Ядерное оружие. 
Ядерное оружие

Ядерное оружие (ЯО) — оружие массового поражения взрывного действия, основанное на использовании внутриядерной энергии, выделяющейся при цепных реакциях деления тяжелых ядер некоторых изотопов урана и плутония или при термоядерных реакциях синтеза легких ядер — изотопов водорода (дейтерия и трития) в более тяжелые, например, ядра изотопов гелия.

Ядерное оружие основано на явлениях деления и синтеза атомного ядра. При делении тяжелых атомных ядер на более легкие ядра либо при соединении (синтезе) легких ядер в более тяжелые выделяется энергия. Высвобождение этой внутриядерной энергии и используется в ядерном оружии. В некоторых тяжелых элементах, в частности в уране и плутонии, самопроизвольно или под воздействием нейтронов или других частиц наблюдается явление распада ядра. Этот процесс называется делением ядра. Он сопровождается испусканием около 200 МэВ энергии на каждое разделившееся ядро.

Изучение процесса деления урана показало, что тепловыми (с малой энергией) нейтронами осуществляется деление только ядер U-233, U-235 и Pu-239к; более тяжелый U-238 поглощает тепловые нейтроны без деления. Поэтому делящимися материалами или ядерными взрывчатыми веществами (ЯВВ) называются те вещества, в которых реакцию деления вызывают тепловые нейтроны. Физические процессы развития ядерной реакции напрямую связаны с определенным количеством ЯВВ, которое называется критической массой.

Критическая масса — это такое количество ЯВВ, находящегося в определенных условиях, в котором каждое поколение нейтронов рождает новое, состоящее из такого же количества нейтронов. Критическая масса зависит от содержания делящегося изотопа в Я ВВ, среднего количества нейтронов, образующихся в одном акте деления ядра (U-235- 2,47 нейтрона, Ри-239 — 3,09), плотности вещества с учетом действия внешнего давления, геометрической формы заряда, наличия отражателя нейтронов. Саморазвивающаяся (цепная) реакция деления на тепловых нейтронах носит взрывной характер и служит источником энергии в ядерных боеприпасах. Главная характеристика цепной ядерной реакции — коэффициент развития реакции Крр, который определяет число делений ядер, вызванное одним делением в предыдущем звене реакции.

Основными частями ядерного боеприпаса являются: ядерное зарядное устройство (ядерный заряд), блок подрыва с предохранителями и источниками питания и корпус боеприпаса. В составе ядерного заряда находится главная составная часть — ЯВВ. Если ЯВВ имеет надкритическую массу и, соответственно, Крр > 1, то вследствие самопроизвольного (спонтанного) деления ядер урана или плутония, наличия блуждающих нейтронов в атмосфере и других факторов нельзя предотвратить цепную реакцию в ядерном взрывчатом веществе. Следовательно, до взрыва общее количество ЯВВ в одном боеприпасе должно содержаться разделенными на отдельные части, каждая из которых имеет массу меньше критической (Крр < 1) Для взрыва необходимо соединить в единое целое такое количество делящегося вещества, которое создаст надкритическую массу. В момент достижения системой максимальной надкритичности реакцию деления следует инициировать от специального источника нейтронов.

Есть два способа осуществления ядерного взрыва.

Первый из них состоит в том, чтобы два или несколько подкритических составных элементов ЯВВ быстро соединить в один, размеры и масса которого больше критических. С этой целью можно использовать выстрел одной частью заряда в другую его часть, закрепленную в противоположном конце прочного металлического цилиндра, напоминающего орудийный ствол. Такие боеприпасы обычно называют боеприпасами «пушечного» типа (рис 11.1).

Рис. 11.1. Ядерный боеприпас «пушечного» типа: 1 — детонатор; 2 — заряд ВВ; 3 — отражатель нейтронов; 4 — ЯВВ; 5 — источник нейтронов; 6 — корпус

Второй способ предполагает сильное обжатие подкритической массы (К_рр < 1) ЯВВ, что повышает плотность вещества заряда в несколько раз и переводит систему в надкритическое состояние (К_рр > 1), так как критическая масса обратно пропорциональна квадрату плотности вещества. Необходимое для этого обжатие можно получить с помощью взрыва обычных ВВ, окружающих со всех сторон сферический заряд ЯВВ. Направленная внутрь взрывная волна от обычных ВВ сжимает сферический заряд ЯВВ, и в нем развивается цепная реакция деления. Такой способ называется имплозивным (рис. 11.2).

Рис. 11.2. Ядерный боеприпас имплозивного типа: 1 — детонатор; 2 — заряд BB; 3 — отражатель нейтронов; 4 — ЯВВ; 5 — источник нейтронов; 6 — корпус.

