3. Радіаційні надзвичайні ситуації при ядерному вибуху

Вражаюча дія ядерного вибуху визначається механічною дією ударної хвилі, тепловою дією світлового випромінювання, радіаційною дією проникаючої радіації і радіоактивного зараження. Для деяких елементів об'єктів вражаючим чинником з’являється електромагнітне випромінювання (електромагнітний імпульс) ядерного вибуху.

Розподіл енергії між вражаючими чинниками ядерного вибуху залежить від виду вибуху і умов, в яких він відбувається. При вибуху в атмосфері приблизно 50 % енергії вибуху витрачається на утворення ударної хвилі, 30 – 40 % - на світлове випромінювання, до 5 % - на проникаючу радіацію і електромагнітний імпульс і до 15 % - на радіоактивне зараження.

Для нейтронного вибуху характерні ті ж вражаючі чинники, проте інакше розподіляється енергія вибуху: 8 – 10 % на утворення ударної хвилі, 5 – 8 % на

світлове випромінювання і близько 85 % витрачається на утворення нейтронного і гамма-випромінювань (проникаючій радіації).

Дія вражаючих чинників ядерного вибуху на людей і елементи об'єктів відбувається не одночасно і розрізняється по тривалості дії, характеру і масштабу ураження.

Ударна хвиля

Ударна хвиля – це область різкого стиснення середовища, яке у вигляді сферичного шару розповсюджується на всі боки від місця вибуху з надзвуковою швидкістю. Залежно від середовища розповсюдження розрізняють ударну хвилю в повітрі, у воді або ґрунті (сейсмовибухові хвилі).

Ударна хвиля в повітрі утворюється за рахунок гігантської енергії, що виділяється в зоні реакції, де виключно висока температура, а тиск досягає мільярдів атмосфер (до 100000 млрд. Па). Розжарені пари і гази, розширюючись, проводять різкий удар по навколишніх шарах повітря, стискують їх до великого тиснення і щільності і нагрівають до високої температури. Ці шари повітря призводять в рух наступні шари. І так стиснення і переміщення повітря походить від одного шару до іншого на всі боки від центру вибуху, утворюючи повітряну ударну хвилю. Розширення розжарених газів відбувається в порівняно малих об'ємах, тому їх дія на помітніших видаленнях від центру ядерного вибуху зникає і основним носієм дії вибуху стає повітряна ударна хвиля. Поблизу центру вибуху швидкість розповсюдження ударної хвилі у декілька разів перевищує швидкість звуку в повітрі. Із збільшенням відстані від місця вибуху швидкість розповсюдження хвилі швидко падає, а ударна хвиля слабшає; на великих видаленнях ударна хвиля переходить в звичайну акустичну хвилю і швидкість її розповсюдження наближається до швидкості звуку в навколишньому середовищі, тобто до 340 м/с. Повітряна ударна хвиля при ядерному вибуху середньої потужності минає приблизно 1000 м за 1,4 с; 2000 м – за 4с; 3000 м – за 7 с; 5000 м за 12 с. Звідси

витікає, що чоловік побачивши спалах ядерного вибуху, за час до приходу ударної хвилі, може зайняти найближче укриття (складку місцевості, канаву кювет, простінок і т.п.) і тим самим зменшити вірогідність ураження ударною хвилею.

Перед фронтом ударної хвилі тиск в повітрі рівний атмосферному Р_0.. З приходом фронту ударної хвилі в дану точку простору тиск різко (стрибком) збільшується і досягає максимального Р_ф = Р₀ + ΔР_ф. Також різко в цій точці виникає щільність, температура і швидкість руху середовища (повітря).

Після того, як фронт ударної хвилі (її передня межа) проходить дану точку простору, тиск в ній поступово знижується і через деякий проміжок часу стає рівним атмосферному. Шар стислого повітря, що утворився, називається фазою стискування τ₊ . У цей період часу повітряна ударна хвиля володіє найбільшою руйнуючою дією. З видаленням від центру вибуху тиск у фронті ударної хвилі зменшується, а товщина шару стиснення весь час зростає. Останнє відбувається в результаті залучення до руху нових мас повітря.

Надалі, продовжуючи зменшуватися, тиск стає нижчим атмосферного, і повітря починає рухатися в напрямі, протилежному розповсюдженню ударної хвилі, тобто до центру вибуху. Ця зона зниженого тиску називається фазою розрідження τ_- . У фазі розрідження ударна хвиля проводить менше руйнування, чим у фазі стиснення, оскільки максимальний негативний тиск значно менше максимального надлишкового тиску у фронті ударної хвилі.

Після закінчення періоду дії фази розрідження, коли тиск досягає значення тиску навколишнього середовища, практично припиняється рух мас повітря, а отже, і дія повітряної ударної хвилі.

