16. juulil 1945 USA õhujõudude baasil New Mexico'is toimus sündmus, mis muutis kogu hilisemat inimkonna ajalugu. 5 tundi 30 minutit kohaliku aja järgi plahvatas siin maailma esimene tuumapommikompuuter, mille võimsus on 20 kilotonit TNT-s. Tunnistajate sõnul ületas plahvatuse heledus tunduvalt päikesevalgust keskpäeval ja pilvikujuline seene kuju vaid viie minuti jooksul jõudis 11 kilomeetri kõrguseni. Need edukad uuringud olid uue inimkonna ajastu algus - tuum. Mõne kuu pärast kogevad Hirosima ja Nagasaki inimesed täielikult loodud relva jõudu ja raevu.
Ameerikastel ei olnud pikka aega monopoli tuumapommis ja järgnevad neli aastakümmet sai USA ja NSVLi vahelise raske vastasseisu periood, mis sisaldus külma sõja ajaloolistes raamatutes. Tuumarelvad on täna kõige olulisem strateegiline tegur, millega igaühel tuleb arvestada. Tänapäeval sisaldab eliitne tuumaklubi tegelikult kaheksa riiki, mitu riiki tegelevad tõsiselt tuumarelvade loomisega. Enamik tasudest on Ameerika Ühendriikide ja Venemaa arsenal.
Mis on tuumaplahvatus? Millised nad on ja milline on tuumaplahvatuse füüsika? Kas kaasaegsed tuumarelvad erinevad Jaapani linnades seitsekümmend aastat tagasi langenud tasudest? Noh ja peamine asi: millised on tuumalõhkamise peamised silmatorkavad tegurid ja kas nende mõju vastu on võimalik kaitsta? Kõik see arutatakse selles materjalis.
Selle küsimuse ajaloost
19. sajandi lõpus ja 20. sajandi esimeses kvartalis sai tuumafüüsika jaoks enneolematuid läbimurdeid ja hämmastavaid saavutusi. 1930-ndate aastate keskpaigaks olid teadlased teinud peaaegu kõik teoreetilised avastused, mis võimaldasid luua tuumakulusid. 1930. aastate alguses jagati aatomituuma esimest korda ja 1934. aastal patenteeris ungari füüsik Silard tuumareaktori disaini.
1938. aastal avastasid neutronite pommitamise ajal uraani lõhustumise protsessi kolm Saksa teadlast - Fritz Strassmann, Otto Hahn ja Lisa Meitner. See oli viimane peatus Hirosima poole, peagi sai Prantsuse füüsik Frederic Joliot-Curie patendi uraani pommi kujundamiseks. 1941. aastal lõpetas Fermi tuumaahela reaktsiooni teooria.
Sel ajal tõmbas maailm paratamatult uude globaalsesse sõda, nii et teadlaste uurimus, mille eesmärk oli luua enneolematu purustamisjõud, ei saanud märkamatuks jääda. Suur huvi selliste uuringute vastu näitas Hitleri Saksamaa juhtimist. See riik, millel on suurepärane teaduskool, võib olla esimene, kes loob tuumarelvi. See väljavaade häiris oluliselt juhtivaid teadlasi, kellest enamik olid äärmiselt Saksa vastased. Augustis 1939 kirjutas Albert Einstein oma sõbra Sylardi taotlusel Ameerika Ühendriikide presidendile kirja, mis näitab ohtu tuumapommile Hitleris. Selle kirjavahetuse tulemuseks oli esmalt uraani komitee ja seejärel Manhattani projekt, mis viis Ameerika tuumarelvade loomiseni. 1945. aastal oli Ameerika Ühendriikides juba kolm pommi: plutooniumi "väike asi" ("Gadget") ja "rasvane mees" (Fat boy) ning ka uraan "Little boy" (väike poiss). Ameerika NW "vanemad" on teadlased Fermi ja Oppenheimer.
