Атомное облако ядерного взрыва, воронка и поражающие факторы

Атомное облако от ядерного взрыва, воронка и поражающие факторы

Предыдущая статья: «Цепная реакция при ядерных взрывах. Мощность и загрязнение.» : https://radiation-info.com/ru/2022/08/11/czepnaya-reakcziya-pri-yadernyh-vzryvah-moshhnost-i-zagryaznenie/

При ядерном взрыве в результате ядерных реакций за очень короткое время в небольшом объеме выделяется огромное количество энергии, вследствие чего температура здесь достигает нескольких миллионов градусов. Все материалы, входящие в бомбу, и часть захваченного грунта испаряются. Образуется так называемый огненный шар, который в первые мгновения представляет собой равномерно нагретую сферу небольшого объема. Затем происходит расширение объема при одновременном поднятии огненного шара вверх. Так, спустя 0,7 мсек после взрыва бомбы с тротиловым эквивалентом 1 мегатонна огненный шар имеет радиус около 70 м, а через 10 сек его радиус достигает максимальной величины около 1км.

При наземном взрыве огненный шар касается поверхности земли. В результате воздействия высокой температуры и давления ударной волны в огненный шар вовлекается  большое количество грунта, находящегося на территории, где произошел взрыв. Образуется большая воронка. Так, например, для сухого грунта при поверхности взрыва  бомбы с тротиловым эквивалентом 1 килотонна диаметр воронки составит примерно 38 м, а глубина 7,5м.

Формирование облака.

Грунт, осколки бомбы и попавшие в центральную зону предметы быстро поднимаются вверх, увлекаемые огненным шаром и восходящими потоками воздуха. Так, огненный шар от взрыва бомбы с тротиловым эквивалентом 1 мегатонна имеет скорость подъёма в первую минуту около 400 км/час, а через 4 минуты — около 100 км/час, а через 4 минуты — около 100 км/час [Вилькен (Wilkens), 1050]. В процессе подъёма огненный шар с захваченными веществами охлаждается, перестает светиться и образует атомное облако. Облако продолжает ещё некоторое время подниматься. Когда подъём облака замедляется, оно расширяется, принимая грибообразную форму, где «ножка» гриба — столб пыли, образовавшийся при подъёме, а «шляпка» — расширившиеся облако.

При наземном взрыве «ножка» будет представлена столбом, состоящим из падающей земли, которая была поднята в облако. Высота подъёма, вертикальный размер и диаметр облака зависят от мощности взрыва и от метеорологических условий (рис.4).

Влияние тропопаузы на формирование облака.

На формирование облака некоторое влияние оказывает высота расположения тропопаузы. Тропопаузой называется граница между тропосферой и стратосферой. Высота её зависит от времени года и широты местности. Так, в тропических широтах высота тропопаузы составляет в среднем около 15-18 км, а в средних широтах 8-9км. Летом тропопауза располагается на 2-4 км выше, чем зимой. Полагают (2), что в стратосферу проникает только облако от наземных взрывов бомб, мощность  которых выше 1 мегатонны и от высоких воздушных взрывов.

На разных высотах в атмосфере направления и скорости ветра различны, в результате этого возможно расслаивание и разрыв облака на несколько отдельных частей.

Из диаграммы, приведённой на рис.4, видно, что облако от взрыва бомбы мощностью 20 килотонн достигает высоты 2-4км, мощностью 1 мегатонна — высоты около 17км и т. д. Чтобы установить высоту подъема атомного облака при воздушном взрыве к высоте подъема, определенной по графику, прибавляют высоту, на которой был произведен взрыв.

Частицы атомного облака.

Частицы грунта, захваченные во время ядерного взрыва, претерпевают следующие изменения. Попавшие в центральную часть огненного шара частицы при температуре, исчисляемой несколькими миллионами градусов, испаряются: частицы, попавшие в область с меньшей температурой, оплавляются. Большое количество раздробленного грунта подхватывается восходящими потоками воздуха, вносится в облако и перемешивается в нем. При охлаждении частицы испарившегося и расплавленного грунта превращаются в каплевидные или шарообразные частицы, часто налипающие на нерасплавленные частицы грунта.

В зависимости от размера поднятые частицы распределяются по-разному в разных частях атомного облака. Частицы грунта размером 80 µ  находятся главным образом в «ножке» атомного гриба, частицы размером 80—150 µ составляют большинство в нижней части облака, а частицы менее 80 µ составляют примерно 70% от всей массы частиц в «шляпке» гриба.

Состав радиоактивного облака.

Состав радиоактивных частиц облака зависит в основном от состава грунта, находящегося в месте взрыва. Во время проведения испытаний ядерного оружия были тщательно изучены способ образования, состав и характерные особенности радиоактивных частиц.

Часть захваченных огненным шаром материалов испаряется, другая часть интенсивно перемешивается в «ножке» и атомном облаке. Испарившиеся материалы по мере охлаждения  конденсируются или непосредственно, или на окружающих неиспарившихся частицах. В основном в литературе описаны два вида частиц: образовавшиеся при наземных взрывах, проведенных на известковых почвах и проведенных на песчаных почвах [Адамс, Фалоу, Шелл (Adams, Farlow, Schell, 1960)].

Частицы первого вида.

