Осередок ядерного ураження

Отже, осередок ядерного ураження виникає при застосуванні ядерної зброй – до сьогодні найпотужнішої зброї масового знищення.

Ядерною зброєю називається зброя, вражаюча дія якої заснована на використанні внутрішньоядерної енергії, що виділяється в результаті вибухових процесів реакцій розділу або синтезу ядер хімічних елементів.

Внутрішньоядерна енергія виділяється в момент ядерного вибуху. Вона зв'язує нуклони (протони і нейтрони) у ядрі і її дія виявляється на дуже малих відстанях, порівняних із розмірами нуклонів.

Можливість виділення внутрішньоядерної енергії обумовлена такими природними властивостями хімічних елементів:

- атомні ядра різних ізотопів мають різну середню енергію зв'язку їх нуклонів. Питома енергія зв'язку, що припадає на 1 нуклон спочатку зростає із збільшенням масового числа і досягає максимуму для хімічних елементів приблизно середини періодичної системи Д.І. Менделєєва, потім поступово зменшується (найбільша енергія зв'язку між нуклонами: Е_МАХ = 8,75 Мэв)

- перетворення ядер з меншою енергією зв'язку нуклонів на ядра з більшою енергією зв'язку супроводжується виділенням енергії, кількість якої дорівнює різниці енергій зв'язку в нових і старих ядрах (радіус дії енергії зв’язку складає лише 1,4*10^-13см)

Ці властивості дозволяють виділити внутрішньоядерну енергію в результаті розділу важких елементів або синтезу ядер легких елементів.

Розділ атомних ядер може відбуватися мимовільно або при впливі на них елементарних часток або легких ядер.

Для одержання ядерного вибуху використовують розділ ядер важких ізотопів, що відбувається при впливі на них нейтронів будь-яких енергій. Реакція розділу ядра відбувається з високою швидкістю(за 10^-15- 10^-14 с); супроводжується виділенням великої кількості енергії (порядку 200 Мэв) і викидом 2^х або більш нейтронів, спроможних викликати розділ інших ядер.

У великій масі таких ядер під впливом нейтронів будь-яких енергій виникає ланцюгова реакція розділу, що може саморозвиватися, яка супроводжується лавиноподібним процесом наростання числа ядер, що діляться, і виділенням унаслідок цього великої кількості енергії протягом малого проміжку часу. Такі ядра називають тими, що діляться (U²³⁵, U²³³, Pu²³⁹, Pu²⁴¹)

Ізотопи з граничним характером розділу (U²³⁸) діляться тільки при впливі так званих швидких нейтронів(з енергією декілька Мэв)

Уран і плутоній, які використовуються як ядерне паливо, радіоактивні, схильні до вільного альфа-розпаду і спонтанного розділу.

Для кожної речовини, що ділиться, існує своя мінімальна маса, при якій можливе протікання ланцюгової реакції розділу, що самопідтримується. Її називають критичною. Вона залежить від:

- форми речовини, що ділиться;

- його густини; чистоти; об’єму.

Критична маса у формі кулі речовини, що ділиться, є найменшою стосовно інших геометричних форм рівного обсягу. Критична маса U²³⁵ дорівнює приблизно 40 - 60 кг.; Pu²³⁹-10 - 20 кг.

Значення критичної маси можна значно зменшити, якщо речовину, що ділиться, оточити відбивачем нейтронів.

Щоб відбувся вибух, маса речовини, що ділиться, повинна бути надкритичною.

Устрої, призначені для здійснення вибухового процесу звільнення внутрішньоядерної енергії, називаються ядерними зарядами.

За принципом переводу речовини, що ділиться, у надкритичний стан атомні заряди діляться на заряди гарматного й імплозивного типу.

Потужність ядерних боєприпасів прийнято характеризувати тротиловим еквівалентом. Це така маса тротилу, енергія вибуху якого дорівнює енергії, що виділяється при повітряному вибуху ядерного заряду.

За потужністю вибуху ядерні боєприпаси умовно діляться на 5 діапазонів (або калібрів):

Надмалий – потужністю до 1 кт

Малий - от1 до 10 кт

Середній - от10 до 100 кт

Значний - від 100 до 1000 кт (до 1 Мт)

Надзначний - понад 1 Мт

Вибух будь-якого ядерного заряду починається з ланцюгової реакції поділу атомних ядер. В ядерної бомбі для проведення вибуху обов’язкова наявність: надкритичної маси речовини, джерелу нейтронів, відбивачу нейтронів. В ядерному заряді речовина, що ділиться знаходиться в некритичному стані – або поділеною на кілька часток, або в розрідженому стані. Нейтрони, які випромінюються джерелом, попадаючи в речовину ділення, не викликають початок ланцюгової реакції.

