Расчет параметров поражающих факторов ядерных взрывов

Расчет параметров поражающих факторов ядерных взрывов

Расчет параметров поражающих факторов ядерных взрывов

1. Теоретическая часть

Явление радиоактивности было открыто в 1896 году французским ученым Анри Беккерелем, В настоящее время оно широко используется в науке, технике, медицине, промышленности.

Поражающее действие ядерного оружия основано на использовании внутриядерной энергии, мгновенно выделяющейся при взрыве. В состав ядерного оружия входят ядерные боеприпасы и средства их доставки к цели. Основу ядерного боеприпаса составляет ядерный заряд, мощность которого принято выражать тротиловым эквивалентом. Под этим понимается количество обычного взрывчатого вещества, при взрыве которого выделяется столько же энергии, сколько ее выделится при взрыве данного ядерного боеприпаса. Его измеряют в десятках, сотнях, тысячах (кило-) и миллионах (мега-) тонн.

Ядерный взрыв способен мгновенно уничтожить или вывести из строя незащищенных людей, открыто стоящую технику, сооружения и различные материальные средства.

Основные поражающие факторы ядерного взрыва - это ударная волна, световое излучение, проникающая радиация, радиоактивное заражение местности, электромагнитный импульс.

Ударная волна. Основной поражающий фактор ядерного взрыва. Большинство разрушений и повреждений сооружений, зданий, а также поражения людей обусловлены, как правило, ее воздействием. Источник ее возникновения - огромное давление, образующееся в центре взрыва и достигающее в первые мгновения миллиардов атмосфер. Образовавшееся давление, стремительно распространяясь, наносит поражение всему живому и вызывает огромные разрушения и пожары. Передняя граница сжатого слоя воздуха называется фронтом ударной волны.

Степень поражения ударной волной людей и различных объектов зависит от мощности и вида взрыва, а также от расстояния, на котором произошел взрыв, рельефа местности и положения объектов на ней.

Незащищенные люди могут, кроме того, поражаться летящими с огромной скоростью осколками стекла и обломками разрушаемых зданий, падающими деревьями, а также разбрасываемыми частями боевой техники, комьями земли, камнями и другими предметами, приводимыми в движение скоростным напором ударной волны. Наибольшие косвенные поражения будут наблюдаться в населенных пунктах и в лесу. Ударная волна способна наносить поражения и в закрытых помещениях, проникая туда через щели и отверстия.

Поражающее действие ударной волны характеризуется величиной избыточного давления. Это разность между максимальным давлением во фронте ударной волны и нормальным атмосферным давлением перед фронтом волны. Оно измеряется в ньютонах на квадратный метр (Н/м2), в Паскалях (Па). Они соотносятся следующим образом: 1 Н/м2 = 1 Па = 0,01 кгс/см2.

Поражения, наносимые ударной волной, подразделяются на легкие, средние, тяжелые и крайне тяжелые. При избыточном давлении 20 - 40 кПа незащищенные люди могут получить легкие поражения (легкие ушибы и контузии). Воздействие ударной волны с избыточным давлением 40 - 60 кПа приводит к поражению средней тяжести, которое сопровождается потерей сознания, повреждением органов слуха, сильными вывихами конечностей, кровотечением из носа и ушей. Тяжелые поражения возникают при избыточном давлении свыше 60 кПа. Они характеризуются сильными контузиями всего организма, переломами конечностей, поражением внутренних органов. Крайне тяжелые поражения, нередко со смертельным исходом, наблюдаются при избыточном давлении свыше 100 кПа.

Скорость движения и расстояние, на которое распространяется ударная волна, зависят от мощности ядерного взрыва. С увеличением расстояния от места взрыва скорость быстро падает. Так, при взрыве боеприпаса мощностью 20 кт ударная волна проходит 1 км за 2 с; 2 км - за 5 с, 3 км - за 8 с. За это время человек после вспышки может укрыться и тем уменьшить вероятность поражения ударной волной или вообще избежать поражения.

