На протяжении всей своей истории человек создавал совершенные инструменты для достижения целей. Взял дом: появился молоток. Потребность в комфорте и желание узнавать новое подталкивали разум к саморазвитию и обогащению. Но процветание общества не всегда означает мир и согласие между его членами. Иногда возникает необходимость доказать свою позицию не словами. Так родилась идея оружия. Наблюдая за природными процессами, люди создавали копья, луки, мечи, топоры. В ответ была выкована броня и сбиты щиты. Но по мере того, как научный прогресс начал набирать обороты, стали создаваться более совершенные типы «острых палочек». Все началось с пары, которая горила идеями найти новую: семью Кюри (рис. 1).
Рисунок 1. Пьер и Мария Кюри
В конце 19 века они занимались исследованиями странных минералов, что вызвало интерес научного сообщества. В 1896 году Анри Беккерель установил, что урановые руды способны излучать радиацию, но не смог объяснить природу ее появления. Все идеи закончились теорией годичной давности, разработанной Вильгельмом Рентгеном, которая объясняла появление излучения под воздействием внешних источников. Однако у теории было огромное слепое пятно в отношении природы странного излучения, испускаемого тяжелым веществом, добываемым в урановых карьерах. И вот супружеская пара поставила перед собой цель докопаться до истины. Постепенно и кропотливо пара перерабатывала тонны руды для извлечения очищенного металла. Через некоторое время им это удалось, и началась долгая серия экспериментов. Результаты их работы сильно повлияли на научное сообщество: они дали мощный толчок развитию классической физики и заложили основу для изучения ядерного синтеза (рис. 2). Многие умы столкнулись с этой проблемой, потому что энергия, содержащаяся в атомах, была огромной, а возможности ее использования безграничны. Любопытному уму Эрнеста Резерфорда удалось пролить свет на происходящее.
Рисунок 2. Исследования ядерного синтеза
Разработав эксперимент по рассеиванию частиц, он смог продемонстрировать двойную природу заряда атома. Положительный заряд был сосредоточен в ядре, а электронное облако вокруг него имело отрицательный заряд. Делать было немного: понять, как полученные знания могут быть использованы для получения выгоды. Ответ пришел из работы Эйнштейна. Выдвинутая им теория позволяла рассматривать материю как энергию, содержащуюся в атомных ядрах. Как позже выяснилось, в результате цепной реакции распада уран выделяет огромное количество энергии. После открытия этой связи последовала серия экспериментов, и началась работа над самым смертоносным типом оружия — атомной бомбой.
Поражающие факторы ядерного оружия
Принцип действия атомной бомбы основан на выделении энергии, заключенной внутри ядра химического элемента. Для осуществления этого процесса необходимо использовать нестабильные изотопы с большим атомным номером. Чем он выше, тем больше пар протон-нейтрон присутствует в ядре и, следовательно, больше энергии. Исследования показали, что уран-235 и плутоний-239 являются наиболее подходящими (рис. 3).
Рисунок 3. Уран-235 (слева) и плутоний-239 (справа)
Они хорошо подходят для производства, но есть проблема с их распространенностью в чистом виде. Если доля изотопа урана-235 в породах составляет 0,7% и с ним еще можно работать, то плутоний-239 в чистом виде вообще не существует. Их необходимо получать путем производства, обогащая уже имеющиеся стабильные элементы. Это происходит следующим образом: в ускорителе элементарных частиц или промышленном реакторе стабильный атом вещества бомбардируют нейтронами, чтобы искусственно увеличить его атомный номер. Процесс, который занимает много времени, но благодаря эксплуатации ядерных реакторов он значительно упрощается. Отходы их производства могут быть переработаны для получения обогащенного топлива. Уже обработанные ресурсы будут использованы для создания заголовка.
По принципу действия делятся несколько категорий снарядов:
- Двухфазные или водородные боеприпасы (рисунок 4). Механизм их работы основан на принципе последовательности RDS. Сначала происходит распад и деление тяжелых ядер, после чего, на второй стадии, это завершается термоядерным синтезом. В зависимости от стратегических потребностей их пропорции могут быть скорректированы для достижения определенного выхода энергии.
