Испытания ядерного оружия и загрязнения атмосферы

ИСТОЧНИКИ РАДИАЦИИ ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЕ.

За последние несколько десятилетий в жизнь человека в дополнение к природным вошли искусственные (или техногенные) источники радиации, связанные с возрастающим использованием ядерных технологии в медицине, промышленности, энергетике. Индивидуальные дозы, получаемые разными людьми от техногенных источников, сильно различаются, хотя, в большинстве случаев, невелики.

Медицина. Самое первое применение источники излучения нашли в медицинской практике. И сейчас это направление успешно развивается, принося огромную пользу людям в диагностике и лечении многих заболеваний. В настоящее время основной вклад в дозу, получаемую человеком от техногенных источников радиации, вносят медицинские процедуры и методы лечения, связанные с применением облучения. Действительно, согласно последним оценкам НКДАР ООН, медицинское облучение вносит самый большой и возрастающий вклад в антропогенное облучение. Средние уровни облучения, обусловленные медицинским диагностическим использованием источников излучения, в развитых странах приблизительно эквивалентны 50% глобального среднего уровня естественного облучения.

Радиация в медицине используется как в диагностических, так и в лечебных целях. Одним из самых распространенных медицинских приборов является рентгеновский аппарат, с помощью которого проводится медицинское обследование различных органов человека. Подсчитано, что на каждую 1000 жителей в развитых странах приходится от 300 до 900 рентгеновских обследований различных органов в год – и это не считая рентгенологических обследований зубов и массовой флюорографии. Средняя эквивалентная доза, получаемая человеком от этих обследований, составляет около 20% от естественного радиационного фона, т.е. примерно 0,38 мЗв в год. Многие проблемы физиологии и медицины удалось решить с помощью радиоактивных изотопов. Так, для исследования кровообращения в кровь человека вводят радиоактивный натрий. А для исследования работы щитовидной железы человека используют радиоактивный йод. Местоположение опухолей, особенно злокачественных, определяю по γ-излучению скопления радиоактивных изотопов, специально введенных в человеческий организм. А одним из способов лечения раковых заболеваний является облучение злокачественной опухоли γ-излучением кобальта

ЯДЕРНЫЕ ВЗРЫВЫ.

Ядерный взрыв происходит из-за быстрого бесконтрольного деления ядер Урана (U) или других радиоактивных элементов. Для каждого элемента есть своя критическая масса, при которой его ядра начинают быстро делится. При делении каждое ядро излучает осколки деления и протоны. Протоны в свою очередь формируют новые ядра, которые тоже делятся. Процесс происходит очень быстро, и потому выглядит как взрыв.

Классификация искусственных ядерных взрывов

Искусственные ядерные взрывы обычно классифицируют по двум признакам: мощности заряда, инициировавшего взрыв, и местоположению точки нахождения заряда в момент подрыва (центр ядерного взрыва) Проекция этой точки на поверхность земли называется эпицентром ядерного взрыва. Мощность ядерного взрыва измеряется в так называемом тротиловом эквиваленте — массе тринитротолуола, при химическом взрыве которого выделяется столько же энергии, сколько при оцениваемом ядерном. Наиболее часто используемыми единицами измерения мощности ядерного взрыва служат 1 килотонна (кт) или 1 мегатонна (Мт) тротилового эквивалента. Принятая классификация характеризует мощность ядерного взрыва как:

Сверхмалую (менее 1 кт);

Малую (от 1 до 10 кт);

Среднюю (от 10 до 100 кт);

Большую (от 100 кт до 1 Мт);

Сверхбольшую (более 1 Мт);

Взрыв мощностью 20 кт даёт зону полных разрушений радиусом около 1 км, 20 Мт — уже 10 км. По расчётам, при взрыве мощностью 100 Мт зона полного разрушения будет иметь радиус около 35 км, сильных разрушений — около 50 км, на расстоянии около 80 км незащищённые люди получат ожоги третьей степени. Практически одним таким взрывом может быть полностью уничтожен любой из самых крупных городов Земли. Наиболее мощным искусственным ядерным взрывом был атмосферный взрыв в приземном слое советской 50-мегатонной термоядерной Царь-Бомбы на полигоне на Новой Земле.