16. juulil 1945 õnnestus uues Mehhikos asuvas paigas kahjustada "väikseid asju" ning augustis langesid "Kid" ja "Fat Man" Jaapani linnadesse. Pommitamise tulemused ületasid sõjaväe ootusi.
1949. aastal ilmusid Nõukogude Liidus tuumarelvad. Aastal 1952 testisid ameeriklased esimest seadet, mis põhines tuumasünteesil, mitte lagunemisel. Varsti loodi NSV Liidus termotuuma pomm.
Aastal 1954 puhusid ameeriklased 15 megatoni trinitrotolueeni seadet. Kuid kõige võimsam tuumaplahvatus ajaloos toimus paar aastat hiljem - Novaja Zemljasse puhuti 50-megatiline tsaar-Bomba.
Õnneks mõistsid nii NSV Liidus kui ka USAs kiiresti, mis võib tuua kaasa ulatusliku tuuma sõja. Seetõttu sõlmisid suurriigid 1967. aastal NPT tuumarelva leviku tõkestamise lepingu. Hiljem töötati välja mitmeid selle valdkonnaga seotud kokkuleppeid: SALT-I ja SALT-II, START-I ja START-II jne.
NSV Liidus toimus tuumalõhkamine Novaja Zemljal ja Kasahstanis, testisid ameeriklased oma tuumarelvaid Nevada osariigi katsekohas. 1996. aastal võtsime vastu kokkuleppe tuumarelvade katsetamise keelamiseks.
Kuidas on aatomipomm?
Tuumaplahvatus on kaootiline protsess, mis vabastab suure hulga energiat, mis tekib tuuma lõhustumise või sünteesi reaktsiooni tulemusena. Sarnased ja võrreldavad võimsusprotsessid toimuvad tähtede sügavustes.
Iga aine aatomi tuum jaguneb neutronite neeldumise korral, kuid enamiku perioodilise tabeli elementide puhul nõuab see märkimisväärse energia kulutamist. Siiski on selliseid reaktsioone võimelised elemendid neutronite mõjul, millel on mis tahes - isegi minimaalne - energia. Neid nimetatakse lõhustuvateks.
Tuumarelvade loomiseks kasutatakse uraani-235 või plutoonium-239 isotoope. Esimene element on maapõues, seda saab eraldada looduslikust uraanist (rikastamine) ja tuumareaktorites saadakse kunstlikult plutooniumi. On ka teisi lõhustuvaid elemente, mida saab tuumarelvades teoreetiliselt kasutada, kuid nende vastuvõtmisega kaasnevad suured raskused ja kulud, mistõttu neid ei kasutata peaaegu kunagi.
Tuumareaktsiooni peamine tunnusjoon on selle ahel, st isemajandav iseloom. Kui aatom on kiiritatud neutronitega, laguneb see kaheks fragmendiks suure hulga energia vabastamisega, samuti kahe sekundaarse neutroniga, mis omakorda võivad põhjustada naabruses olevate tuumade lõhustumist. Seega muutub protsess kaskaadiks. Lühikese aja jooksul tuumaahela reaktsiooni tulemusena moodustub väga piiratud mahus tohutu hulk lagunevate tuumade ja aatomite kõrget temperatuuri sisaldava plasma kujul: neutronid, elektronid ja elektromagnetkiirguse kvantaadid. See tromb laieneb kiiresti, moodustades tohutu hävitava jõuga šokklaine.
Valdav enamus kaasaegsetest tuumarelvadest ei tööta ahela lagunemisreaktsiooni alusel, vaid tänu kõrgete temperatuuride ja kõrge rõhu all olevate valguselementide tuumade sulandumisele. Sel juhul vabaneb veelgi suurem energia kui tuumade nagu uraan või plutoonium lagunemisel, kuid põhimõtteliselt ei muutu tulemus - moodustub kõrge temperatuuriga plasma piirkond. Selliseid transformatsioone nimetatakse termotuumasünteesireaktsioonideks ja laengud, milles neid kasutatakse, on termotuumas.