Световое излучение. Представляет собой поток лучистой энергии, включающий ультрафиолетовые, видимые и инфракрасные лучи. Источником светового излучения является светящаяся область, состоящая из раскаленных продуктов взрыва и раскаленного воздуха. Яркость светового излучения в первую секунду в несколько раз превосходит яркость Солнца. Поглощенная энергия светового излучения переходит в тепловую, что приводит к разогреву поверхностного слоя окружающих материалов. Нагрев может быть настолько сильным, что возможно обугливание или воспламенение горючего материала, растрескивание или оплавление негорючего. Все это может привести к огромным пожарам. Кожный покров человека также поглощает энергию светового излучения, за счет чего может нагреваться до очень высокой температуры и получать ожоги.

Ожоги возникают в первую очередь на открытых участках тела, обращенных в сторону взрыва. Если смотреть в сторону взрыва незащищенными глазами, то возможно поражение глаз, приводящее к полной потере зрения. Ожоги, вызываемые световым излучением, не отличаются от обычных, вызываемых огнем или кипятком. Они тем сильнее, чем меньше расстояние до взрыва и чем больше мощность боеприпаса. При воздушном взрыве поражающее действие светового излучения больше, чем при наземном взрыве той же мощности. В зависимости от воспринятого светового импульса ожоги делятся на три степени. Ожоги первой степени проявляются в поверхностном поражении кожи: покраснении, припухлости, болезненности. При ожогах второй степени на коже появляются пузыри. При ожогах третьей степени наблюдаются омертвление не только кожи, но и глубоко лежащих тканей.

При воздушном взрыве боеприпаса мощностью 20 кт и прозрачности атмосферы порядка 25 км ожоги первой степени будут наблюдаться в радиусе 4,2 км от центра взрыва; при взрыве заряда мощностью 1 Мт это расстояние увеличится до 22,4 км. Ожоги второй степени проявляются на расстоянии 2,9 и 14,4 км и ожоги третьей степени - на расстояниях 2,4 и 12,8 км соответственно для боеприпасов мощностью 20 кт и 1 Мт.

Световое излучение не проникает через непрозрачные материалы, поэтому любая преграда, способная создать тень, защищает от прямого воздействия светового излучения и исключает ожоги. Значительно ослабляется световое излучение в запыленном (задымленном) воздухе, в туман, дождь, снегопад.

Проникающая радиация. Представляет собой невидимый поток У-лучей и нейтронов, исходящих из зоны ядерного взрыва. Нейтроны и У-лучи распространяются во все стороны от центра взрыва на сотни метров. С увеличением расстояния от взрыва количество У-лучей и нейтронов, проходящих через единицу поверхности, уменьшается. При подземном и подводном ядерных взрывах действие проникающей радиации распространяется на значительно меньшие расстояния, чем при наземных и воздушных взрывах. Это объясняется поглощением потока нейтронов и У-лучей землей и водой. Зоны поражения проникающей радиацией при взрывах ядерных боеприпасов средней и большой мощности несколько меньше зон поражения ударной волной и световым излучением. Для боеприпасов с небольшим тротиловым эквивалентом (1000 т и менее) зоны поражающего действия проникающей радиацией превосходят зоны поражения ударной волной и световым излучением.

Поражающее действие проникающей радиации определяется способностью У-лучей и нейтронов ионизировать атомы среды, в которой они распространяются. Проходя через живую ткань, У-лучи и нейтроны ионизируют атомы и молекулы, входящие в состав ее клеток. Это приводят к нарушению жизненных функций пораженных органов и систем. Под влиянием ионизации в организме возникают биологические процессы отмирания и разложения клеток. В результате развивается специфическое заболевание, называемое лучевой болезнью.

Для оценки ионизации атомов среды, а следовательно, и поражающего действия проникающей радиации на живой организм введено понятие дозы облучения (или дозы радиации). Единицей ее измерения служит рентген (Р) (в настоящее время в системе СИ ему соответствует Кл/кг). Дозе радиации 1 Р соответствует образование в одном кубическом сантиметре воздуха приблизительно 2 млрд. пар ионов.

В зависимости от дозы излучения различают три степени лучевой болезни.

Первая (легкая) степень возникает при получении человеком дозы от 100 до 200 Р. Она характеризуется общей слабостью, легкой тошнотой, кратковременным головокружением, повышением потливости. Личный состав, получивший такую лозу, обычно не выходит из строя.

Вторая (средняя) степень лучевой болезни развивается при получении дозы 200 - 300 Р. В этом случае признаки поражения - головная боль, повышение температуры, желудочно-кишечные расстройства - проявляются более резко и быстро. Личный состав в большинстве случаев выходит из строя.