Коэффициент полезного использования ЯВВ равен отношению количества делящегося вещества, вступившего в реакцию деления, к общему количеству, имеющемуся в заряде. Как правило, по мере уменьшения мощности боеприпаса уменьшается и коэффициент полезного использования ЯВВ.

Мощность ядерного взрыва принято характеризовать тротиловым эквивалентом. Это означает, что если мощность какого-либо ядерного боеприпаса равна 20 тыс. т, то при его взрыве выделяется такая же энергия, как и при взрыве 20 тыс. т тринитротолуола (ТНТ).

При взрыве мощностью 20 тыс. т в цепную реакцию деления вступает около 1 кг урана или плутония. Остальная часть ЯВВ, не вступившего в реакцию, рассеивается в окружающем пространстве энергией взрыва.

Если мощность зарядов, в которых используются реакции деления тяжелых ядер, ограничена (порядка 100 тыс. т), то применение реакции синтеза в термоядерных и комбинированных боеприпасах позволяет обеспечить их практически неограниченную мощность.

Ядерный синтез может быть осуществлен при слиянии различных легких ядер. Выделение энергии будет иметь место во всех случаях, когда после слияния ядер исходных веществ будут образовываться новые ядра с большими энергиями связи. Условия для протекания реакции синтеза возникают при температуре в десятки и сотни миллионов градусов. Создание столь высокой температуры с помощью внешнего источника необходимо лишь для начала реакции, а затем она сможет поддерживаться за счет собственной энергии.

Принципиальная схема устройства термоядерного боеприпаса (водородной бомбы) приведена на рис 11.3.

Рис. 11.3. Схема устройства термоядерного боеприпаса типа «деление-синтез»: 1 — ядерный детонатор (заряд деления); 2 — заряд для реакции синтеза (дейтерид лития); 3 — корпус.

Первой фазой взрыва такого боеприпаса является деление урана (плутония), находящегося в ядерном детонаторе 1 («запале»). При взрыве ядерного детонатора испускаются нейтроны и рентгеновское излучение. Детонатор и корпус боеприпаса имеют специальную форму и конструкцию, которые позволяют фокусировать рентгеновское излучение на заряде дейтерида лития и эффективно облучать его. Возникшая ударная волна обжимает дейтерид лития. Образование при этом трития и резкое повышение температуры инициируют основную термоядерную реакцию в боеприпасе, т. е. протекает вторая фаза взрыва — соединение ядер дейтерия и трития, при этом 70% полного количества энергии, выделившейся в ходе протекания реакции синтеза, уносится быстрыми нейтронами, 20% - ядрами атомов гелия и 2% - г-квантами.

Если у заряда корпус 3 изготовить из природного U-238, стоимость которого относительно невелика, то быстрые нейтроны могут вызвать деление ядер U-238. Это будет третья фаза взрыва. Такие боеприпасы, основанные на принципе «деление — синтез — деление», называют трехфазными или комбинированными.

Таким образом, могут существовать различные ядерные заряды: однофазные, двухфазные и трехфазные, которые отличаются друг от друга не только мощностью взрыва, но и характером поражающего воздействия. Важной их характеристикой является коэффициент термоядерности — отношение количества энергии, выделившейся за счет реакций синтеза, к общему количеству энергии взрыва данной мощности. С увеличением коэффициента термоядерности уменьшается выход радиоактивных продуктов на единицу мощности и таким образом повышается «чистота» взрыва, уменьшаются масштабы радиоактивного загрязнения.

Развитие ядерного оружия в прошедшие годы шло как полиции увеличения мощности ядерных зарядов, так и по пути уменьшения размеров и массы боеприпасов. Много внимания уделялось унификации и стандартизации отдельных узлов и ядерных боеприпасов в целом. Прежде чем создать новое поколение ядерного оружия с избирательным характером поражающего действия, потребовались коренные изменения в принципах конструирования и технологии производства.

Взрывы ядерных боеприпасов бывают различных видов. Вид взрыва (подземный, наземный, воздушный, высотный, подводный, надводный) определяется задачами применения ядерного оружия, свойствами объектов поражения, их защищенностью, а также характеристиками носителя ядерного заряда.

При взрыве ядерного боеприпаса за миллионные доли секунды выделяется колоссальное количество энергии и поэтому в зоне протекания ядерных реакций температура повышается до нескольких миллионов градусов, а максимальное давление достигает миллиардов атмосфер. В момент взрыва возникает световое излучение. Высокие температура и давление вызывают мощную ударную волну.