Eraldi tuleks öelda tuumarelvade eriliikide kohta, milles enamik lõhustumise (või sünteesi) energiast on suunatud ühele kahjustuse tegurile. Nende hulka kuuluvad neutronlambid, mis tekitavad kõva kiirguse voo, samuti nn koobaltipomm, mis annab piirkonna maksimaalse kiirguse saastumise.
Millised on tuumarõhud?
Tuumaplahvatuste peamised klassifikatsioonid on kaks:
- võimul;
- asukoha järgi (laadimispunkt) plahvatuse ajal.
Võimsus on tuumaplahvatuse määrav tunnus. See sõltub täieliku hävitamise tsooni raadiusest ning kiirgusega saastunud territooriumi suurusest.
Selle parameetri hindamiseks kasutatakse TNT ekvivalenti. See näitab, kui palju tuleb trinitrotolueeni puhastada, et saada võrreldavat energiat. Selle klassifikatsiooni kohaselt on olemas järgmised tuumaplahvatuse liigid:
- väga väike;
- väike;
- keskkond;
- suur;
- eriti suur.
Ultralow (kuni 1 kT) plahvatuse korral moodustatakse tulepall läbimõõduga kuni 200 meetrit ja seene pilv kõrgusega 3,5 km. Super-suurtel on võimsus üle 1 mT, nende tulekera ületab 2 km ja pilve kõrgus on 8,5 km.
Samavõrd oluline omadus on tuumamaksu asukoht enne plahvatust, samuti keskkond, kus see toimub. Selle põhjal eristatakse järgmisi tuumaplahvatuste liike:
- Atmosfäär. Selle keskus võib olla mitme meetri kõrgusel kuni kümnete või isegi sadade kilomeetrite kõrgusel maapinnast. Viimasel juhul kuulub see kõrge kõrguse kategooriasse (15 kuni 100 km). Antenni tuumalõhkamisel on sfääriline välku kuju;
- Kosmiline. Sellesse kategooriasse kuulumiseks peab selle kõrgus olema üle 100 km;
- Maa. See rühm hõlmab mitte ainult plahvatusi maa pinnal, vaid ka mitme meetri kõrgusel. Nad läbivad mulla vabanemise ja ilma selleta;
- Underground. Pärast tuumarelvade katsetamise keelu atmosfääris, maa peal, vee all ja kosmoses (1963) allkirjastamist oli see tüüp ainus võimalus tuumarelvade katsetamiseks. Seda tehakse erinevatel sügavustel, mitmetest kümnetest kuni sadade meetriteni. Maa paksuse all moodustatakse õõnsus või kokkuvarisemise kolonn, šokklaine jõud on oluliselt nõrgenenud (sõltuvalt sügavusest);
- Pind Sõltuvalt kõrgusest võib see olla kontaktivaba ja kontakti. Viimasel juhul on veealuse löögi teke;
- Veealune. Selle sügavus on erinev, kümnetest kuni sadade meetriteni. Selle põhjal on tal oma omadused: "Sultani" olemasolu või puudumine, radioaktiivse saastumise laad jne.
Mis juhtub tuumalõhkes?
Pärast reaktsiooni algust eraldub lühikese aja jooksul ja väga piiratud mahus märkimisväärne kogus soojust ja kiirgust. Selle tulemusena tõuseb temperatuur ja rõhk tuumaplahvatuse keskmesse tohututesse väärtustesse. Seda faasi tajutakse kaugelt väga helendava punktina. Praeguses etapis muundatakse enamik energiat elektromagnetiliseks kiirguseks, peamiselt spektri röntgeniosas. Seda nimetatakse primaarseks.
Välisõhk kuumutatakse ja väljutatakse plahvatuspunktist ülehelikiirusel. Moodustub pilv ja moodustub sellest eraldatud lööklaine. See toimub umbes 0,1 msek pärast reaktsiooni algust. Kui see jahtub, kasvab pilv ja hakkab tõusma, tõmmates mööda nakatunud pinnaseosakesi ja õhku. Tuumaplahvatuse lehtri moodustamise epitsentris.