Третья (тяжелая) степень лучевой болезни возникает при дозе 300 Р. Она характеризуется тяжелыми головными болями, тошнотой, сильной общей слабостью, голово­кружением и другими недомоганиями. Тяжелая форма нередко приводит к смертельному исходу.

При прохождении через ту или иную среду действие проникающей радиации уменьшается. Ослабляющее действие принято характеризовать слоем половинного ослабления. Речь идет о такой толщине материала, которая уменьшает радиацию в два раза. Например, в два раза ослабляют интенсивность У-лучей сталь толщиной 2,8 см, бетон - 10 см, грунт - 14 см, древесина - 30 см.

Радиоактивное заражение. Обусловливается осколками деления вещества заряда и не прореагировавшей частью заряда, которые выпадают из облака взрыва, а также наведенной радиоактивностью. С течением времени активность осколков деления быстро уменьшается, особенно в первые часы после взрыва. Так, например, общая активность осколков деления при взрыве ядерного боеприпаса мощностью 20 кт через один день будет в несколько тысяч раз меньше, чем через одну минуту после взрыва. При взрыве ядерного боеприпаса часть вещества заряда не подвергается делению, а выпадает в обычном своем виде. Распад ее сопровождается образованием А-частиц. Наведенная радиоактивность обусловлена радиоактивными изотопами, образующимися в грунте в результате облучения его нейтронами, испускаемыми в момент взрыва ядрами атомов химических элементов, входящих в состав грунта. Образовавшиеся изотопы, как правило, радиоактивны. Распад многих из них сопровождается У-излучением. Периоды полураспада большинства из образующихся радиоактивных изотопов сравнительно невелики: от одной минуты до часа. В связи с этим наведенная радиоактивность может представлять опасность лишь в первые часы после взрыва и только в районе, близком к его эпицентру.

Основная часть долгоживущих изотопов сосредоточена в радиоактивном облаке, которое образуется после взрыва. Высота поднятия облака для боеприпаса мощностью 10 кт равна 6 км, для боеприпаса мощностью 10 Мт она достигает 25 км. По мере движения облака из него выпадают сначала наиболее крупные частицы, а затем все более мелкие, образуя по пути движения зону радиоактивного заражения, так называемый след облака. Раз­меры следа зависят главным образом от мощности ядерного боеприпаса, а также от скорости ветра и могут достигать в длину несколько сотен и в ширину нескольких десятков километров.

Поражения внутреннего облучения появляются в результате попадания радиоактивных веществ внутрь организма через органы дыхания и желудочно-кишечный тракт. Они вступают в непосредственный контакт с внутренними органами и могут вызвать лучевую болезнь. Характер заболевания зависит от количества радиоактивных веществ, попавших в организм.

Единицей измерения поглощенной дозы (Дп) является рад, 1 рад = 100 эрг/г. В системе СИ новой единицей поглощенной дозы является грей (Гр); 1 Гр = 100 рад. Для мягких тканей поле рентгеновского и У-излучения поращенная доза 1 рад примерно соответствует экспозиционной дозе 1 Р, т.е. 1 Р = 1 рад (точнее - 0,88 рад).

Радиобиологический эффект поглощенной дозы тем выше, чем плотнее создаваемая излучением ионизация. Поэтому для количественной оценки этого влияния введено понятие «относительная биологическая эффективность» (ОБЭ), или коэффициент качества (Кк) излучения. В этом случае эквивалентная доза (Дэкв) равна произведению Дп • Кк. Единицей измерения эквивалентной дозы (Дэкв) является биологический эквивалент рада (бэр), 1 бэр = 1 рал Д • К. В системе СИ новой единицей эквивалентной дозы является зиверт (Зв), 1 Зв = 100 бэр. Коэффициент качества ионизирующего излучения, по определению, для У- и 3-излучений равен 1, для протонов и быстрых нейтронов - от 3 до 10, для A-частиц - 20.

Обычную дозу облучения определяют за какой-либо промежуток времени, называемый временем облучения (время пребывания людей на зараженной местности). Для оценки интенсивности У-излучения, испускаемого радиоактивными веществами на зара­женной местности, введено понятие «уровень радиации» (мощность дозы излучения). Уровни радиации можно измерить в рентгенах в час (Р/ч), небольшие уровни радиации - в миллирентгенах в час (мР/ч) или в радах в час (рад/ч), в миллиардах в час (мрад/ч), в микрорадах в час (мкрад/ч).