Безпосередньо за фронтом ударної хвилі, в області стиснення, рухаються маси повітря. Внаслідок гальмування цих мас повітря при зустрічі з перешкодою виникає тиск швидкісного напору повітряної ударної хвилі. Коли фронт ударної хвилі досягає даної точки простору (перешкоди), швидкісний (вітровою) напір, як і надлишковий тиск, вмить піднімається від нуля до максимального значення. У міру віддалення від фронту швидкісний напір

зменшується до нуля декілька пізніше, ніж надлишковий тиск. Це пояснюється інерцією рухомого за фронтом ударної хвилі повітря. Проте для оцінки руйнуючої дії повітряної ударної хвилі ядерного вибуху ця різниця несуттєва і при розрахунках приймають тривалість дії швидкісного напору рівним часу дії фази стиснення. У фазі розрідження швидкісний напір дуже незначний і його руйнуюча дія, так само як і дію надлишкового тиску не враховують.

Основні параметри ударної хвилі, що характеризують її руйнуючу і вражаючу дію: надлишковий тиск у фронті ударної хвилі, тиск швидкісного напору, тривалість дії хвилі – тривалість фази стиснення і швидкість фронту ударної хвилі.

Надлишковий тиск у фронті ударної хвилі ΔР_ф – це різниця між максимальним тиском у фронті ударної хвилі і нормальним атмосферним тиском Р₀ перед цим фронтом. Одиниця вимірювання надлишкового тиску – паскаль (Па) або кілограм-сила на квадратний сантиметр (кгс/см²)^:

1 Па = 1 Н/м² = 0,102 кгс/м² = 1,02 _* 10-5 кгс/см².

Значення надлишкового тиску в основному залежить від потужності і виду вибуху і відстані. Вплив інших умов (рельєфу місцевості, метеоумов і ін.) може бути врахований шляхом введення відповідних поправок в значення величин, визначуваних для різних умов вибуху.

Для наземного вибуху, коли енергія вибуху розподіляється в півсфері і ударна хвиля переміщається уздовж поверхні землі, надлишковий тиск у фронті ударної хвилі може бути розрахований по формулі:

(3.1)

де ΔР_ф– надлишковий тиск у фронті ударної хвилі, кПа;

q_у.в. – тротиловий еквівалент ядерного вибуху по ударній хвилі, кг

q_у.в. = 0,5 q, де q – потужність вибуху (тротиловий еквівалент), кг;

R – відстань від центру вибуху, м.

При наземному вибуху на поверхню землі в кожен певний момент часу діє такий тиск, до якого стисле повітря у відповідній частині повітряної ударної хвилі.

У разі ядерних вибухів на великих висотах виключається вплив дії земної поверхні, що відображається, на значенні параметрів повітряної ударної хвилі. Тому при вибуху в однорідному середовищі значення надлишкового тиску буде значно менше. Це пояснюється тим, що на відміну від наземного вибуху енергія розподіляється не в півсфері, а в об'ємі всієї сфери.

При розповсюдженні ударної хвилі в повітрі, тобто на відстанях від центру вибуху R, менших висоти вибуху Н, надлишковий тиск може бути визначений як для вибуху в однорідному необмеженому середовищі. Ця падаюча хвиля П досягши поверхні землі відбивається, утворюючи відбиту ударну хвилю О. В районі епіцентру вибуху (у зоні радіусом, що не перевищує висоти вибуху, R<H), в так званій зоні регулярного відбиття залежить від тиску повітря у фронті ударної хвилі і тиску від різкої зупинки рухомих за фронтом ударної хвилі шарів стислого повітря, а також направлення руху ударної хвилі.

Якщо напрям розповсюдження ударної хвилі перпендикулярний нескінченній плоскій перешкоді (наприклад, поверхні землі), то досягши падаючою хвилею перешкоди максимальне надлишкове тиснення відбиття може бути обчислено за формулою

(3.2)

де ΔР_відб – надлишковий тиск у відбитій хвилі;

Р₀ – атмосферний тиск, за нормальних умов Р₀ = 101,3 кПа.

З рівняння (3.2) видно, що надлишковий тиск у відбитій ударній хвилі наближається до 8ΔР_ф – для великих значень надлишкового тиску падаючої хвилі і прагне до 2ΔР_ф – для малих значень надлишкового тиску.

У зоні регулярного відбиття не відбувається злиття фронтів падаючої і відбитої хвиль. В цьому випадку на предмет, розташований на деякій відстані від землі, впливатиме тиск падаючої хвилі, а через деякий проміжок часу – тиск відбитої ударної хвилі.

На відстані від епіцентру вибуху, що перевищують його висоту (R > H), - в зоні нерегулярного відбиття падаюча хвиля випереджає відбиту. Відбита ударна хвиля, розповсюджуючись в повітрі, нагрітому і стислому падаючою хвилею, рухається швидше падаючої хвилі. В результаті відбувається злиття падаючої і відбитої хвиль і утворюється один спільний фронт головної ударної хвилі, перпендикулярній поверхні землі. Із зростанням відстані від епіцентру вибуху висота фронту головної ударної хвилі збільшується. Предмети, що знаходяться в області дії головної ударної хвилі, випробовують від її дії один удар, а розташовані вище за фронт головної ударної хвилі (наприклад, верхня частина висотної будівлі) – випробовують тиск у вигляді двох ударів. Перший удар відбувається в результаті дії падаючої ударної хвилі, другий удар, через невеликий проміжок часу, - від відбитої хвилі.