Tuumareaktsioonid, mis tekivad sel ajal, muutuvad paljude erinevate kiirguste allikaks, alates gammakiirtest ja neutronitest kuni kõrge energiaga elektronidesse ja aatomituumadesse. Nii tekib tuumalõhkeaine tungiv kiirgus - üks peamisi tuumarelvade kahjustavaid tegureid. Lisaks mõjutab see kiirgus ümbritseva aine aatomeid, muutes need radioaktiivseteks isotoopideks, mis nakatavad piirkonda.
Gammakiirgus ioniseerib keskkonna aatomid, luues elektromagnetilise impulsi (EMP), mis keelab läheduses olevad elektroonilised seadmed. Kõrge kõrgusega atmosfäärirõhu elektromagnetiline impulss levib palju suuremale alale kui maapinnal või madalal kõrgusel.
Mis on ohtlikud aatomirelvad ja kuidas seda kaitsta?
Tuumaplahvatuse peamised silmatorkavad tegurid:
- valguskiirgus;
- lööklaine;
- läbitungiv kiirgus;
- piirkonna saastumine;
- elektromagnetiline impulss.
Kui räägime maapealsest plahvatusest, siis läheb poole energiast (50%) löögilaine ja lehtri moodustumisest, umbes 30% pärineb tuumalõhkamise kiirgusest, 5% elektromagnetilisest impulssist ja läbitungivast kiirgusest ning 15% pinnase saastumisest.
Tuumarelvade kerge kiirgus on üks peamisi tuumarelvade kahjulikke tegureid. See on tugev kiirgusenergia voog, mis hõlmab spektri ultraviolett-, infrapuna- ja nähtavate osade kiirgust. Selle allikas on plahvatuse pilv eksistentsi varases staadiumis (fireball). Sel ajal on selle temperatuur vahemikus 6 kuni 8 tuhat ° C.
Valguskiirgus levib peaaegu koheselt, selle teguri kestus arvutatakse sekundites (kuni 20 sekundit). Lühikese kestuse vaatamata on kerge kiirgus väga ohtlik. Epitsentrist lühikese vahemaa tagant põletab see kõik tuleohtlikud materjalid ja viib kaugelt tulekahjudesse ja tulekahjudesse. Isegi märkimisväärsel kaugusel plahvatusest võib kahjustada nägemisorganeid ja nahapõletusi.
Kuna kiirgus levib sirgjoonena, võib mis tahes mitteläbipaistev barjäär saada selle vastu kaitseks. See kahjustav tegur nõrgeneb oluliselt suitsu, udu või tolmu juuresolekul.
Tuumarelvade lööklaine on tuumarelvade kõige ohtlikum tegur. Enim kahju inimestele, samuti esemete hävitamine ja kahjustumine tuleneb just selle mõjust. Löögilaine on keskkonda (vesi, pinnas või õhk) terava kokkusurumise ala, mis liigub epitsentrist kõigis suundades. Kui me räägime atmosfäärirõhust, siis on lööklaine kiirus 350 m / s. Suureneva kaugusega langeb kiirus kiiresti.
Sellel kahjulikul teguril on otsene mõju liigse surve ja kiiruse tõttu, samuti võib inimene kannatada mitmesuguste prahtide tõttu, mida ta kannab. Laine epitsentrile lähemal on tõsised seismilised vibratsioonid, mis võivad alandada maa-aluseid rajatisi ja side.
Tuleb mõista, et ei hooned ega isegi spetsiaalsed varjupaigad ei suuda kaitsta epitsentri vahetus läheduses oleva löögi eest. Siiski on need üsna kaugel sellest kaugel. Selle teguri hävitav jõud vähendab oluliselt maastiku voldeid.