Радиоактивные частицы первого вида образовались при испытательных взрывах на атоллах Эниветок и Бикини. По своей форме эти частицы были двух типов: угловатые и сферические с размером от нескольких микронов до 1 мм и более. Плотность их зависела от плотности кальциевых соединений и включений пузырьков воздуха или газов и колебалась от 2 до 2,8 г/см3.

Угловатые частицы состояли в основном из мелкозернистой окиси кальция, часто с вкраплениями неизмененного коралла. Радиоактивные изотопы всегда более или менее равномерно покрывали поверхность частиц, слегка диффундируя внутрь. За исключением нескольких случаев, когда радиоактивность обусловливалась налипшими на угловатые частицы шариками черного цвета (размером от 10 р и менее), источники радиоактивности не были видны даже при большом увеличении.

Сферические частицы состояли в основном из окиси кальция, покрытой тонким слоем карбоната кальция. Радиоактивность распределялась неравномерно по всему объему этих частиц.

Угловатые частицы образовались при температуре 800—900°, а сферические — 2570° (температура плавления кальциевых соединений, составляющих частицы).

Частицы второго вида.

Частицы второго вида были собраны и изучены при испытательных взрывах на полигоне в штате Невада (США) ив Австралии. Эти частицы состоят из стекла, которое образовалось от сплавления силикатных почвенных материалов. Радиоактивные частицы были двух видов: прозрачные шарики желто-зеленого цвета и темные желто-коричневые неправильной формы, не отличавшиеся по виду от первоначальной почвы. Оба вида‚ частиц имели диаметр 2—3 мм и менее. Прозрачные шарики содержали радиоактивность, гомогенно распределённую по всему объекту.

Очевидно, они образовались из поверхностных почвенных минералов нагретых до жидкого состояния.

Неправильные частицы, как обнаружилось в тонких срезах, состоят из прозрачного светло-коричневого и бесцветного со случайными зонами темно-коричневого и черного цвета стекла. Они содержат включения несплавленных частиц и пузырьков воздуха и выглядят так, как если бы они образовались из пенистой вязкой смеси сплавленной с нерасплавленными почвенными минералами.

Распределение радиоактивности в атомном облаке.

Радиоактивность распределена неравномерно по всем частицам, наибольшая радиоактивность отмечена в зонах с самым интенсивным окрашиванием.

Во время радиохимических и спектрометрических анализов изотопного состава радиоактивных частиц было обнаружено, что имеется некоторое различие между частицами разных типов. Радиоактивные изотопы конденсируются на угловатых частицах в более холодной части огненного шара и позже, чем на сферических.

Очевидно, что угловатые частицы будут получать меньше радиоактивности и что эффект разделения изотопов скажется в конденсации и захвате ими более поздних радиоактивных продуктов распада, произошедших из короткоживущих изотопов.

Выпадения из атомного облака.

Все частицы , поднятые при ядерном взрыве, со временем падают обратно. Скорость выпадения е место приземления частиц от точки взрыва зависят от размера частиц и скорости ветра на пути этих частиц.

Все выпадения радиоактивных осадков можно разделить на три основных вида [Вилькенс, 1959; Либби (Libby, 1956)].

Местные.

Местные — с крупным размером частиц. Эти осадки выпадают в течении 10-20 часов после взрыва на территории до 400-500 км от центра взрыва.

Полуглобальные.

Полуглобальные, или континентальные, осадки состоят из мелких частиц, попавших в верхние слои тропосферы. Выпадение этих частиц более медленное вследствие их малого диаметра (5 µ и менее). Они продолжают выпадать на землю в течение  2-3 недель с момента взрыва.

За это время облако успевает обойти земной шар. В полуглобальных осадках большая часть короткоживущих радиоактивных изотопов к моменту выпадения распадается.

Глобальные.

Глобальные осадки состоят из мелких частиц (менее Iµ), которые были внесены в стратосферу. Эти осадки выпадают очень медленно. Период их выпадения на поверхность земли по различным данным колеблется от полугода до 5—7 лет.

В дальнейшем будут рассматриваться те факторы опасности, которые возникают при выпадении местных осадков наземного ядерного взрыва. Однако все положения с некоторой поправкой можно применять ко всем видам радиоактивных осадков.

Как считают некоторые исследователи (Вилькенс, 1959), при наземном взрыве около 90 % всей поднятой массы грунта оседает вблизи места взрыва в виде местных осадков. Особые случаи возникают при смешивании радиоактивного и дождевого или снегового облаков.

В этом случае дождевые капли или снежинки захватывают радиоактивные частицы и ускоряют перенос их на землю. Полагают1, что эффективность захвата радиоактивных частиц дождевыми каплями и снежинками одинакова.

При действии дождя на облако взрыва могут возникать локальные пятна загрязнений. Например, как показали расчеты и наблюдения, проведенные в США в 1955 г., около 2996 всех частиц с диаметром 10 µ вымываются дождем с интенсивностью 1 мм/час за 1/4  часа.

1 См.: Метеорология и атомная энергия. Под ред. Е К. Федорова. Издательство иностранной литературы.

 

Из книги:

ЗАЩИТА ОТ РАДИОАКТИВНЫХ ОСАДКОВ под редакцией А.И.Бурназяна

Р.В, Петров, В.Н. Правецкий, Ю.С. Степанов, М.И. Шальнов

Государственное издательство медицинской литературы Москва -1963

Ссылка на основную публикацию