Степень радиоактивного заражения местности и размеры заражения при ядерном взрыве зависят от мощности и вида взрыва, метеорологических условий, а также от характера местности и грунта. Заражение местности условно делится на зоны. Прежде всего эта зона чрезвычайно опасного заражения. На внешней границе этой зоны доза радиации (с момента выпадения радиоактивных веществ из облака на местность до полного их распада) равна 4000 рад, уровень радиации через 1 ч после взрыва - 800 рад/ч. Далее следует зона опасного заражения. На внешней границе зоны доза радиации равна 1200 рад, уровень радиации через 1 ч после взрыва - 240 рад/ч. На внешней границе зоны сильного заражения доза радиации - 400 рад, уровень радиации через 1 ч после взрыва - 80 рад/ч. Наконец, зона умеренного заражения. На внешней ее границе доза радиации 40 рад, уровень радиации через 1 ч после взрыва - 8 рад/ч.

В результате воздействия ионизирующих излучений также, как и при воздействии проникающей радиации, у людей возникает лучевая болезнь. Доза 100 - 200 рад вызывает лучевую болезнь первой степени, доза 200 - 400 рад - лучевую болезнь второй степени, доза 300 - 600 рад - лучевую болезнь третьей степени, доза свыше 600 рад - лучевую болезнь четвертой степени.

Электромагнитный импульс. Это электрические и магнитные поля, возникающие в результате воздействия У-излучения ядерного взрыва на атомы окружающей среды и образования в этой среде потока электронов и положительных ионов. Они могут вызвать повреждение радиоэлектронной аппаратуры, нарушить работу радио- и радиоэлектронных средств. Разряд полей на человека (при контакте с аппаратурой) может вызвать его гибель.

2. Практическая часть

2.1 Общие положения

Параметры поражающих факторов рассчитываются на основании данных о произведенном или предполагаемом ядерном взрыве (вид, мощность, место взрыва) и метеорологических условий.

Первоначально определяют расстояния (действительные или прогнозируемые) от центра (эпицентра) взрыва до объекта экономики.

На рис. 1 приведены исходные данные и способ оценки возможных расстояний от предполагаемых центров взрыва до объекта экономики (тракторного завода Тр), расположенного в городе N:

точка прицеливания Ц;

радиус рассеивания R_рас;

вероятные центры взрывов 1 и 2;

минимальное R_min и максимальное R_max расстояния от возможных центров ядерных взрывов.

В работе необходимо рассчитать избыточные давления, световые импульсы и дозы проникающей радиации, возникающие на объекте экономики для двух случаев: при нахождении центра ядерного взрыва (Схема расположения объекта показана на рисунке) на максимальном и на минимальном расстояниях от объекта, то есть в точках 1 и 2.

Исходные данные для расчёта приведены в табл. 5.

.2 Порядок проведения расчетов

ядерный ударный радиоактивность излучение

Определение избыточного давления и светового импульса

При прогнозировании параметров ударной волны и светового излучения берётся весь диапазон избыточных давлений и световых импульсов, нижний предел которых определяется по максимально возможному расстоянию, а верхний - по минимально возможному расстоянию от центра (эпицентра) взрыва данной мощности.

Пример. Объект находится в 7,6 км к югу от центра предполагаемого наземного ядерного взрыва мощностью 1 Мт; ожидаемый радиус круга рассеивания R_рас = 2,2 км (с вероятностью попадания в цель 90%). Определить значение параметров ударной волны и светового излучения, которые могут воздействовать на объект. Наиболее вероятные метеорологические условия: ветер восточный, скорость 5 м/с, видимость - до 5 км.

Решение. 1. Минимальное расстояние от центра взрыва R_min= 7,6 - 2,2 = 5,4 км; максимальное расстояние R_max = 7,6 + 2,2 =9,8 км.

. По табл. 2 для наземного ядерного взрыва мощностью 1 Мт находим избыточное давление на расстоянии 5,4 км - 30 кПа, на расстоянии 9,8 км - 12 кПа. Так как, в табл. 2 даны избыточные давления не для всех значений расстояний до центра взрыва, то для таких значений расстояний, которых нет в таблице, необходимо производить интерполяцию. Интерполяция (в данном случае) - нахождение промежуточных искомых значений в интервале между известными значениями, которые выбираются из таблицы.

