Ядерный взрыв

Ядерный взрыв (далее Я), грандиозный по своим масштабам и разрушительной силе взрыв, вызываемый высвобождением ядерной энергии. К возможности овладения ядерной энергией физики вплотную подошли в начале второй мировой войны 1939—45. Первая так называемая атомная бомба была создана в США объединенными усилиями большой группы крупнейших ученых, многие из которых эмигрировали из Европы, спасаясь от гитлеровского режима. Первый испытательный Я был произведен 16 июля 1945 близ Аламогордо (штат Нью-Мексико, США); 6 и 9 августа 1945 две американские бомбы были сброшены на японские города Хиросима и Нагасаки (см. Ядерное оружие). Энергия первых Я оценивалась примерно в 10²¹ эрг (10¹⁴ дж), что эквивалентно выделению энергии при взрыве около 20 тыс. т (кт) тротила (энергию Я обычно характеризуют его тротиловым эквивалентом). В СССР первый взрыв был осуществлен в августе 1949, а 12 августа 1953 в СССР было проведено первое испытание значительно более мощной бомбы. В дальнейшем ядерные державы производили испытательные Я с энергиями до десятков млн. т (Мт) тротилового эквивалента.

К Я может привести либо ядерная цепная реакция деления тяжелых ядер (например, ²³⁵ и ²³⁹), либо термоядерная реакция синтеза ядер из более легких ядер. Ядра ²³⁵ и ²³⁹ делятся при захвате нейтрона на два осколочных ядра средней массы; при этом рождается также несколько нейтронов (обычно два-три). Сумма масс всех дочерних частиц меньше массы исходного ядра на величину Dm, называемую дефектом массы. Дефекту массы, согласно соотношению А. Эйнштейна, отвечает энергия DЕ = Dm × c² (с — скорость света), которая представляет собой энергию связи продуктов деления в исходном ядре. Высвобождение этой энергии при быстро развивающейся цепной ядерной реакции деления и приводит к взрыву. На одно делящееся ядро энергия DE составляет около 200 Мэв. В 1 кг ²³⁵ или ²³⁹содержится 2,5 × 10²⁴ ядер. При делении всех этих ядер выделяется огромная энергия, равная примерно 10²¹ эрг.

Возможность протекания цепной реакции деления обусловлена тем, что в акте деления рождается более одного нейтрона. Каждый из них также может произвести деление ядер. Следующее поколение нейтронов делит другие ядра и т. д. Например, если по два нейтрона каждого поколения производят деление, то через 80 поколений реакция, начавшаяся с одного нейтрона, приведет к распаду всех ядер 1 кг делящегося вещества. Обычно не все нейтроны вызывают деление ядер, часть из них теряется. Если потери слишком велики, то цепная реакция развиться не может. Вероятность потери отдельного нейтрона тем выше, чем меньше линейные размеры и масса делящегося вещества. Предельные условия, когда в веществе может развиться цепная реакция, называются критическими. Они характеризуются плотностью, геометрией, массой вещества (например, существует критическая масса). Делящееся вещество в ядерном заряде располагают так, чтобы оно находилось в докритических условиях (например, чтобы масса была рассредоточена). В нужный момент осуществляются сверхкритические условия (всю массу собирают вместе), и тогда инициируется цепная реакция. Собрать всю массу необходимо очень быстро, для того чтобы реакция протекала при возможно большей степени сверхкритичности и до разлета нагревающегося вещества успела бы прореагировать возможно большая его доля. Возможности повышения мощности Я, основанного на цепной реакции деления ядер, практически ограничены, т. к. очень трудно большую массу делящегося вещества, вначале расположенную в докритической форме, достаточно быстро превратить в сверхкритическую.