По местонахождению центра ядерные взрывы подразделяют на атмосферные (с уточнением на высотные взрывы и взрывы в приземном слое), наземные, подземные, подводные, экзоатмосферные. Знание обоих этих факторов необходимы для оценки последствий ядерного взрыва в различного рода условиях.

Явления при ядерном взрыве

Характерные для сильного взрыва вообще

Сопутствующие ядерному взрыву явления варьируются от местонахождения его центра. Ниже рассматривается случай атмосферного ядерного взрыва в приземном слое, который был наиболее общим до запрета ядерных испытаний на земле, под водой, в атмосфере и в космосе. После инициирования реакции деления или синтеза за очень короткое время порядка долей микросекунд в ограниченном объёме выделяется огромное количество лучистой и тепловой энергии. Реакция обычно заканчивается после испарения и разлёта конструкции взрывного устройства вследствие огромных температуры (до 107К) и давления (до 109 атм.) в точке взрыва. Однако массивный корпус устройства способен в значительной степени продлить процесс реакции[источник?], так как на его испарение требуется больше энергии, а следовательно и времени; в результате при той же массе делящегося вещества или топлива для термоядерного синтеза мощность ядерного взрыва получается больше. Визуально эта фаза воспринимается как очень яркая светящаяся точка.

Световое давление от электромагнитного излучения при реакции начинает нагревать и вытеснять окружающий воздух от точки взрыва — образуется огненный шар и начинает формироваться скачок давления между сжатым излучением и невозмущённым воздухом, поскольку скорость перемещения фронта нагрева изначально многократно превосходит скорость звука в среде. После затухания ядерной реакции энерговыделение прекращается и дальнейшее расширение происходит уже не за счёт светового давления, а за счёт разницы температур и давлений в области эпицентра и в окружающем его воздухе. Эта фаза характеризуется превращением светящейся точки в растущий в размерах огненный шар, постепенно теряющий свою яркость.

Начиная с определённого момента скорость перемещения скачка давления становится больше скорости расширения огненного шара, ударная волна полностью сформировалась и отрывается от огненного шара, унося значительную долю энергии ядерного взрыва. Каверна, образовавшаяся в результате светового давления, схлопывается, нагретый до чудовищных температур воздух в районе угасающего огненного шара начинает подниматься вверх, увлекая с собой с поверхности пыль, грунт, предметы. Начинается процесс конвективного выравнивания температур и давлений в месте взрыва с окружающей средой. Вихрь поднятой пыли и частиц грунта с земли стремится к огненному шару, образуя ножку «ядерного гриба». В считанные минуты развивается полное грибовидное облако, продолжающее расти в высоту и в диаметре; огненный шар исчезает.

После выравнивания температур и давлений подъём пыли и частиц с земли прекращается, ножка «гриба» истончается и исчезает, его «шляпка» превращается в тёмное облако, которое после своего охлаждения может выпасть осадками и окончательно исчезнуть.

При высотном ядерном взрыве «гриб» не образуется, а при экзоатмосферном нет и облака — в отсутствие атмосферы ему не из чего образовываться. Эффекты при наземном ядерном взрыве схожи с эффектами атмосферного ядерного взрыва в приземном слое, но светящаяся область будет иметь форму полусферы, а не шара, даже при незначительном заглублении подрывного устройства в землю возможно образование кратера значительных размеров. Эффекты при подземном ядерном взрыве зависят от мощности заряда, глубины его залегания и характера горных пород в месте взрыва. После взрыва может образоваться как полость без видимых наземных изменений ландшафта, так и курган, кратер или кальдера. Наземный и подземный ядерные взрывы сопровождаются существенным землетрясением.

Описанные выше эффекты характерны для любого взрыва большой мощности, например очень яркая вспышка и высокое грибовидное облако появились после взрыва гружёного взрывчаткой (до 3—4 килотонн тротила и пикратов в сумме) военного транспорта «Монблан» в канадском Галифаксе в 1917 году. Однако ядерный взрыв в дополнение к ним обладает целым рядом специфичных только для него явлений и следствий.