. По табл. 3 находим световой импульс при ясной погоде на расстоянии 5,4 км - 1180 кДж/м², на расстоянии 9,8 км - 330 кДж/м². При необходимости также проводится интерполяция.

. При видимости до 5 км (см. табл. 4) значения светового импульса изменяются и будут равны 1180 ∙ 0,36 = 425 кДж/м² и 330 ∙ 0,36 = 120 кДж/м² соответственно.

Таким образом, на объект экономики можно ожидать воздействие избыточных давлений во фронте ударной волны от 12 до 30 кПа и световых импульсов от 120 до 425 кДж/м².

Расчет доз проникающей радиации

Проникающая радиация представляет собой поток гамма-лучей и нейтронов. Гамма-излучение делится на захватное, осколочное и мгновенное. Мгновенное гамма-излучение образуется в момент деления ядер урана или плутония в течение десятых долей микросекунды (10^-6-10^-7 с). Мгновенное гамма-излучение является главным источником высокой мощности экспозиционной дозы гамма-излучения, однако, его роль в накоплении общей экспозиционной дозы очень мала. Мощность экспозиционной дозы гамма-излучения равна

R _Y = 1 ∙ 10¹³ ∙ g ∙ e^-R/200 / R², (1)

где R_Y - мощность экспозиционной дозы, Р/с; g - мощность ЯВ, кт.

Доза гамма-излучения определяется действием захватного и осколочного излучений гамма-квантов. Захватное гамма-излучение возникает за счет реакции захвата нейтронов ядрами окружающей среды (азота воздуха) и по продолжительности своего действия после взрыва составляет доли секунды. Источник осколочного гамма-излучения - продукты деления, образующиеся около центра взрыва. Продолжительность его действия 10 - 15 с. Общая формула для расчета экспозиционной дозы гамма-излучения имеет вид:

D_Y = D_з + D_оск = (К_з ∙ е ^{-R / Lз} + К _оск ∙ е ^{-R / Lоск}) / R², (2)

где D_Y - экспозиционная доза гамма-излучения, Р;

D_з и D_оск - экспозиционные дозы захватного и осколочного гамма-излучений соответственно;

К_з и К _оск - множители этих излучений, учитывающие мощность взрыва; R - расстояние от центра взрыва, м;

L_з и L_оск - эффективные длины поглощения энергии гамма-излучений, т.е. расстояния, на которых дозы излучения ослабляются в е = 2,718 раз, для захватного излучения L_з = 410 м, для осколочного L_оск = 300 м (при нормальном атмосферном давлении).

Эффективная длина поглощения энергии гамма-излучения увеличивается прямо пропорционально уменьшению плотности воздуха. При увеличении высоты через каждые 16 км плотность воздуха будет уменьшаться примерно в 10 раз. Следовательно, эффективная длина поглощения энергии гамма-излучения будет соответственно увеличиваться в 10 раз.

Для взрывов на больших высотах (в космосе) при расчетах мощностей и доз излучений экспоненциальный множитель в формулах (1) и (2) будет отсутствовать, так как он практически равен единице.

Множитель К в формуле (2) для захватного гамма-излучения прямо пропорционален мощности взрыва и равен К_з = 5∙10⁸∙g, для осколочного излучения - прямо пропорционален мощности взрыва и зависит от воздействия ударной волны (фактора полости);

К_оск = 1,4∙10⁹ ∙ g ∙ (1+ 0,2 ∙ g^{0, 65}),

где g - мощность ядерного взрыва, кт.

Определение избыточных давлений во фронте ударной волны для ядерного взрыва мощностью 1 Мт

Определение возможных световых импульсов на объекте экономики

Коэффициенты прозрачности для различных состояний атмосферы

.3 Задание на практическую работу

Исходные данные для определения параметров ядерного взрыва

Примечание: мощность ядерного взрыва, 1 Мт, тип ядерного взрыва: Н - наземный, В-воздушный

Примечание: мощность ядерного взрыва, 1,0 Мт, тип ядерного взрыва: Н - наземный, В-воздушный

Примечание: мощность ядерного взрыва, 2 Мт, тип ядерного взрыва: Н - наземный, В-воздушный.