Ядерный взрыв

Ядерный взрыв — это мгновенный процесс выделения огромного количества внутриядерной энергии в ограниченном объёме, происходящий в результате неуправляемой цепной реакции деления тяжёлых ядер (атомный взрыв) или термоядерной реакции синтеза лёгких ядер (термоядерный взрыв). Ядерный взрыв является одним из наиболее мощных известных человеку источников энергии, способным производить колоссальные разрушения и поражающие факторы. В военном деле применяется для создания ядерного оружия, а в мирных целях рассматривался для крупномасштабных промышленных и инженерных работ (например, создание каналов, резервуаров, сейсмическая разведка).

Физические основы

Принцип деления ядер

Атомный взрыв основан на реакции деления ядер изотопов урана (²³⁵U) или плутония (²³⁹Pu). При поглощении нейтрона ядро тяжёлого элемента становится нестабильным и распадается на два более лёгких ядра (осколки деления), испуская при этом 2–3 новых нейтрона и выделяя около 200 МэВ энергии. Если масса делящегося вещества превышает критическую массу, количество нейтронов, вызывающих новые деления, возрастает лавинообразно — возникает цепная реакция, которая за микросекунды высвобождает гигантскую энергию.

Принцип термоядерного синтеза

Термоядерный (водородный) взрыв основан на реакции синтеза ядер дейтерия и трития (изотопов водорода) с образованием гелия и нейтрона. Для начала такой реакции требуется температура в десятки миллионов градусов, которая создаётся с помощью атомного взрыва-инициатора («запала»). В термоядерных боеприпасах часто используется дейтерид лития-6, который при облучении нейтронами даёт тритий. Термоядерный взрыв может быть значительно мощнее атомного при меньшем весе заряда.

Критическая масса и ядерный заряд

Для осуществления цепной реакции деления необходимо, чтобы масса делящегося вещества превышала критическую. В ядерных зарядах это достигается либо соединением нескольких докритических частей (пушечная схема), либо обжатием докритического шара взрывчаткой (имплозивная схема). В термоядерных зарядах используется комбинированная схема: атомный запал создаёт условия для термоядерной реакции, а сама термоядерная реакция может дополнительно вызывать деление в оболочке из урана-238, увеличивая мощность.

Поражающие факторы

Ядерный взрыв порождает комплекс поражающих факторов, действующих на огромных площадях.

Ударная волна

Основной механический поражающий фактор. Представляет собой область резкого сжатия воздуха, распространяющуюся от эпицентра со сверхзвуковой скоростью. Вызывает разрушения зданий, сооружений, техники, травмы и гибель людей. Измеряется в избыточном давлении (атмосферах, кПа). Разрушения классифицируются по степени: полные, сильные, средние, слабые.

Световое излучение

Мощный поток видимого, ультрафиолетового и инфракрасного излучения, испускаемый огненным шаром. Длится от долей секунды до нескольких секунд. Вызывает ожоги открытых участков кожи, поражение глаз (вплоть до слепоты), воспламенение горючих материалов и пожары. Интенсивность зависит от мощности взрыва и погодных условий.

Проникающая радиация

Поток гамма-лучей и нейтронов, испускаемый в первые секунды взрыва. Вызывает лучевую болезнь у живых организмов. Поглощённая доза измеряется в грей (Гр) или зиверт (Зв). Для человека смертельная доза составляет около 4–5 Гр. Проникающая радиация ослабляется толщей земли, бетона, свинца.

Радиоактивное заражение

Заражение местности, воздуха, воды и объектов радиоактивными изотопами, образующимися при делении ядер, наведённой радиоактивностью (от захвата нейтронов ядрами почвы) и не прореагировавшими остатками ядерного топлива. Выпадает в виде радиоактивных осадков, создавая опасность для здоровья на годы и десятилетия. Зоны заражения делятся по степени опасности (зона А — умеренного, зона Б — сильного, зона В — опасного, зона Г — чрезвычайно опасного заражения).

Электромагнитный импульс (ЭМИ)

Мощное кратковременное электромагнитное поле, возникающее при взаимодействии гамма-излучения с атмосферой. Выводит из строя электронику, линии связи, системы управления, энергосети. Особенно опасен для незащищённых электрических цепей на больших расстояниях (до сотен километров при высотных взрывах).