Специфичные только для ядерного взрыва

Происходящие в эпицентре взрыва ядерные реакции служат источником разнообразных излучений: электромагнитного в широком спектре от радиоволн до высокоэнергичных гамма-квантов, быстрых электронов, нейтронов, атомных ядер. Это излучение, называемое проникающей радиацией, порождает ряд характерных только для ядерного взрыва последствий. Нейтроны и высокоэнергичные гамма-кванты, взаимодействуя с атомами окружающего вещества, преобразуют их стабильные формы в нестабильные радиоактивные изотопы с различными путями и полупериодами распада — создают так называемую наведённую радиацию. Наряду с осколками атомных ядер расщепляющегося вещества или продуктами термоядерного синтеза, оставшимися от взрывного устройства, вновь получившиеся радиоактивные вещества поднимаются высоко в атмосферу и способны рассеяться на большой территории, формируя радиоактивное заражение местности после ядерного взрыва. Спектр образующихся при ядерном взрыве нестабильных изотопов таков, что радиоактивное заражение местности способно длиться тысячелетиями, хотя интенсивность излучения падает со временем.

Высокоэнергичные гамма-кванты от ядерного взрыва, проходя сквозь окружающую среду, ионизуют её атомы, выбивая из них электроны и сообщая им достаточно большую энергию для каскадной ионизации других атомов, вплоть до 30000 ионизаций на один гамма-квант. В результате под эпицентром ядерного взрыва остаётся «пятно» положительно заряженных ионов, которые окружены гигантским количеством электронного газа; такая переменная во времени конфигурация носителей электрических зарядов создаёт очень сильное электромагнитное поле, которое исчезает после взрыва вместе с рекомбинацией ионизированных атомов. В процессе рекомбинации порождаются сильные электрические токи, служащие дополнительным источником электромагнитного излучения. Весь этот комплекс явлений называется электромагнитным импульсом, и хотя в него уходит менее трети десятимиллиардной доли энергии взрыва, происходит он за очень короткое время и выделяющаяся при этом мощность может достигать 100 ГВт.

Применение искусственных ядерных взрывов

Военное

Огромная разрушительная мощь ударной волны и светового излучения от ядерного взрыва сразу же привлекла к нему внимание военных. Всего лишь одно взрывное устройство оказалось способным уничтожить город-мегаполис с практически всем населением, крупные группировки незащищённых войск противника, важные объекты в его тылу (электростанции, отстоящие от городов военные базы и заводы, узлы коммуникаций). Нанесение нескольких ядерных ударов способно непоправимо нарушить экономику противника, необратимо подорвать его волю к сопротивлению и заставить его принять любые условия капитуляции. Однако непредсказуемый характер радиоактивного заражения при ядерном взрыве способен также нанести непоправимый ущерб атакующему, особенно в непосредственной близости от противника, что несколько сдерживает желание применить ядерное оружие в бою. Более серьёзным оказалось ядерное сдерживание, когда противостоящая сторона также имеет возможность нанести ядерный удар по агрессору; этот фактор послужил залогом выживания человечества во второй половине XX века — страх перед адекватным и неизбежным возмездием за применение ядерного оружия послужил и служит сейчас достаточным основанием для его неиспользования в военных целях.

Ядерное оружие существенным образом изменило культурное восприятие глобальной войны и политическую расстановку сил. Страна, обладающая ядерным оружием и подтвердившая его наличие тестовым ядерным взрывом практически сводит на нет угрозу внешней агрессии, что является для многих национальных государств безусловным приоритетом. Отрицательной стороной является возможность несанкционированного использования ядерного оружия без разрешения правительства или его захват частными лицами или организациями с целью ядерного террора.

В истории человечества ядерное оружие в боевых военных целях применялось дважды — 6 и 9 августа 1945 года США нанесли последовательно два ядерных удара по японским городам Хиросима и Нагасаки, уничтожив в общей сложности свыше 200 000 человек и инфраструктуру этих городов, практически сломив волю к сопротивлению у населения Японии. В США и СССР впоследствии неоднократно проводились войсковые учения с производством ядерных взрывов. В результате были выработаны методики и поставлена на вооружение техника, которая позволяет войскам более чем успешно выполнять боевые задачи в условиях применения ядерного оружия. Однако объекты внутренней инфраструктуры стран вследствие своего роста, постоянно растущей зависимости от энергоснабжения и управляющей электроники с тех пор стали только уязвимее для ядерного оружия.