Я большой мощности с эквивалентом в миллионы и десятки млн. т тротила основаны на использовании реакции термоядерного синтеза. Основная реакция здесь — превращение двух ядер тяжелых изотопов (дейтерия ² и трития ³) в ядро ⁴ и нейтрон. В одном акте выделяется энергия 17,6 Мэв. При полном превращении 1 кг тяжелого выделяется энергия, примерно в 4 раза превышающая энергию деления 1 кг ²³⁵ или ²³⁹. Для того чтобы положительно заряженные ядра ² и ³ могли столкнуться и испытать превращение, они должны преодолеть действующие между ними электрические силы отталкивания, т. е. обладать значительной скоростью (кинетической энергией). Поэтому термоядерная реакция, используемая в бомбе, протекает при очень высоких температурах — порядка десятков млн. градусов, что достигается при Я бомбы, применяемой в качестве "запала" в бомбе. Поскольку в обычном состоянии представляет собой газ, при осуществлении термоядерного взрыва используют твердые вещества ⁶ ², ⁶ ³. Ядра лития и сами участвуют в термоядерной реакции, повышая энергетический выход термоядерного взрыва.

Непосредственно после завершения ядерной реакции к моменту времени 10^-7 сек, отсчитываемому от ее начала, выделившаяся энергия оказывается сосредоточенной в весьма ограниченных массе и объеме (порядка 1 т и 1 м³). температура и давление при этом достигают колоссальных величин порядка 10 млн. градусов и миллиарда атмосфер. Существенная доля энергии высвечивается этим нагретым веществом в виде мягкого рентгеновского излучения, которое, однако, может распространиться на большое расстояние только при Я в чрезвычайно разреженной атмосфере — на высотах порядка 100 км и выше. Во всех остальных случаях — при взрывах в воздухе на не очень больших высотах, под землей, под водой — почти вся энергия взрыва переходит в среду, непосредственно окружающую вещество ядерного заряда: воздух, землю, воду. Под действием высокого давления в окружающей среде возникает сильная ударная волна. Я порождает также проникающую радиацию — потоки гамма-квантов и нейтронов, которые уносят несколько процентов от всей энергии взрыва и распространяются в воздухе при атмосферном давлении на много сотен м.

Воздух в ударной волне Я нагревается до сотен тыс. градусов и начинает ярко светиться, возникает так называемый огненный шар. Вначале поверхность огненного шара совпадает с фронтом ударной волны, и они вместе расширяются с большой скоростью. Например, при Я, эквивалентном 20 кт, в воздухе атмосферного давления через 10^-4 сек радиус огненного шара равен примерно 14 м; через 0,01 сек — 100 м. На этой стадии происходит отрыв ударной волны от границы огненного шара. Ударная волна, уже не вызывая свечение, уходит далеко вперед; расширение огненного шара замедляется, а затем вовсе прекращается. Через 0,1 сек радиус огненного шара достигает своей максимальной величины — примерно 150 м; температура свечения в этой стадии составляет около 8000 К. Через 1 сек яркость свечения начинает падать, и через 2—3 сек свечение практически прекращается. Всего на световое излучение приходится примерно треть всей энергии взрыва. Это излучение, более яркое, чем излучение Солнца, оказывает очень сильное поражающее действие, вызывая даже на расстоянии 2 км пожары, обгорание предметов, ожоги у людей и животных. Через 10 сек ударная волна уходит на расстояние 3,7 км от центра Я Сильное разрушающее действие на дома, промышленные постройки, военную технику ударная волна Я в 20 кт оказывает на расстоянии до 1 км.

Нагретый воздух огненного шара после прекращения свечения, будучи менее плотным, чем окружающий воздух, поднимается вверх под действием архимедовой силы (см. Архимеда закон). В процессе подъема нагретый воздух расширяется и охлаждается, в нем происходит конденсация паров воды. Так образуется характерное клубящееся облако Я поперечником в сотни м. Через минуту оно достигает высоты 4 км, через 10 мин — 10 км. В дальнейшем это облако, содержащее продукты ядерных реакций, разносится ветрами и воздушными течениями на расстояния в десятки и сотни км. Продукты деления ядер обладают радиоактивностью, они испускают g -кванты и электроны. Под действием радиоактивности и вследствие выпадения радиоактивных осадков происходит радиоактивное заражение местности в области следа облака, которое является одним из опаснейших последствий Я, вызывая лучевую болезнь у людей и животных. Особенно опасны в отношении радиоактивного действия Я на малой высоте, когда огненный шар при своем расширении касается поверхности Земли, вверх вздымается огромный столб пыли и земли, и радиоактивные продукты впоследствии выпадают вместе с пылью. Радиус действия ударной волны приблизительно пропорционален корню кубическому из значения энергии, выделяющейся при взрыве. Например, радиус очень сильного разрушающего действия Я в 20 Мт примерно в 10 раз больше, чем для Я в 20 кт, т. е. порядка 10 км. Такой взрыв может уничтожить большой город.

