают серьезной проникающей способностью, поэтому представляют меньшую угрозу. Наибольшую опасность представляет возможное попадание радиоактивных веществ внутрь организма вместе с воздухом, пищей и водой.
Лучший способ защиты от радиоактивных продуктов - это полная изоляция людей от их воздействия. После применения ЯО должна быть создана карта местности с указанием наиболее загрязненных областей, посещение которых строго запрещено. Необходимо создать условия, препятствующие попаданию нежелательных веществ в воду или пищу. Люди и техника, посещающая загрязненные участки, обязательно должны проходить дезактивационные процедуры. Еще одним эффективным способом являются индивидуальные средства защиты: противогазы, респираторы, костюмы ОЗК.
Правдой является то, что различные способы защиты от ядерного взрыва могут спасти жизнь только, если вы находитесь достаточно далеко от его эпицентра. В непосредственной близости от него все будет превращено в мелкий оплавленный щебень, а любые убежища уничтожены сейсмическими колебаниями.
Кроме того, ядерная атака непременно приведет к разрушению инфраструктуры, панике, развитию инфекционных заболеваний. Подобные явления можно назвать вторичным поражающим фактором ЯО. К еще более тяжелым результатам способен привести ядерный взрыв на атомной электростанции. В этом случае в окружающую среду будут выброшены тонны радиоактивных изотопов, часть из которых имеет длительный период полураспада.
Как показал трагический опыт Хиросимы и Нагасаки, ядерный взрыв не только убивает людей и калечит их тела, но и наносит жертвам сильнейшие психологические травмы. Апокалиптические зрелища постядерного ландшафта, масштабные пожары и разрушения, обилие тел и стоны обугленных умирающих вызывают у человека ни с чем не сравнимые душевные страдания. Многие из переживших кошмар ядерных бомбардировок в будущем так и не смогли избавиться от серьезных разладов психики. В Японии для этой категории придумали специальное название - "Хибакуся".
Атом в мирных целях
Энергия цепной ядерной реакции - это самая мощная сила, доступная сегодня человеку. Неудивительно, что ее попытались приспособить для выполнения мирных задач. Особенно много подобных проектов разрабатывалось в СССР. Из 135 взрывов, проведенных в Советском Союзе с 1965 по 1988 год, 124 относились к "мирным", а остальные были выполнены в интересах военных.
С помощью подземных ядерных взрывов планировали сооружать водохранилища, а также емкости для сберегания природного газа и токсичных отходов. Водоемы, созданные подобным способом, должны были иметь значительную глубину и сравнительно небольшую площадь зеркала, что считалось важным преимуществом.
Их хотели использовать для поворота сибирских рек на юг страны, с их помощью собирались рыть каналы. Правда, для подобных проектов думали пустить в дело небольшие по мощности "чистые" заряды, создать которые так и не получилось.
В СССР разрабатывались десятки проектов подземных ядерных взрывов для добычи полезных ископаемых. Их намеревались использовать для повышения отдачи нефтеносных месторождений. Таким же образом хотели перекрывать аварийные скважины. В Донбассе провели подземный взрыв для удаления метана из угленосных слоев.
Ядерные взрывы послужили и на благо теоретической науки. С их помощью изучалось строение Земли, различные сейсмические процессы, происходящие в ее недрах. Были предложения путем подрыва ЯО бороться с землетрясениями.
Мощь, скрытая в атоме, привлекала не только советских ученых. В США разрабатывался проект космического корабля, тягу которого должна была создавать энергия атома: до реализации дело не дошло.
До сих пор значение советских экспериментов в этой области не оценено по достоинству. Информация о ядерных взрывах в СССР по большей части закрыта, о некоторых подобных проектах мы почти ничего не знаем. Сложно определить их научное значение, а также возможную опасность для окружающей среды.
В последние годы с помощью ЯО планируют бороться с космической угрозой - возможным ударом астероида или кометы.
Ядерное оружие - это самое страшное изобретение человечества, а его взрыв - наиболее "инфернальное" средство уничтожения из всех существующих на земле. Создав его, человечество приблизилось к черте, за которой может быть конец нашей цивилизации. И пускай сегодня нет напряженности Холодной войны, но угроза от этого не стала меньшей.
В наши дни самая большая опасность - это дальнейшее бесконтрольное распространение ядерного оружия. Чем больше государств будут им обладать, тем выше вероятность, что кто-то не выдержит и нажмет пресловутую "красную кнопку". Тем более, что сегодня заполучить бомбу пытаются наиболее агрессивные и маргинальные режимы на планете.