Läbiv kiirgus. See kahjulik tegur on kõva kiirguse voog, mis koosneb plahvatuse epitsentrist eralduvatest neutronitest ja gammakiirtest. Selle mõju, nagu ka valgus, on lühiajaline, sest see imendub tugevalt atmosfääri. Läbiv kiirgus on 10-15 sekundit pärast tuumaplahvatust ohtlik. Samal põhjusel võib see mõjutada inimest ainult epitsentrist suhteliselt lühikese vahemaa kaugusel - 2-3 km. Kui see eemaldatakse, väheneb kiirgusega kokkupuutumise tase kiiresti.
Läbi meie keha kudede, ioniseerib osakeste voolu molekulid, häirides normaalset bioloogiliste protsesside voolu, mis viib keha kõige olulisemate süsteemide rikke. Raskete kahjustuste korral esineb kiirgushaigus. See tegur avaldab mõnele materjalile laastavat mõju ning häirib ka elektroonilisi ja optilisi seadmeid.
Läbiva kiirguse eest kaitsmiseks kasutatakse absorbeerivaid materjale. Gammakiirguse korral on need olulised aatomimassiga rasked elemendid: näiteks plii või raud. Kuid need ained haaravad neutronid halvasti, lisaks sellele põhjustavad need osakesed metallide indutseeritud radioaktiivsust. Neutronid imenduvad omakorda hästi kergete elementidega nagu liitium või vesinik. Objektide või sõjalise varustuse keeruliseks kaitseks kasutatakse mitmekihilisi materjale. Näiteks läbis kaevandusseadmete juht MBR raudbetooniga ja liitiumiga mahutitega. Tuumaelektrijaamade ehitamisel lisatakse ehitusmaterjalidele sageli boori.
Elektromagnetiline impulss. Silmatorkav tegur, mis ei mõjuta inimeste või loomade tervist, kuid elektrooniliste seadmete keelamine.
Tugev elektromagnetvälja tekib pärast tuuma plahvatust, mis on tingitud kokkupuutest keskkonnaga. Selle mõju on lühike (paar millisekundit), kuid piisab ka seadmete ja elektriliinide kahjustamisest. Õhu tugev ionisatsioon häirib raadioside ja radarite normaalset tööd, nii et tuumarelvade lõhkamist kasutatakse raketirünnakute hoiatussüsteemi pimestamiseks.
Tõhus viis EMR-i kaitsmiseks on elektroonikaseadmete varjestus. Seda on praktikas kasutatud juba aastakümneid.
Kiirguse saastumine. Selle kahjustusteguri allikaks on tuumareaktsioonide saadused, laengu kasutamata osa ning indutseeritud kiirgus. Tuumaplahvatuse infektsioon kujutab endast tõsist ohtu inimeste tervisele, eriti kuna paljude isotoopide poolväärtusaeg on väga pikk.
Radioaktiivsete ainete sadestumise tagajärjel tekib õhu, maastiku ja esemete nakkus. Nad ladestatakse mööda teed, moodustades radioaktiivse jälje. Lisaks väheneb oht epitsentrist kaugemale, kuna oht väheneb. Ja muidugi muutub plahvatusala ise nakkuse piirkonnaks. Enamik ohtlikke aineid langevad sademena 12-24 tunni jooksul pärast plahvatust.
Selle teguri peamised parameetrid on kiirguse annus ja selle võimsus.
Радиоактивные продукты способны испускать три вида частиц: альфа, бета и гамма. Первые два не обладают серьезной проникающей способностью, поэтому представляют меньшую угрозу. Наибольшую опасность представляет возможное попадание радиоактивных веществ внутрь организма вместе с воздухом, пищей и водой.
Лучший способ защиты от радиоактивных продуктов - это полная изоляция людей от их воздействия. После применения ЯО должна быть создана карта местности с указанием наиболее загрязненных областей, посещение которых строго запрещено. Необходимо создать условия, препятствующие попаданию нежелательных веществ в воду или пищу. Люди и техника, посещающая загрязненные участки, обязательно должны проходить дезактивационные процедуры. Еще одним эффективным способом являются индивидуальные средства защиты: противогазы, респираторы, костюмы ОЗК.