- Однофазное ядерное оружие, поражающие факторы ядерного взрыва ограничиваются выработкой энергии реакции ядерного деления с образованием легких элементов. Во время взрыва реагирует не все действующее вещество: от 50 до 80% примерно%;
Рис. 4. Водородная бомба и предположительно воронка после взрыва аналогичной бомбы во время испытаний
Также они могут отличаться механизмом воспламенения заряда:
- Имплозивного типа. Синхронизированные заряды ВВ расположены по каналам внутри сферической оболочки. Эти каналы называются взрывными линзами, и их функция заключается в фокусировке ударной волны для сжатия сердечника из активного материала. В конструкции используются медленные и быстрые типы веществ для достижения стабильной ударной волны на всех фронтах без отклонений. Любые задержки вызовут помехи и не взорвутся. Испытания показали, что это малоэффективный метод детонации и требует доработки;
- Гусиная шея. Это разновидность пули имплозивного типа, за исключением того, что баллончик не сферический, а продольный. Его форма близка к перекрещивающейся шее двух лебедей, от которых и произошло это название. Пенополистирол действует как внутренний наполнитель между источником заряда и активной частью. Ключевым свойством этого материала является замедление ударной волны и обеспечение последовательности детонации. Импульс, который проходит через него, координируется и достигает сферического контейнера с одинаковой скоростью по всей его поверхности. Это приводит к сжатию внутреннего наполнения и достижению критической массы. После чего взрывается ядерное оружие.
- Схема пушки для разгона заряда внутри полой трубы с помощью порохового заряда. Одна из активных частей приводится в движение детонацией пороха, ускоряясь по направлению ко второй части, называемой мишенью. После столкновения они достигают критической массы, и начинается взрыв. Для более эффективной работы устройства заряд замедляется до 200-300 метров в секунду;
При создании двухфазных бомб используется снаряд, отражающий нейтроны и усиливающий взрывной эффект — тампер. В ранних «грязных» типах ядерного оружия (рис. 5) поражающие факторы ядерного взрыва усиливались за счет подделки урана.
Рис. 5. Самая мощная водородная бомба в истории: Царь-Бомба и ее взрыв на полигоне Новая Земля
Поглотив некоторое количество быстрых нейтронов, он начал делиться. Ядерное оружие химического уничтожения работает по аналогичному принципу, в котором основная вредная роль сосредоточена на выбросе токсинов. В более поздних версиях пули стали использовать свинцовую или вольфрамовую гильзу, чтобы избежать ненужного загрязнения. Процессы, происходящие при взрыве, испускают широкий спектр различных видов излучения. Факторы поражения ядерного оружия имеют четкую последовательность, основанную на скорости распространения продуктов реакции в окружающей среде. За короткий промежуток времени ядерное оружие высвобождает неконтролируемый поток энергии разного рода.
Основные вредные факторы:
- Первый повреждающий фактор — световое излучение. Он появляется после того, как бушующее атомное пламя прорывается через оболочку бомбы и улетает вещество, нагретое до десятков тысяч градусов. Состав различается в зависимости от конструктивных особенностей, но общая черта взрывов в том, что они светят ярче солнца. И это свечение опасно. Способный оставлять на теле ожоги четвертой степени или даже полностью сжигать, он превышает сотни метров менее чем за наносекунду. Вся окружающая территория будет мгновенно сожжена;
- Второй наиболее разрушительный фактор в ядерном оружии — ударная волна. Возникший в результате сверхбыстрого расширения воздушных масс, вызванного стремительно растущим огненным шаром, он достигает пораженных участков через пару секунд. По мощности его можно сравнить с небольшим ураганом, переворачивающим автомобили;
- Повреждающие факторы ядерного оружия не ограничиваются легким сжиганием и ударными волнами. Остаточная радиация добавляет опасности. В результате лавинообразной цепной реакции распада ядер активного вещества побочные продукты распада выделяются во внешнюю среду. К ним относятся альфа, бета и гамма-излучение и определенный процент рентгеновского излучения;
- Боевые свойства и поражающие факторы ядерного оружия поистине впечатляют: разрушение зданий в мгновение ока (рис. 6), сжигание всего живого волной радиации и остаточное загрязнение окружающей среды. Помимо основных свойств есть кратер, оставленный взрывом и загрязнением почвы опасными токсинами.
Рисунок 6. Разрушение здания при ядерном взрыве
В зависимости от характера взрыва ядерного оружия типы поражающих факторов, которые достигают цели, могут различаться.
Выделяют следующие виды взрывов:
- Тропосферико, на высоте 12 км;
- На границе между термосферой и экзосферой;
- Вне земного воздушного пространства (в середине межпланетного пространства);
- На поверхности земной коры;
- Глубоко, в земной коре;
- Глубокие и поверхностные воды.
Повреждающие факторы ядерного оружия для каждого из этих типов будут разными, и огромную роль играет среда распространения. Например, подземный взрыв не будет иметь светового излучения, а глубоководный взрыв не будет иметь ударной волны.