Наряду с ударной волной и световым излучением взрыв ядерного боеприпаса сопровождается испусканием проникающей радиации, состоящей из потока нейтронов и г-квантов. Облако взрыва содержит огромное количество радиоактивных продуктов — осколков деления. По пути движения этого облака радиоактивные продукты из него выпадают, в результате чего происходит радиоактивное загрязнение местности, объектов и воздуха.

Неравномерное движение электрических зарядов в воздухе, возникающих под действием ионизирующих излучений, приводит к образованию электромагнитного импульса (ЭМИ). Так формируются основные поражающие факторы ядерного взрыва.

Ударная волна ядерного взрыва — один из основных поражающих факторов. В зависимости от того, в какой среде возникает и распространяется ударная волна — в воздухе, воде или грунте, ее называют соответственно воздушной ударной волной, ударной волной в воде и сейсмовзрывной волной (в грунте).

Воздушной ударной волной называется область резкого сжатия воздуха, распространяющаяся во все стороны от центра взрыва со сверхзвуковой скоростью. Обладая большим запасом энергии, ударная волна ядерного взрыва способна наносить поражения людям, разрушать различные сооружения, военную технику и другие объекты на значительных расстояниях от места взрыва.

В зависимости от вида взрыва распространение воздушной ударной волны имеет свои особенности.

На распространение ударной волны и ее поражающее действие существенное влияние могут оказать рельеф местности, городская застройка, лесные массивы, метеорологические условия, мощность и вид ядерного взрыва.

Поражающее действие ударной волны на различные объекты зависит от размеров, конструкции объекта и степени его связи с земной поверхностью.

Поражения людей вызываются как прямым воздействием воздушной ударной волны, так и косвенно (летящими обломками сооружений, падающими деревьями, осколками стекла, камнями, грунтом и т. п.). Ударная волна ядерного взрыва, воздействуя на незащищенного человека, способна нанести ему травмы в основном такого же характера, как и при взрыве обычных снарядов и авиабомб, однако на значительно больших расстояниях от эпицентра взрыва. ХарактеРистепень поражения людей зависят от избыточного давления в подошедшей ударной волне, от положения человека в этот момент и степени его зашиты. В зависимости от избыточного давления травмы от действия ударной волны принято условно подразделять на легкие (ДР = 19 613−39 226 Па), средние (ДРф = 49 033 Па) и тяжелые (ДРф > 49 033 Па). При давлении свыше 98 066 Па травмы могут быть крайне тяжелыми и смертельными.

При действии ударной волны на здания главной причиной их разрушения является первоначальный удар, возникающий в момент отражения волны от здания. Разрушение дымовых труб, опор линий электропередачи, мостовых ферм, столбов и подобных им объектов происходит под действием скоростного напора. Остекление зданий нарушается при избыточном давлении во фронте воздушной ударной волны 4903 Па.

Заглубленные фортификационные сооружения разрушаются в меньшей степени, чем сооружения, возвышающиеся над поверхностью земли.

Основной способ защиты людей и техники от поражения ударной волной — изоляция их от действия повышенного давления и скоростного напора. Для этого используются защитные сооружения (укрытия, убежища) различных типов.

Если принять, что при воздушном ядерном взрыве безопасное расстояние для незащищенного человека составляет R км, то люди, находящиеся в открытых фортификационных сооружениях, не будут поражены уже на удалении 2/3 R. Перекрытые траншеи уменьшают радиус поражающего действия в 2 раза, а блиндажи — в 3 раза. Люди, находящиеся в подземных прочных сооружениях на глубине более 10 м, не поражаются даже в том случае, если это сооружение находится в эпицентре воздушного ядерного взрыва.

Опасным поражающим фактором ядерного взрыва является световое излучение.

Под световым излучением ядерного взрыва понимается электромагнитное излучение оптического диапазона в видимой, ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра.

Энергия светового излучения поглощается поверхностями освещаемых тел, которые при этом нагреваются. Температура нагрева зависит от многих факторов и может быть такой, что поверхность объекта обуглится, оплавится или воспламенится. Световое излучение может вызвать ожоги открытых участков тела человека, а в темное время суток — временное ослепление.

Световое излучение в первую очередь воздействует на открытые участки тела — кисти рук, лицо, шею, а также на глаза. Различают четыре степени ожогов. Ожог первой степени представляет собой поверхностное поражение кожи, внешне проявляющееся в ее покраснении; ожог второй степени характеризуется образованием пузырей; ожог третьей степени вызывает омертвение глубоких слоев кожи; при ожоге четвертой степени обугливаются кожа и подкожная клетчатка, а иногда и более глубокие ткани.