При здійсненні ядерного вибуху маса ділення переводиться в надкритичний стан, нейтрони з джерела нейтронів, попадаючи в таку масу, захоплюються ядрами радіоактивної речовини, відбувається так звана реакція захвату ядром нейтронів. Починається ділення ядра речовини, яке супроводжується виділенням уламків ділення, 2 – 3 нейтронів і великої кількості енергії.

Спочатку енергія виділяється у виді кінетичної енергії часток, що утворилися(це осколки речовини, що ділиться, нейтрони розділу) і енергії гама - квантів. Зазначені частки і гамма-кванти, при взаємодії з атомами речовини заряду, що не прореагували, оточуючим середовищем і повітрям передають велику частину своєї енергії, у результаті чого температура в центрі вибуху підвищується до декількох мільйонів градусів, а максимальний тиск досягає мільярдів атмосфер. Через високу температуру все, що знаходиться в центрі ядерного вибуху переходить у розпечений, плазменний стан. Розпікаються також прилеглі прошарки повітря - утворюється світова область ядерного вибуху, що є джерелом світлового випромінювання.

Величезний тиск, що утворився в центрі вибуху, стискує навколишні прошарки середовища, створюючи фронт ударної хвилі.

Нейтрони і гама - кванти, що викидаються із зони ядерного вибуху складають проникаючу радіацію.

Ядерні вибухи можуть провадитися в різному середовищі - в повітрі, на поверхні землі, під землею (водою). І в залежності від цього розрізняють такі види ядерних вибухів: висотні; повітряні; наземні, надводні; підземні, підводні.

Висотний - це вибух зроблений вище меж тропосфери (понад 10 км) Іноді його розділяють на стратосферний - висота 10 - 80 км, і космічний - вище 80 км.

Повітряний - вибух зроблений у повітрі на такій висоті, коли область, що світиться, не торкається поверхні землі. Висота визначається по співвідношенню 3,5 < H < 10 км (при Н < 20 км пиловий стовп наздоганяє хмара).

Рисунок 2.1 – Види ядерних вибухів, а – повітряний; б – наземний; в – підземний; г – підводний.

Наземний - вибух, зроблений або контактно на поверхні землі, або в повітрі на такій висоті, коли область, що світиться торкається землі. Н < 3,5 , при Н < 0,5 - утвориться воронка.

Підземний - вибух, зроблений нижче рівня землі.

Вражаючі чинники ядерного вибуху - ударна хвиля, світлове випромінювання. проникаюча радіація, радіоактивне зараження місцевості, електромагнітний імпульс.

Ударна хвиля - це область сильного стиску середовища, що поширюється на всі боки від центру ядерного вибуху з надзвуковою швидкістю. Швидкість проходження фронту ударної хвилі для боєприпасів середньої потужності складає(приблизно) - перший кілометр - за 2 сек., кожний наступний - за 3 сек.

Основні параметри ударної хвилі -

- Надлишковий тиск у фронті ударної хвилі - це різниця між тиском у фронті ударної хвилі і атмосферним. Вимірюється в системі СІ в Па (кПа.)

- Тиск швидкісного напору - це динамічне навантаження, що утворюється потоком повітря, що рухається, також вимірюється в Па.

- Час дії швидкісного напору - біля 3 сек.

Надлишковий тиск людина відчуває як різкий поштовх або удар. При цьому люди можуть одержувати травми різних ступенів:

- Легкі - при надлишковому тиску 20 - 40 кПа. (легка контузія, тимчасова втрата слуху, забиті місця, вивихи).

- Середньої ваги - при тиску 40 - 60 кПа. (травми мозку з втратою свідомості, ушкодження органів слуху, кровотеча з носа і вух, переломи і вивихи кінцівок)

- Важкі і вкрай важкі травми - при тиску 60 - 100 кПа. і понад 100 кПа. (травми мозку з тривалою втратою свідомості, ушкодження внутрішніх органів, важкі ушкодження кінцівок і ін.)

Світлове випромінювання - це потік електромагнітного випромінювання, що включає ультрафіолетову, видиму й інфрачервону області спектра. Джерелом світлового випромінювання є область ядерного вибуху, що світиться. Час світіння можна визначити із співвідношення:

t = ³ g, сек.