Мирное

Ядерный взрыв нашёл и несколько мирных ниш применения. Принято считать, что в общей сложности в США было проведено 27, а в СССР, в период с 1965 по 1988 годы — 135 ядерных взрывов невоенной направленности (из них 124 — непосредственно по программе ядерных взрывов в мирных целях, остальные — испытательные) с целью изучения возможностей по такому применению[1]. В специальной литературе [2] можно встретить и другие цифры. В частности для США 33 МЯВ и для СССР 169 МЯВ (возможно, в публикациях имеется путаница с терминами «количество взрывов» и «количество экспериментов» — часть экспериментов не сопровождалась ядерными взрывами). Основные сферы применения ядерных взрывов в мирных целях следующие:

Быстрое рытьё крупных котлованов для искусственных водохранилищ. Котлован создаётся с помощью подповерхностного подземного ядерного или термоядерного взрыва «на выброс». Достоинства метода: получившаяся ёмкость имеет большую глубину, оплавленные стенки и небольшую поверхность зеркала водоёма. Всё это минимизирует потери воды на испарение и фильтрацию в грунт. Предполагалось использовать такие искусственные резервуары в засушливых районах для хранения воды для нужд сельского хозяйства.

Создание подземных ёмкостей (в частности, газохранилищ и резервуаров для захоронения опасных отходов). Одним взрывом создаётся полость объёмом в десятки тысяч кубических метров.

Тушение масштабных пожаров на газовых месторождениях.

Выемка грунта и разрушение препятствий при строительстве крупномасштабных сооружений на местности (каналы).

Интенсификация добычи полезных ископаемых: дробление руд, воздействие на породы в районах месторождений для повышения продуктивности добычи и для снижения опасности аварий.

Сейсморазведка — изучение внутреннего строения Земли путём регистрации ударных волн от ядерных взрывов. Применялось в том числе и для поиска месторождений полезных ископаемых.

На первоначальном этапе (в 1950-е — 1960-е годы) с промышленным использованием ядерных взрывов связывали большие надежды, существовали проекты, где предполагалось использование сотен таких взрывов[3] (проекты соединения Мёртвого моря с Красным или Средиземным, канала через Панамский перешеек, канала через полуостров Малакка в Юго-Восточной Азии, обводнение впадины Каттара (Египет), соединение течения Лены с Охотским морем и проект поворота северных рек в СССР). Реализация таких проектов потребовала создания так называемых «чистых» ядерных зарядов, при взрыве которых выделяется минимум радиоактивности. В данной области были достигнуты определённые успехи, хотя полной «чистоты» добиться не удалось. На практике использование ядерных взрывов в народном хозяйстве имело место только в СССР.

Результаты советской серии экспериментов сложно оценить во всей полноте. Полные официальные данные о результатах испытаний не опубликованы, сведения о радиоактивном заражении местности неполны и нередко противоречивы. В случаях глубоких взрывов, после которых вся радиоактивность осталась под землёй, высказываются опасения о возможности последующего попадания радионуклидов на поверхность с грунтовыми водами и добываемыми полезными ископаемыми. Кроме того, в радиологии крайне слабо изучено воздействие радиоактивности, превышающей естественный фон в десятки раз, в некоторых случаях сохраняющаяся в местах взрывов. Таким образом, вопрос об экологической опасности и оправданности промышленных ядерных взрывов остаётся открытым. Под вопросом остаётся и экономический эффект — хотя изначально промышленные ядерные взрывы рассматривались именно как средство удешевления крупномасштабных работ, в действительности неясно, окупает ли достигнутая экономия все непрямые издержки (в том числе расходы на постоянный мониторинг радиологической обстановки и ликвидацию последствий последующего распространения радионуклидов, если таковое будет).

В последнее время нагнетаемый прессой страх перед последствиями столкновения астероида с Землёй (что само по себе эквивалентно сверхмощному ядерному взрыву без радиоактивного заражения) привёл к появлению проектов, использующих ядерные взрывы для ликвидации или отклонения опасных астероидов.