При Я на очень больших высотах, выше 100—200 км, также возникают ударная волна и огненный шар, но в световое излучение переходит значительно меньшая доля энергии Я, т. к. вследствие сильной разреженности воздух излучает свет гораздо слабее. Одним из важнейших последствий высотного Я являются возникновение больших областей повышенной ионизации с радиусом в десятки и даже сотни км и возмущение атмосферы. Ионизация вызывается действием рентгеновского и g-излучении (а также нейтронов) и приводит к серьезным нарушениям в работе средств радиолокации и радиосвязи. Высотные Я, осуществленные в 1958—62 в США, показали, что устойчивая радиосвязь может прерываться на десятки мин.

При подводном взрыве примерно половина всей энергии содержится в первичной ударной волне, которая и производит основные разрушения. Для подводного взрыва характерно образование большого пузыря вокруг центра взрыва, который совершает пульсирующие движения, затухающие с течением времени. Вторичные волны, излучаемые за счет пульсаций пузыря, оказывают значительно меньшее действие, чем первичная ударная волна. Радиус сильного разрушающего действия, приводящего к нототению кораблей (при Я в 20 кт на небольшой глубине), составляет ~ 0,5 км. При подводном Я появляется "султан" — огромный столб над поверхностью воды, состоящий из водяной пыли и брызг. Возникают также сильные поверхностные волны, которые распространяются на многие км (при взрыве в 20 кт на расстоянии 3 км от эпицентра взрыва высота гребня волны достигает 3 м).

При подземном Я разрушения производит также ударная волна. Как и при подводном взрыве, в центре возникает газовый пузырь высокого давления. При неглубоком взрыве образуется огромная воронка, в воздух поднимается столб пыли и земли. Подземный Я вызывает толчок, по своему действию аналогичный землетрясению. По своей энергии Я в 20 кт можно сравнить с землетрясением силой в 5 М ( по шкале Рихтера (см. Магнитуда землетрясения). Я бомбы в 20 Мт соответствует землетрясению с силой 7 М. Сейсмические волны подземных Я регистрируются на расстояниях в тысячи км от места взрыва.

Ю. П. Райзер.

Подземные Я применялись в мирных целях для крупномасштабных горных работ, добычи полезных ископаемых и др. Различают заглубленный Я наружного действия и подземного (камуфлетного), когда радиус разрушающего действия не достигает поверхности земли. Я наружного действия, с помощью которых можно направленно перемещать огромные массы горных пород (для вскрытия месторождений полезных ископаемых, строительства каналов, набросных плотин, водоемов, искусственных гаваней и т. п.), требуют создания ядерных устройств и методов их детонации, гарантирующих отсутствие радиоактивного загрязнения атмосферы и полную безопасность биосферы. Камуфлетные Я осуществляются при заглублении заряда до нескольких км. Эти взрывы интенсифицируют разработку истощенных нефтяных и газовых месторождений, создают (в пластичных породах) емкости-хранилища (для природного газа, нефтепродуктов, захоронения отходов и т. п.), позволяют дробить крепкие рудные тела (для их извлечения), ликвидируют аварийные газовые и нефтяные фонтаны.

Лит.: Действие ядерного оружия, пер. с англ., М., 1960; Зельдович Я. Б., Райзер Ю. П., Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений, 2 изд., М., 1966; Коул Р., Подводные взрывы, пер. с англ., М., 1950; Подземные ядерные взрывы, пер. с англ., М., 1962; Я в космосе, на земле и под землей, пер. с англ., М., 1974; взрывы в мирных целях, М., 1970; Израэль Ю. А., Мирные ядерные взрывы и окружающая среда, Л., 1974.

		Новости 22.12.2024 20:51:41

	Copyright © 1999-2024 Oval.ru, All Rights Reserved.