Основний параметр світлового випромінювання - світловий імпульс. Це кількість прямої світлової енергії, що припадає на 1м² площі поверхні, перпендикулярної напрямку поширення світлового випромінювання. Вимірюється в Дж/м². Світлове випромінювання, падаючи на поверхню, передає їй свою енергію, викликаючи загоряння(нагрівання, вспучення, коробління, розтріскування, оплавлення); у людей виникають опіки різних ступенів.

У залежності від розміру світлового імпульсу(СІ) розрізняють 4 ступені опіків:

1 ступінь опіку виникає при величині світлового імпульсу 100-200 кДж/ м² – він викликає почервоніння шкіри, пухлини.

11 ступінь опіку виникає при світловому імпульсі 200 - 400 кДж/м² - спостерігається утворення пухирів.

111 ступінь при світловому імпульсі 400 - 600 кДж/м² - омертвіння глибоких прошарків шкіри.

1V ступінь при світловому імпульсі 600 і більше кДж/м² - обвуглювання.

Проникаюча радіація -- потік гамма–променів і нейтронів, які викидаються із зони протікання ланцюгової реакції розділу.

Радіус дії проникаючої радіації від декількох сотень метрів до декількох кілометрів(залежить від енергії випромінювання). Час дії - 15- 25 сек.

При проходженні через будь - яке середовище проникаюча радіація передає їй частину своєї енергії. Середовище, поглинаючи енергію, одержує дозу опромінення. В залежності від розміру поглиненої дози опромінення внаслідок зовнішнього g - опромінення людина може захворіти променевою хворобою. У залежності від отриманої дози радіації розрізняють чотири ступені променевої хвороби.

Променева хвороба першого (легкого) ступеня виникає при загальній поглиненій дозі 100 - 200 рентген. Інкубаційний період триває два - три тижні, після чого відчувається загальна слабкість, періодичне підвищення температури, почуття важкості в голові, нудота. У крові зменшується кількість білих кров'яних телець.

Хвороба другого ступеня - при дозі 200 - 400 рентген. Прихований період - близько тижня. Симптоми виражені сильніше: більше нездужання, головний біль, висока температура тіла.

Третій ступінь хвороби - при 400 - 600 рентген. Інкубаційний період - декілька годин. Тяжкий (важкий) загальний стан, несвідомість, крововилив у шкіру і слизові оболонки.

Променева хвороба четвертого ступеня виникає при дозі більше 600 рентген. У людини дуже важкий стан. Якщо лікування не проводити протягом двох тиждень, то наступає смерть.

Радіоактивне зараження (забруднення) місцевості, приземного прошарку атмосфери, повітряного простору, води й інших об'єктів виникає унаслідок випадання радіоактивних речовин із хмари ядерного вибуху або при аваріях на радіоактивних-небезпечних підприємствах.

При ядерному вибуху джерелом радіоактивного забруднення є осколки поділу ядерного заряду (приблизно 90 % активності від загальної активності продуктів ядерного вибуху), залишки ядерного заряду (приблизно 10 % від загальної активності) і наведена активність у ґрунті. Радіоактивні осколки поділу ядер радіоактивних елементів (під час ланцюгової реакції поділу утворюється більше 80-ти ізотопів 35 хімічних елементів) і залишки ядерного заряду під дією високих температур випаровуються і переходять у плазмовому вигляді в хмару ядерного вибуху. При наземних, підземних і низьких повітряних вибухах у цю хмару також потрапляє значна маса ґрунту (декілька тисяч тонн). Радіоактивні ізотопи конденсуються на більш холодних частинках ґрунту, утворюють радіоактивний пил, що складає радіоактивну хмару. Вона зі значною швидкістю піднімається нагору на висоту, що залежить від потужності вибуху. Максимальної висоти хмара досягає приблизно за десять хвилин. Після припинення підйому хмара рухається за вітром і з неї починають випадати радіоактивні речовини. Виникає радіоактивне зараження.

Наведена активність у ґрунті обумовлена утворенням радіоактивних ізотопів під дією швидких нейтронів. Вона характерна тільки для району вибуху.

Значення радіоактивного зараження обумовлене тим, що високі рівні радіації можуть спостерігатися не тільки лише в районі вибуху, а і на значних відстанях від нього.

Радіоактивні ізотопи, що утворюються при ядерному вибуху, нестабільні. Вони стабілізуються шляхом виділення частини енергії у виді альфа – бета - часток і гама - випромінювань.

Альфа - і бета - частки мають велику іонізуючу спроможність, але їх проникаюча спроможність незначна. Вона складає в повітрі від декількох см (для альфа - часток) до півтора – двох метрів (для бета часток). Гама - випромінювання мають значну проникаючу спроможність і малу іонізуючу. Тому при зовнішньому опроміненні (при перебуванні на радіоактивно - забрудненій місцевості) на людину буде діяти лише гама - випромінювання.