Природные ядерные взрывы

В природе существуют объекты, происходящие на которых процессы можно охарактеризовать как ядерный взрыв. В первую очередь к ним относятся новые, новоподобные и переменные эруптивного типа звёзды, которые резко увеличивают свою светимость в десятки тысяч раз за очень малый промежуток времени. В характерном случае новая звезда является тесной двойной системой, в которой главный компонент является звездой с сильным звёздным ветром, а второй — карликом низкой светимости. Вещество (в основном водород) с первой звезды перетекает на вторую, пока не образуется критическая масса перенесённого вещества, в которой на поверхности звезды зажигается термоядерная реакция синтеза водорода в гелий. В отличие от спокойного течения этой реакции в звёздном ядре, на поверхности она приобретает взрывной характер и резко увеличивает светимость звезды и сбрасывая запас накопленного перенесённого с более массивного компаньона вещества. Через определённое время этот процесс способен повториться вновь.

Одной из гипотез, объясняющих причины солнечных вспышек является замыкание силовых линий магнитного поля на отдельных участках фотосферы Солнца, приводящее к разогреву зажатой в них плазмы до таких температур, что в ней начинается взрывная термоядерная реакция синтеза гелия. Таким образом, солнечная вспышка является ничем иным, как термоядерным взрывом в фотосфере Солнца. Существует также класс красных карликовых звёзд, где этот процесс затрагивает не отдельный участок фотосферы звезды, а всё небесное тело в целом.

ИСПЫТАНИЯ ЯДЕРНОГО ОРУЖИЯ И ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ

Испытания ядерного оружия в СССР и США

Первый ядерный взрыв СССР был проведен 29 августа 1949 года, а последний ядерный взрыв - 24 октября 1990 года. Программа ядерных испытаний СССР продолжалась между этими датами 41 год 1 месяц 26 дней. За это время было произведено 715 ядерных взрывов, как мирного назначения так и боевых.

Первый ядерный взрыв был проведен на Семипалатинском испытательном полигоне (СИП), а последний ядерный взрыв СССР - на Северном испытательном полигоне Новая Земля (СИПНЗ). Наименования географических районов мест проведения ядерных испытаний соответствуют периоду существования СССР.

В 1950 и 1952 гг. в СССР были перерывы в проведении ядерных испытаний, обусловленные спецификой начальной стадии работ над программой ядерных вооружений. В 1959-1960 гг. и до 1 августа 1961 года СССР не проводил ядерных испытаний, участвуя в моратории на ядерные испытания вместе с США и Великобританией. В 1963 году и до 15 марта 1964 года СССР не проводил ядерные испытания в связи с подготовкой заключения договора 1963 года о запрещении ядерных испытаний в трех средах, и переходом на реализацию программы подземных ядерных испытаний. С августа 1985 года по февраль 1987 года, и с ноября 1989 года до октября 1990 года и позже этого срока СССР не проводил ядерные испытания, участвуя в мораториях на их проведение.

Все испытания можно разделить на этапы:

этап с 29.08.49 по 03.11.58, который был начат испытанием первой атомной бомбы СССР и закончился в связи с объявлением СССР (совместно с США) первого моратория на ядерные испытания.

этап с 01.09.61 по 25.12.62, который начался в связи с выходом СССР из первого моратория (вследствие обострения военно-политической ситуации, толчком к которой послужил инцидент с полетом самолета-шпиона У-2 над территорией СССР в мае 1961 года) и закончился в связи с прекращением СССР атмосферных ядерных взрывов.

этап с 15.03.64 по 25.12.75, который был начат реализацией программы ядерных испытаний СССР в условиях действия Договора о запрещении ядерных испытаний в трех средах (СССР, США, Великобритания). Закончился в связи с прекращением СССР ядерных взрывов с энерговыделением выше порогового значения Е = 150 ктв соответствии с вступлением в действие Договора 1974г. о пороговом ограничении мощности ядерных испытаний.

этап с 15.01.76 по 25.07.85, который был начат реализацией программы ядерных испытаний СССР в условиях действия Договора о пороговом ограничении мощности ядерных испытаний и закончился в связи с односторонним объявлением СССР моратория на ядерные испытания.