Классификация ядерных взрывов

По мощности

Мощность ядерного взрыва измеряется в тротиловом эквиваленте (килотонны, мегатонны). Выделяют:

• Сверхмалые (менее 1 кт)
• Малые (1–10 кт)
• Средние (10–100 кт)
• Крупные (100 кт – 1 Мт)
• Сверхкрупные (более 1 Мт)

По высоте (среде) взрыва

• Наземный (надводный) — на поверхности земли (воды) или на высоте до нескольких метров. Вызывает сильное радиоактивное заражение местности.
• Воздушный — на высоте, когда огненный шар не касается земли. Характеризуется максимальным радиусом поражения ударной волной и световым излучением, но меньшим заражением.
• Высотный — на высоте более 10 км. Основной поражающий фактор — ЭМИ и световое излучение. Радиоактивное заражение практически отсутствует.
• Космический — за пределами атмосферы. Поражающие факторы — проникающая радиация, ЭМИ и рентгеновское излучение.
• Подземный (подводный) — под поверхностью земли (воды). Вызывает сильные сейсмические колебания, образование воронок, выброс грунта (воды) и радиоактивное заражение в ограниченном районе.

История и развитие

Первые испытания

Первое в истории испытание ядерного взрыва (атомная бомба «Gadget») было проведено США 16 июля 1945 года в штате Нью-Мексико (проект «Тринити»). Мощность взрыва составила около 21 кт. 6 и 9 августа 1945 года США применили атомные бомбы против японских городов Хиросима («Little Boy», 15 кт) и Нагасаки («Fat Man», 21 кт), что привело к массовым жертвам и разрушениям.

Советская ядерная программа

В СССР первый ядерный взрыв был осуществлён 29 августа 1949 года на Семипалатинском полигоне (испытание РДС-1, мощность 22 кт). Это положило конец монополии США на ядерное оружие. Первый термоядерный взрыв в СССР (РДС-6с) был произведён 12 августа 1953 года. Самое мощное в истории испытание термоядерного заряда — взрыв «Царь-бомбы» (АН602) 30 октября 1961 года на Новой Земле — имел мощность около 58 Мт.

Договоры и ограничения

С середины XX века велись переговоры об ограничении ядерных испытаний. В 1963 году был подписан Договор о запрещении испытаний ядерного оружия в трёх средах (атмосфера, космос, под водой). В 1996 году был открыт для подписания Договор о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний (ДВЗЯИ), который, однако, не вступил в силу полностью из-за нератификации рядом стран. Россия и США заключили ряд договоров о сокращении стратегических наступательных вооружений (СНВ, СНП).

Мирное использование

Промышленные взрывы

В СССР и США проводились программы мирных ядерных взрывов (например, «Плаушер» в США, «Ядерные взрывные технологии» в СССР). Они использовались для:

• Создания искусственных водоёмов и каналов (озеро Чаган в Казахстане, 1965 год).
• Глубинного сейсмического зондирования земной коры.
• Интенсификации добычи нефти и газа (создание подземных полостей).
• Тушения газовых факелов (авария на газовом месторождении Урта-Булак в Узбекистане, 1966 год).

Современное состояние

В настоящее время мирные ядерные взрывы практически не проводятся из-за моратория на испытания, экологических рисков и наличия более безопасных альтернатив. Последний ядерный взрыв в мирных целях был осуществлён в СССР в 1988 году.

Критика и последствия

Экологические и гуманитарные последствия

Ядерные взрывы, особенно атмосферные и наземные, приводят к глобальному радиоактивному загрязнению. Радиоактивные осадки от испытаний 1950–1960-х годов (например, стронций-90, цезий-137) до сих пор обнаруживаются в почве и организмах по всему миру. Применение ядерного оружия в Хиросиме и Нагасаки показало ужасающие последствия для людей: ожоги, лучевая болезнь, онкологические заболевания, генетические мутации, психологические травмы.

Концепция «ядерной зимы»

В 1980-х годах была разработана гипотеза «ядерной зимы»: массированный обмен ядерными ударами вызовет выброс в атмосферу огромного количества сажи и пыли, которые заблокируют солнечный свет, приведут к резкому похолоданию, нарушению сельского хозяйства и массовому голоду. Эта концепция стала важным аргументом в пользу разоружения.

Движение за разоружение

С 1950-х годов существует мощное общественное движение за запрещение ядерного оружия. В 2017 году был принят Договор о запрещении ядерного оружия (ДЗЯО), который, однако, не поддержан ядерными державами. Россия последовательно выступает за предотвращение ядерной войны и укрепление режима нераспространения.

Источники

• Доклад ООН «Последствия ядерной войны» (1985).
• Гласстон С., Долан П. «Действие ядерного оружия» (1977).
• Материалы Министерства обороны РФ по истории ядерных испытаний.
• Договор о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний (ДВЗЯИ).
• Научные публикации по физике ядерных взрывов (журналы «Атомная энергия», «Успехи физических наук»).