Внаслідок зовнішнього опромінення може виникнути променева хвороба. В залежності від отриманої дози радіації розрізняють чотири ступені променевої хвороби (так само як і при одержанні дози проникаючої радіації).

При потраплянні на відкриті ділянки тіла людини значної кількості радіоактивних речовин виникають радіаційні опіки.

Радіоактивні речовини в організм людини потрапляють із зараженим повітрям, водою, продуктами харчування. При цьому найбільшу іонізуючу активність виявляють альфа - і бета - активні речовини. Важкість ураження при внутрішньому опроміненні залежить від кількості радіоактивних речовин, що потрапили в організм, періоду їх напіврозпаду, ступеня всмоктування зі слизових оболонок органів дихання і шлунково - кишкового тракту, типу й енергії випромінювання і швидкості виводу їх з організму. При вживанні продуктів харчування і води, заражених радіоактивними речовинами, до 90% їх виводиться з організму в перші дні, а ті, що залишилися в організмі, знаходяться в крові. Радіоактивні речовини, що потрапили в організм людини, розділяються по органах і тканинах. Частина з них (стронцій, уран, торій, плутоній і інші) накопичуються в кісткових тканинах; інша частина (лантан, церій, прометій і інші) накопичуються в нирках і печінці. Деякі радіоактивні речовини (цезій, рутеній, телур, плутоній і інші) розподіляються в організмі рівномірно, радіоактивний йод накопичується в щитовидний залозі. Ураження від внутрішнього опромінення, як і від зовнішнього, можуть бути чотирьох ступенів.

Відомо, що організм людини має можливість відновлювати клітини, що загинули при незначному опроміненні. У випадках одержання великих доз радіації організм людини не встигає відновлювати клітини і виникає захворювання. Ступінь ураження людини залежить не тільки від розміру дози, а і від часу, протягом якого вона отримана. Дози радіації, отримані за короткий проміжок часу, викликають більш сильні ураження, чим ті, що мають той самий розмір, але отримані протягом тривалого часу. Щоб не допустити захворювання людини променевою хворобою, встановлені припустимі дози опромінення:

Ø протягом 4-х днів на воєнний час установлено 50 рентген (бер);

Ø протягом місяця - 100 рентген (бер)

Ø протягом 3-х місяців - 200 рентген (бер)

Ø за рік - 300 рентген (бер)

На мирний час у випадках аварії на АЕС із викидом радіоактивних речовин встановлені такі припустимі дози опромінення:

§ Основна дозова межа індивідуального опромінення персоналу об'єктів, на яких здійснюється практична діяльність не повинна перевищувати 20 мілізівертів ефективної дози опромінення на рік, при цьому допускається її збільшення до 50 мілізівертів за умови, що середньорічна доза опромінення протягом п'яти років підряд не перевищує 20 мілізівертів.

§ Припустима доза опромінення населення в нормальних умовах за рік - 0,1 рентген (бер).

Осередком ядерного ураження називається територія, в межах якої в результаті впливу вражаючих чинників ядерного вибуху, а також вторинних чинників ураження (наприклад, уламків конструкцій будинків і споруджень, пожеж, токсичних продуктів неповного згоряння і т.д.) відбулися масові ураження людей, сільськогосподарських тварин і рослин, руйнування і знищення будинків, споруджень і матеріальних цінностей.

Розміри осередку ядерного ураження залежать від потужності і виду ядерного вибуху, рельєфу місцевості, метеоумов і характеру забудови. Так, населені пункти з компактною забудовою можуть одержати значні руйнації по всій території, якщо центр вибуху збігається з центром населеного пункту.

Межа осередку ядерного ураження на рівнинній місцевості умовно обмежена окружністю – умовною лінню, де надлишковий тиск у фронті ударної хвилі складає 10КПа.

По характеру руйнувань промислових і житлових будинків, споруджень, розміру надлишкового тиску у фронті ударної хвилі осередок ядерного ураження умовно ділиться на зони повних, сильних, середніх і слабких руйнувань.

На межі з они повних руйнувань надлишковий тиск 50 кПа, при наближенні до центру осередку він стає значно більше. Зона характеризується: масовими безповоротними втратами серед незахищеного населення; повною руйнацією будинків і споруджень; руйнацією й ушкодженням комунально-енергетичних і технологічних мереж а також частини сховищ ЦО; утворенням суцільних завалів у населених пунктах. Радіус зони повних руйнувань можна розрахувати за формулою:

R = (0,35 - 0,4) g, де R - радіус зони, км, а g – потужність ядерного боєприпасу(перше значення 0.35 беремо при розрахунку радіусу зони для повітряного вибуху, друге – 0.4 для наземного вибуху).