Правдой является то, что различные способы защиты от ядерного взрыва могут спасти жизнь только, если вы находитесь достаточно далеко от его эпицентра. В непосредственной близости от него все будет превращено в мелкий оплавленный щебень, а любые убежища уничтожены сейсмическими колебаниями.
Кроме того, ядерная атака непременно приведет к разрушению инфраструктуры, панике, развитию инфекционных заболеваний. Подобные явления можно назвать вторичным поражающим фактором ЯО. К еще более тяжелым результатам способен привести ядерный взрыв на атомной электростанции. В этом случае в окружающую среду будут выброшены тонны радиоактивных изотопов, часть из которых имеет длительный период полураспада.
Как показал трагический опыт Хиросимы и Нагасаки, ядерный взрыв не только убивает людей и калечит их тела, но и наносит жертвам сильнейшие психологические травмы. Апокалиптические зрелища постядерного ландшафта, масштабные пожары и разрушения, обилие тел и стоны обугленных умирающих вызывают у человека ни с чем не сравнимые душевные страдания. Многие из переживших кошмар ядерных бомбардировок в будущем так и не смогли избавиться от серьезных разладов психики. В Японии для этой категории придумали специальное название - "Хибакуся".
Атом в мирных целях
Энергия цепной ядерной реакции - это самая мощная сила, доступная сегодня человеку. Неудивительно, что ее попытались приспособить для выполнения мирных задач. Особенно много подобных проектов разрабатывалось в СССР. Из 135 взрывов, проведенных в Советском Союзе с 1965 по 1988 год, 124 относились к "мирным", а остальные были выполнены в интересах военных.
С помощью подземных ядерных взрывов планировали сооружать водохранилища, а также емкости для сберегания природного газа и токсичных отходов. Водоемы, созданные подобным способом, должны были иметь значительную глубину и сравнительно небольшую площадь зеркала, что считалось важным преимуществом.
Их хотели использовать для поворота сибирских рек на юг страны, с их помощью собирались рыть каналы. Правда, для подобных проектов думали пустить в дело небольшие по мощности "чистые" заряды, создать которые так и не получилось.
В СССР разрабатывались десятки проектов подземных ядерных взрывов для добычи полезных ископаемых. Их намеревались использовать для повышения отдачи нефтеносных месторождений. Таким же образом хотели перекрывать аварийные скважины. В Донбассе провели подземный взрыв для удаления метана из угленосных слоев.
Ядерные взрывы послужили и на благо теоретической науки. С их помощью изучалось строение Земли, различные сейсмические процессы, происходящие в ее недрах. Были предложения путем подрыва ЯО бороться с землетрясениями.
Мощь, скрытая в атоме, привлекала не только советских ученых. В США разрабатывался проект космического корабля, тягу которого должна была создавать энергия атома: до реализации дело не дошло.
До сих пор значение советских экспериментов в этой области не оценено по достоинству. Информация о ядерных взрывах в СССР по большей части закрыта, о некоторых подобных проектах мы почти ничего не знаем. Сложно определить их научное значение, а также возможную опасность для окружающей среды.
В последние годы с помощью ЯО планируют бороться с космической угрозой - возможным ударом астероида или кометы.
Ядерное оружие - это самое страшное изобретение человечества, а его взрыв - наиболее "инфернальное" средство уничтожения из всех существующих на земле. Создав его, человечество приблизилось к черте, за которой может быть конец нашей цивилизации. И пускай сегодня нет напряженности Холодной войны, но угроза от этого не стала меньшей.
В наши дни самая большая опасность - это дальнейшее бесконтрольное распространение ядерного оружия. Чем больше государств будут им обладать, тем выше вероятность, что кто-то не выдержит и нажмет пресловутую "красную кнопку". Тем более, что сегодня заполучить бомбу пытаются наиболее агрессивные и маргинальные режимы на планете.