Защита от светового излучения более проста, чем от других поражающих факторов ядерного взрыва, поскольку любая непрозрачная преграда, любой объект, создающие тень, могут служить защитой от него.

В качестве дополнительных мер защиты от поражающего действия светового излучения рекомендуется:

• — использование экранирующих свойств оврагов, лощин, местных предметов;
• — постановка дымовых завес для поглощения энергии светового излучения;
• — повышение отражательной способности материалов (побелка мелом, покрытие красками светлых тонов);
• — повышение стойкости к воздействию светового излучения (обмазка глиной, обсыпка грунтом, снегом, пропитка тканей огнестойкими составами);
• — проведение противопожарных мероприятий (удаление сухой травы и других легковоспламеняющихся материалов, вырубка просек и устройство заградительных полос);
• — использование в темное время суток средств защиты глаз от временного ослепления (очков, световых затворов и др.).

Существенным поражающим фактором ядерного оружия является проникающая радиация ядерного взрыва, которая представляет собой поток г-излучения и нейтронов. Нейтронное и г-излучение различны по своим физическим свойствам, а общим для них является то, что они могут распространяться в воздухе во все стороны на расстояния до 2,5−3 км. Проходя через биологическую ткань, г-кванты и нейтроны ионизируют атомы и молекулы, входящие в состав живых клеток, в результате чего нарушается нормальный обмен веществ и изменяется характер жизнедеятельности клеток, отдельных органов и систем организма, что приводит к возникновению специфического заболевания — лучевой болезни.

Время действия проникающей радиации при взрыве зарядов деления и комбинированных зарядов не превышает нескольких секунд и определяется временем подъема облака взрыва на такую высоту, при которой г-излучение поглощается толщей воздуха и практически не достигает поверхности земли.

Поражающее действие проникающей радиации характеризуется дозой излучения, т. е. количеством энергии ионизирующих излучений, поглощенной единицей массы облучаемой среды. Степень поражения живого организма определяется поглощенной дозой. Поглощенная доза — фундаментальная дозиметрическая величина, равная отношению средней энергии, переданной ионизирующим излучением веществу в элементарном объеме, к массе вещества в этом объеме. Единица измерения поглощенной дозы в СИ — грей (1 грей = 1 Дж/кг). Кроме того, используется понятие «эквивалентная доза» — это поглощенная доза в органе ил и ткан и, в которой учтена разница эффективностей биологического воздействия данного вида излучения и г-излучения. Этот учет происходит за счет взвешивающего коэффициента, который показывает, во сколько разданный вид излучения эффективней при биологическом воздействии, чем г-излучение (при одинаковой поглощенной дозе в тканях тела). Единица измерения эквивалентной дозы в СИ — зиверт (Зв).

Наиболее часто при нормировании используются значения эффективной дозы. Она представляет собой величину воздействия ионизирующего излучения, используемую как меру риска возникновения отдаленных последствий облучения организма человека и отдельных его органов с учетом их радиочувствительности. Измеряется эффективная доза в зивертах.

Поражающее воздействие проникающей радиации на состояние людей и на боеспособность войск зависит от дозы излучения и времени, прошедшего после взрыва. В зависимости от дозы излучения различают четыре степени лучевой болезни:

• — лучевая болезнь I степени (легкая) возникает при суммарной дозе излучения 1,5−2,5 грей. Скрытый период продолжается две-три недели, после чего появляются недомогание, общая слабость, тошнота, головокружение, периодическое повышение температуры. В крови уменьшается содержание белых кровяных шариков. Лучевая болезнь I степени излечима;
• — лучевая болезнь II степени (средняя) возникает при суммарной дозе излучения 2,5−4,0 грей. Скрытый период длится около недели. Признаки заболевания выражены более ярко. При активном лечении наступает выздоровление через 1,5−2 мес;
• — лучевая болезнь III степени (тяжелая) наступает при дозе излучения 4,0−7,0 грей. Скрытый период составляет несколько часов. Болезнь протекает интенсивно и тяжело. В случае благоприятного исхода выздоровление может наступить через 6−8 мес;
• — лучевая болезнь IV степени (крайне тяжелая) наступает при дозе излучения свыше 7 грей, которая является наиболее опасной. При дозах, превышающих 50 грей, человек утрачивает работоспособность через несколько минут.

Тяжесть поражения в известной мере зависит от состояния организма до облучения и его индивидуальных особенностей. Сильное переутомление, голодание, болезнь, травмы, ожоги повышают чувствительность организма к воздействию проникающей радиации. Сначала человек теряет физическую работоспособность, а затем — умственную.