Световое излучение
При таком мощном взрыве датчики температуры могут достичь запредельной высоты в 10 000 000 Кельвинов. Для сравнения, температура плавления вольфрама составляет 3625 градусов Кельвина. Этот перегрев превращает сталь в газ, и в процессе нагрева атомы теряют все испускаемые электроны в виде светового потока. Продолжительность появления лучей варьируется в зависимости от уровня мощности, от малых долей секунды до десятков единиц. Воздействие ядерного света на людей и животных вызывает ожоги различной степени тяжести, истощение сетчатки (рис. 7), а также плавление, обугливание и воспламенение материалов, которые не выдерживают высоких температур.
Рисунок 7. Последствия светового излучения от ядерного взрыва в Хиросиме
Огненный шар с высокой плотностью обладает поглощающей способностью, очень близкой к идеальному черному телу. Таким образом, в спектре преобладают ультрафиолет и рентгеновские лучи, и время среагировать и укрыться будет только в том случае, если вы заранее заметите падение бомбы. В противном случае световое излучение застает человека врасплох. Рядом непрозрачные материалы могут ослабить вредные факторы. Кирпичные и бетонные постройки, деревянные ящики, мебель, рельефы и разного рода пустоты в земле. В крайнем случае подойдет лист очень плотной ткани, многократно обернутый вокруг тела. Когда вокруг нет препятствий, следует лечь на живот, направив ноги к центру реакции и прикрыв лицо. Таким образом можно избежать ожогов и серьезных травм.
Проникающая радиация
Вторым по опасности элементом станут потоки частиц высоких энергий, появившиеся в результате ядерной реакции. Огромное количество смертельной и опасной для жизни ионизирующей радиации испускается за малые доли секунды. На величину радиуса взрыва в атмосфере влияет поглощение частиц окружающей средой. Самая большая опасность радиоактивного заражения — это просто взрыв на поверхности. Этот поток сохраняет свою смертоносность всего на 2,5 километра даже для зарядов, превышающих мощность бомб, сброшенных на Хиросиму и Нагасаки в 1945 году. Попадая в материалы, быстрые нейтроны разрушают кристаллические решетки и приводят к разрушению всей структуры твердого тела.
Рисунок 8. Материалы, способные замедлить поражающий фактор — проникающее излучение
Вещества, замедляющие распространение бета- и гамма-излучения, служат надежной защитой от такого вида воздействия. Бетон, сталь, свинец и даже кладка, в отсутствие лучшего решения, могут вдвое снизить разрушающий фактор (рис. 8). В крайнем случае для укрытия подходят глубокие резервуары, подвалы и толстые деревья.
Радиационное заражение
Следствием ядерного взрыва является не только загрязнение электромагнитного спектра в течение нескольких секунд, но и остаточное загрязнение (рис. 9).
Рисунок 9. Радиационное загрязнение и его последствия (Чернобыль)
Непрореагировавшая часть топлива и продукты распада основных веществ будут служить источниками наведенной радиации. Во время взрыва все это выбрасывается в атмосферу и в последующие дни выпадает с осадками. В результате металлические конструкции подвержены нарушениям атомной структуры: кузова, броня танков, железная дорога, поезда и железобетон.
Электромагнитный импульс
Излученный воздух ионизируется, и в результате образуется разница в зарядах и потенциалах. Это вызывает появление переменного волнового поля — электромагнитного импульса. Воздействие на организм человека минимальное, не вредное. Но электрические приборы на основе кремния, транзисторов и токопроводящих металлов — компьютеры и измерительное оборудование — перегорают, радиоаппаратура заклинивает, перегорают линии электропередач (Рисунок 10).
Рисунок 10. Схема влияния электромагнитного импульса при высотном ядерном взрыве
Очаг зоны поражения ядерного оружия
Зоны поражения ядерного оружия разделены по удаленности от очага реакции. Ущерб, нанесенный ядерным оружием, типы поражающих факторов и разрушение зданий обусловлены мощностью заряда и высотой взрыва над поверхностью земли. Земляные снаряды образуют кратер и стирают соседние постройки в радиусе нескольких десятков километров. На поражающую способность этого типа влияют неровности и холмистый ландшафт. Плотно застроенные поселения понесут гораздо больший ущерб, чем построенные с большой городской планировкой. Наибольшие разрушения происходят в двухкилометровом круге прямо в центре взрыва. Все это сопровождается возникновением массовых пожаров, деформациями строительных конструкций вдалеке. Ударная волна способна разбивать окна даже на расстоянии пяти километров. Чтобы избежать последствий поражающих факторов и массового бедствия, необходимо проследовать до ближайшего убежища глубиной не менее ста метров.