этап с 26.02.87 по 24.10.90 (с перерывом между 19.10.89 и 24.10.90) представляет собой работу в условиях курса М.С. Горбачева на прекращение ядерных испытаний СССР.

Этапы I и II могут быть объединены в один этап, условно называемый периодом атмосферных ядерных испытаний, а этапы III, IV и V - во второй этап - этап подземных ядерных испытаний СССР. Общее энерговыделение ядерных испытаний в СССР составило Еo = 285,4 Мт, в том числе в период "атмосферных ядерных испытаний" Еo = 247,2 Мт и в период "подземных ядерных испытаний" Еo = 38 Мт.

Представляет интерес сравнить эти характеристики с аналогичными характеристиками программы ядерных испытаний США. В период 1945-1992 гг. США провели 1056 ядерных испытаний и ядерных взрывов в мирных целях (в том числе 24 испытания в Неваде совместно с Великобританией), которые также можно разделить на ряд этапов:

этап с 16.07.45 по 14.05.48, который был начат испытанием первой атомной бомбы США (Trinity) и закончился по внутренним обстоятельствам;

этап с 27.01.51 по 30.10.58, который начался первым испытанием на Невадском полигоне и закончился вступлением США в совместный мораторий с СССР 1958 года;

этап с 15.09.61 по 25.06.63,который начался в связи с выходом США из моратория вследствие обострения военно-политической ситуации и закончился вступлением в период, определяемый действием Договора о запрещении ядерных испытаний в трех средах;

этап с 12.08.63 по 26.08.76, который начался в условиях действия Договора о запрещении ядерных испытаний в трех средах, а закончился в связи с началом действия Договора о пороговом ограничении ядерных испытаний;

этап с06.10.76по настоящее время, который начался в условиях действия Договора о пороговом ограничении ядерных испытаний и рассматривается в данных материалах до сентября 1992 года.

Этапы I, II и III могут быть объединены в один этап, называемый этапом атмосферных ядерных испытаний (хотя значительная часть ядерных испытаний США в это время была проведена под землей), а этапы IV и V могут быть объединены в этап подземных ядерных испытаний.

Общее энерговыделение ядерных испытаний США оценивается в Eo = 193 Мт, в том числе в период "атмосферных ядерных испытаний" Еo = 154,65 Мт и в период "подземных ядерных испытаний" Eo = 38,35 Мт.

Проблема радиоактивного загрязнения возникла в 1945 году после взрыва атомных бомб, сброшенных на японские города Хиросиму и Нагасаки. Испытания ядерного оружия, производимое в атмосфере, вызвали глобальное радиоактивное загрязнение. Радиоактивные загрязнения имеют существенное отличие от других. Радиоактивные нуклиды - это ядра нестабильных химических элементов, испускающих заряженные частицы и коротковолновые электромагнитные излучения. Именно эти частицы и излучения, попадая в организм человека, разрушают клетки, вследствие чего могут возникнуть различные болезни, в том числе и лучевая. При взрыве атомной бомбы возникает очень сильное ионизирующее излучение, радиоактивные частицы рассеиваются на большие расстояния, заражая почву, водоемы, живые организмы. Многие радиоактивные изотопы имеют длительный период полураспада, оставаясь опасными в течение всего времени своего существования. Все эти изотопы включаются в круговорот веществ, попадают в живые организмы и оказывают губительное действие на клетки. Очень опасен стронций, вследствие своей близости к кальцию. Накапливаясь в костях скелета, он служит постоянным источником облучения организма. Радиоактивный цезий (137Cs) сходен с калием, его много в мышцах пораженных животных. Исследования показали, что в организме эскимосов Аляски, питающихся мясом оленей, в значительных количествах содержится цезий 137. Халатное отношение к хранению и транспортировке радиационных элементов приводит к серьезным радиационным загрязнениям.

При ядерном взрыве образуется громадное количество мелкой пыли, которая долго держится в атмосфере и поглощает значительную часть солнечной радиации. Расчеты ученых показывают, что даже при ограниченном, локальном применении ядерного оружия образовавшаяся пыль будет задерживать большую часть солнечного излучения. Наступит длительное похолодание («ядерная зима»), которое неизбежно приведет к гибели все живое на Земле.

ЛИТЕРАТУРА: