1631124647-66d575907c0c0646a184b8c463ba4648 (848584), страница 28
Текст из файла (страница 28)
В России последний такой случай был 17 июня 1997 г., когда смертельную дозу (45–90 тыс. бэр) получил сотрудникГлава 2. СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА100РФЯЦ–ВНИИЭФ А.Н. Захаров.Из оценок энергетического выхода видно, что при медленном переходе в критическое состояние не может произойти мощного взрыва. Реакция саморегулируется такими факторами,как тепловое расширение (в крайнем случае – плавление) активного материала или выкипание замедлителя.
Например, в аварии 17 июня 1997 г. установилась постоянная мощностьреакции на уровне 500 Вт; прервать ее удалось только через 5 дней, удалив медную полусферуотражатель вакуумной присоской. Но даже такое умеренное выделение энергии опасно из-зарадиоактивности. Плутоний в опыте Слотина нисколько не пострадал, но для экспериментатора последствия были трагические.Заметим, что приближение любого тела к сборке может усилить реакцию из-за отраженияи замедления нейтронов. Например, в 1954 г. переход через критическое состояние был вызванприближением головы экспериментатора (Ю.Б. Харитона), с целью рассмотреть дефект конструкции.
Несколько дней отмечались признаки лучевой болезни, но вскоре здоровье главногоконструктора пришло в норму30 .Условия в бомбе. При энергии 20 кт = 2 · 1010 г · 1 ккал/г ≈ 1021 эрг рост температурызаведомо позволяет считать вещество бомбы идеальным газом. Легко оценить максимальноедавление: 3P V /2 ≈ E, объем порядка 1 л, так что P ∼ 6 · 1017 СГС (или 6 · 1011 атм). Температура T ≈ P/nk = 6 · 1017 /(0,5 · 1023 · 1,4 · 10−16 ) = 8 · 1010 К, если считать n как дляисходного материала. Однако при этой температуре вещество практически полностью ионизуется, и энергия достается не только ядру, но и 94 электронам. Поэтому T надо поделитьпримерно на 100.
Заметная часть энергии и давления приходится на тепловое излучение, иреально температура составляет десятки миллионов градусов. Скорость звука C в этих условиях порядка P/ρ ≈ 1,4 · 108 см/с. Время разлета R/C ≈ 3 · 10−8 сек. Эта оценка неплохосогласуется с величиной ∆t, найденной выше.Зрительные впечатления.
Сейчас трудно найти человека, не видевшего ядерный взрыв потелевизору. Появляется яркая точка (конечно, на экране яркость ограничена), которая быстрораздувается в огненный шар. На поверхности земли или воды видна расширяющаяся окружность – след воздушной ударной волны. За ней поверхность резко светлеет от поднятой пылиили брызг. Иногда удается заметить и движение волны в воздухе как распространяющуюсяпрозрачную сферу, по преломлению или отражению солнечного света.Излучение шара испаряет облака (если они были) и устанавливается солнечная погода.На более поздних стадиях облака возникают снова, а за ударной волной может наблюдатьсядополнительная конденсация из-за общего расширения и охлаждения воздуха. При неглубокомподводном взрыве в первые секунды огненный шар закрыт колонной воды, и кратковременновозникает исключительно красивое сферическое облако конденсации, которое рассеиваетсяпосле нагрева огненным шаром.Через более длительное время формируется характерный гриб – кольцевой вихрь горячеговоздуха, перемешанного с пылью, всплывающий вверх и тянущий за собой пылевой хвост.
Заисключением первой яркой вспышки, те же явления в меньшем масштабе происходят и приобычном химическом взрыве. Например, гриб каждый мог видеть при взрыве бензобаков в30См.: В.А. Цукерман, З.М. Азарх. Люди и взрывы. ВНИИЭФ, Арзамас-16, 1994. С. 123.2.8. Приложение 1.
Физика бомбы101популярных ныне боевиках.Образующийся огненный шар испаряет вещество оболочки и затем принимается за окружающую среду. Эффекты взрыва оценим, считая, что основные поражающие факторы берутзаметные части энергии взрыва. Примеры приведем для 20-кт бомбы типа хиросимской и для1-Мт термоядерного взрыва.Воронка взрыва. Для неглубокого подземного взрыва часть энергии идет на образованиеямы. Яма глубины H и радиуса 2H имеет объем 4πH 3 /3, а увеличение потенциальной энергиирассыпанного грунта будет (4πH 3 /3)ρgH/3 ≈ ρgH 4 . Если это порядка 0,1E ≈ 1020 эрг, тоH 4 ∼ 1020 /(3 · 103 ) = 3 · 1016 , и H ≈ 104 см = 100 м. Для энергии взрыва 1 Mт, характернойдля термоядерных бомб, получится в 501/4 ≈ 2,5 раза больше, то есть порядка километра впоперечнике.
Еще примерно такой же радиус засыпается выброшенным материалом.Огненный шар. Нагретый объем воздуха – огненный шар – имеет огромную температуру.Поэтому теплообмен излучением очень силен, и шар примерно можно считать изотермическим.Энергия горячей области приблизительно сохраняется, так что4πR3 3nT·≈E,32откуда T ≈ E/(2πR3 n). Считая n на порядок больше числа Лошмидта n0 = 2,7 · 1019 см−3(из-за диссоциации и электронов), имеем T ≈ 3 · 109 /R3 , где температура выражена в К, арадиус – в метрах. Например, при радиусе 10 м температура порядка 3 · 106 К, а при 100 м –3 · 103 К. При тысячах градусов распад молекул воздуха уже незначителен, и n надо вернутьк значению n0 , от чего размер растет в 101/3 ≈ 2 раза. Этот размер (200 м) и можно взять какхарактерный для огненного шара.
При энергии 1 Мт шар будет больше в 501/3 ≈ 3,5 раз (700м радиус).Вначале температура шара высока, излучение от него коротковолновое, и оно сильно поглощается в воздухе. Поэтому рост шара идет за счет прогрева воздуха излучением. Затемболее быстрым становится рост за счет распространения ударной волны. Три тысячи градусовсоответствуют ударной стадии: примерно с такими температурами мы встречаемся при детонации газов и взрывчатых веществ, которая именно ведется ударной волной.
Скорость волны√при таких условиях порядка скорости звука в нагретом в 10 раз воздухе, то есть 10 · 330 м/с≈ 1 км/с. Время раздувания шара до указанного размера будет порядка 0,2 с для 20 кт и 0,7с для 1 Мт. Масса воздуха в объеме (100 м)3 порядка 103 т, так что массой бомбы задолго доэтого момента можно пренебречь.После отрыва ударной волны от огненного шара волна уходит вперед, а шар растягивается общим расширением медленнее.
На этой стадии примерно выравнивается давление внутриударной волны, а температура становится неоднородной. Шар гораздо более горячий, чемостальной воздух за волной. Соответственно плотность в шаре сравнительно мала. В результате шар способен достичь (и достигает) в несколько раз бо́льших размеров, чем приведенныевыше, за времена, в несколько раз более длинные.После выравнивания давления шар остается легче воздуха. При его всплывании и образуется грибовидное облако. Скорость всплывания можно оценить, приравнивая ∆ρgR и ρv 2 ,получается порядка 100 м/с. Взаимодействие обтекающего шар потока сверху и поднимаю-102Глава 2. СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВАщейся за шаром снизу струи воздуха (ножка гриба) порождает характерную «юбочку», почтикак у опенка.Световая вспышка.
Постепенно шар высвечивается. Очень приблизительно время выделения световой энергии можно оценить из равенства σT 4 · 4πR2 t ≈ E. Температуру разумновзять 6000 K, как у Солнца. Свет с такой температурой хорошо проходит через воздух, чеммы в жизни и пользуемся. При более высокой температуре излучение будет застревать в воздухе, отчего на начальных стадиях и растет шар, а при более низкой излучается мало энергии.Для радиуса 200 м время t ∼ 1021 /(5,5 · 10−5 · 1015 · 12 · 4 · 108 ) ≈ 4 с. Реально считается, чтодля 20 кт световая энергия выделяется около 1 с. Конечно, свечение продолжается и дальше,но с малым выходом энергии.