Площа зони складає від 10 до 15% від усієї площі осередку ядерного ураження. Люди, які опинилися відкрито у межах повних руйнувань, зі 100% можливістю отримують ураження, які приведуть до виходу їх з ладу.

Зона сильних руйнувань - надлишковий тиск у межах зони змінюється від 50 до 30 кПа, характеризується масовими безповоротними втратами серед незахищеного населення (до 90 %). Повні і сильні руйнації будинків і споруджень, ушкодження комунально - енергетичних і технологічних мереж; утворення місцевих і суцільних завалів у населених пунктах. Сховища і більшість ПРУ зберігаються. Площа зони - 10% від усієї площі осередку. Радіус зони розраховують:

R = (0,5 - 0,55) g

Зона середніх руйнувань - тиск у фронті ударної хвилі від 30 до 20 кПа. Втрати серед незахищеного населення - до 20 %, середні і сильні руйнування будинків і споруджень; утворення місцевих і часткових завалів, суцільних пожеж; зберігання комунально-енергетичних і технологічних мереж, сховищ і більшості ПРУ. Площа зони складає 15% від площі осередку. Радіус визначають за формулою:

R = (0,75 - 0,7) g.

Зона слабких руйнувань - тиск від 20 до 10 кПа. Зовнішня межа зони слабких руйнувань – це зовнішня межа осередку ядерного ураження. Тут спостерігаються слабкі і середні руйнування будинків і споруджень, площа зони - 60%.

R = (1,4 - 1,1) g.

Ураження людей - тільки в окремих випадках.

Необхідно відзначити, що і за межами зони слабких руйнувань можливі непрямі ураження людей при надлишковому тиску 3 кПа, а поранення очей осколками скла - навіть при 1 кПа. У будинках можуть бути пошкоджені двері, стріха, вибиті стекла.

Осередок ядерного ураження характеризується також складною пожежною обстановкою. У його межах виділяють три основні зони пожеж:

Зона пожеж у завалах - охоплює всю зону повних руйнувань і частину зони сильних руйнувань осередку. На зовнішній її межі розмір світлового імпульсу складає при повітряному вибуху 2400 - 4000 кДж/ м², при наземному - 700 - 1700 кДж/м²(нижня межа для вибуху потужності до 100 кт, верхня для 1000 кт і більш.) Надлишковий тиск у фронті ударної хвилі - 45 кПа. Радіус зони , де R - км, g – потужність ядерного боєприпаси. Після ядерного вибуху, по-перше, за рахунок більшої швидкості розповсюдження світлового імпульсу, виникає загоряння горючих матеріалів – вікон, дверей, покрівлі. Потім надлишковим тиском ударної хвилі усе, що зустрічається на її шляху руйнується, утворюються суцільні завали.

Зона характеризується тривалим горінням у завалах із виділенням продуктів неповного згоряння і токсичних речовин, а також сильним задимленням. Суцільного вогню не спостерігається.

Зона суцільних пожеж охоплює при повітряному вибуху більшу частину зони сильних руйнувань, усю зону середніх і частину зони слабких руйнувань. На зовнішній межі її світловий імпульс дорівнює 400 - 600 кДж/ м², надлишковий тиск складає приблизно 15 кПа. Радіус зони розраховують за формулою:

.

При наземному вибуху надлишковий тиск на межі зони приблизно 25 кПа і радіус зони розраховують за формулою: .

Пожежі виникають у 50 % і більш будинків і споруджень, і протягом 1-2 годин вогонь поширюється на 90 % і більш будинків і споруд. Перетворення окремих пожеж на суцільні значною мірою залежить від ступеня вогнестійкості будинків, категорії пожежної небезпеки виробництва і щільності забудови.

Зона окремих пожеж охоплює частину зони середніх руйнувань (при наземному вибуху), усю зону слабких руйнувань (при повітряному вибуху частину її) і поширюється за межі осередку. На зовнішній її межі Uсв=100 - 200 кДж/м², надлишковий тиск приблизно 7.5 кПа і радіус зони розраховують:

- при повітряному вибуху як ;

- при наземному вибуху надлишковий тиск 9,0 кПа і радіус .

Пожежі виникають в окремих будинках і спорудах. Гасіння їх звичайно не викликає проблем і при відсутності сильного радіоактивного зараження можливе безпосередньо після вибуху.