От энергии время вспышки зависит как E/R2 ∼ E 1/3 , так какR ∼ E 1/3 , и составит 3 – 4 секунды для 1 Мт.Для оценки действия света условно положим, что около 20 процентов энергии взрыва излучаются в полный телесный угол (4π). На человека, стоящего в 1 км от взрыва, придетсятелесный угол ∆Ω = ∆S/R2 ∼ 0,5 · 104 /1010 = 5 · 10−7 стер ≈ 5 · 10−8 от всей энергии света,то есть 1013 эрг, или 2,5·105 калорий. Этого хватит, чтобы нагреть человека массой 50 кг на 5градусов.
На самом деле нагревается тонкий слой (практически кожа на освещенной стороне),масса которой порядка процента массы тела, а температура может достичь 500 градусов. Получается световой ожог, явно смертельный. Правильнее считать калории на квадратный см, вэтом случае их будет 50 (считается, что для смертельного ожога достаточно примерно 10).На таких же примерно расстояниях будут загораться деревянные строения и пр. Хиросимская бомба была взорвана на высоте 600 м для большего использования светового импульса(как и ударной волны).
Для 1 Мт тот же эффект будет в 7 км от взрыва (спадание по квадратурасстояния). Поскольку в этом случае свет излучается в течение секунд, от него можно успетьспрятаться, кстати это полезно и от ударной волны.Ударная волна. Эффект воздушной ударной волны оценим из 5∆P V /2 ∼ 0,5E ≈ 5 · 1020 эрг,здесь V = 4πR3 /3. Считая избыточное давление порядка 1 атм (при этом разрушаются почтилюбые здания), получаем радиус опасной зоны R ∼ (5 · 1020 /(106 · 2π))1/3 ≈ 1000 м. Для 1 Мтопасный радиус будет в 501/3 раза больше, то есть около 3,5 км. Человек несколько устойчивеек ударной волне, чем строения.
Прямое действие волны опасно для жизни, начиная примернос 10 атм (повреждения внутренних органов). Однако обломки зданий и пр., метаемые волной,опасны на гораздо бо́льших расстояниях; чувствительные места, как барабанные перепонки,тоже могут пострадать и при малых давлениях.Время подхода ударной волны (с минимальной скоростью звука 330 м/с) на расстояние 1км будет 3 с, а на 3 км – около 10 с. За это время можно поискать укрытие, если зрение непострадало от вспышки, либо просто лечь на землю, заткнув уши.Радиация.
Наконец, есть еще некоторая энергия в виде вспышки радиации (в основном γизлучение), которые человек поглощает не кожей, а всем организмом. Если допустить, чтоэнергия излучения порядка световой, то получится пять калорий на грамм веса в виде радиации. Это очень много. Опасная доза – так называемый грей (Гр), то есть 1 Дж/кг, примерносоответствует 100 рентгенам, а безусловно смертельная – 10 Гр.
Это всего 2 калории на килограмм, так что радиация опаснее света. Тем не менее этот фактор принято считать примерноаналогичным остальным, поскольку больше половины энергии γ-излучения не поглощается в2.9. Приложение 2. Ядерные инциденты103организме (пробег в воде для ослабления вдвое порядка 30 – 40 см), часть застревает в воздухе(тоже порядка половины для расстояния 1 км), а главное, почти все γ – излучение деленияпоглощается в оболочке бомбы.Причина вредоносности радиоактивного излучения – в его жесткости, то есть большойэнергии частиц.
Проникая в организм, частицы ионизуют и разбивают молекулы; образуютсясовершенно несвойственные клетке вещества и радикалы. Нормальный ход реакций в организме возможен исключительно благодаря биологическим катализаторам – ферментам. Например, из-за них «горение» пищи идет при 36,6 ◦ С, а не при тысячах градусов. Поврежденияэтих сложных молекул и производящих их структур клетки нарушают тонкий механизм жизнедеятельности. Многие ткани особо чувствительны к такому воздействию и просто перестаютработать. В частности, весьма уязвим костный мозг, в котором производятся клетки крови.Понять опасность радиации можно из житейской аналогии: пуля, масса которой на четырепорядка меньше массы человека, легко может этого человека убить за счет большой удельнойкинетической энергии.После взрыва территория заражается осколками деления (их примерно килограмм), которые в основном β-радиоактивны, а также остальным материалом бомбы и оболочки, в которыхнаводится радиоактивность, в частности, при поглощении нейтронов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