На поверхні землі, в зоні нерегулярного відбиття, руйнуюча і вражаюча дія ударної хвилі оцінюється по надлишковому тиску у фронті головної ударної хвилі (ΔР_ф), яке значно вище за надлишковий тиск у фронті падаючої хвилі і залежить не тільки від потужності і відстані від епіцентру вибуху. Оптимальною висотою вибуху вважається така, при якій досягається найбільша площа руйнування. Так, руйнування міської забудови відбувається при дії надлишкового тиску 20 – 30 кПа; при цьому найбільші площі, при яких можлива така дія вибуху потужністю 1 Мт, утворюються при вибуху на висоті 2100 м.

Значення надлишкового тиску у фронті ударної хвилі і відповідні ним відстані для повітряного і наземного ядерного вибуху потужністю 1 Мт приведені в табл. 3.1.

Таблиця 3.1. Надлишковий тиск у фронті ударної хвилі

Надлишков. тиск, кПа	Відстань від вибуху, км.		Надлишков. тиск, кПа	Відстань від вибуху, км.
	повітря	наземний		повітря	наземний
1	40,0	31,0	35	4,6	4,8
5	22,0	20,0	40	4,3	4,5
6	20,0	17,2	45	3,9	4,3
8	17,0	13,8	50	3,6	4,0
10	14,0	11,1	55	3,4	3,8
12	12,3	9,8	60	3,2	3,6
15	10,0	8,5	65	3,1	3,5
20	7,5	7,0	70	2,9	3,3
25	6,4	6,0	80	2,6	3,1
30	5,3	5,4	100	2,2	2,9

З розглянутого характеру розповсюдження хвилі видно, що радіус ураження ударною хвилею наземного ядерного вибуху на порівняно невеликих відстанях більший, ніж радіус ураження ударною хвилею повітряного вибуху однакової потужності. На більш видалених відстанях, навпаки, - радіус ураження ударною хвилею повітряного вибуху більший, оскільки позначається вплив сумісної дії падаючою і відбитою ударних хвиль – головної повітряної ударної хвилі. Наприклад, надлишковий тиск у фронті повітряної ударної хвилі, рівне 80 кПа, при вибуху ядерного боєприпаси потужністю 1 Мт спостерігатиметься при наземному вибуху на відстані 3100 м, при повітрі – 2600 м.

Ступінь руйнування конструкцій визначається не тільки дією тиску фронту хвилі, але і гальмуванням руху мас повітря, що слідують за фронтом хвилі. Динамічне навантаження, що створюється потоком повітря, називається тиском швидкісного напору. Одиниця тиску швидкісного напору, як і надлишкового тиску, паскаль (Па).

Швидкісний напір повітря знаходиться в прямій залежності від швидкості і щільності повітря за фронтом ударної хвилі:

(3.3)

де Р_ск – швидкісний напір повітря, Па;

v – швидкість частинок повітря безпосередньо за фронтом ударної хвилі, м/с;

ρ – щільність повітря за фронтом ударної хвилі, кг/м3.

Швидкість і щільність частинок повітря залежать від надлишкового тиску ударної хвилі і навколишнього середовища. Для середніх температур повітря

(3.3а)

(3.3б)

де С₀ – швидкість звуку при нормальних умов (С₀ = 340 м/с – в повітрі; С₀ = 1500 м/с – у воді);

ρ_о – щільність повітря, кг/м³ (щільність повітря за нормальних умов С_о= 1,29 кг/м³).

Знаючи надлишковий тиск у фронті ударної хвилі, можна розрахувати швидкісний напір, тиск у фронті відбитої хвилі, швидкість і щільність частинок повітря за фронтом ударної хвилі ядерного вибуху.

Надлишковий тиск у фронті ударної хвилі для еталонної потужності ядерного вибуху і заданої відстані від центру (епіцентру) вибуху визначають, як правило, за допомогою таблиць (таблиця 3.1). Для обчислення параметрів ударної хвилі іншої потужності вибуху використовують закон подібності.

Закон подібності вибухів теоретично витікає із закону геометричної подібності, оскільки відстань від центру вибуху, на якому утворюється даний тиск, пропорційно кубічному кореню із потужності вибуху (об'єму однієї і тієї ж вибухової речовини):

при ΔP_ф = const (3.4)

де R₁ і R₂ – відстань від центру (епіцентру) вибухів із тротиловими еквівалентами q₁ і q₂ відповідно.

Якщо як еталонний вибух узяти вибух потужністю в 1 Мт (табл. 3.1), при якому q2 = 1, то з рівняння (3.4) виходить:

при ΔP_ф = const (3.5)

де R₁ – відстань від центру вибуху потужністю в 1 Мт.

Отже, для заданої відстані R₂ можна вичислити потужність вибуху q₂, необхідно для того, щоб утворився певний надлишковий тиск. Або, навпаки, для відомої потужності вибуху q₂, із рівняння (3.5) можна вичислити відповідну відстань.

Ударна хвиля у воді при підводному ядерному вибуху якісно нагадує ударну хвилю в повітрі. Проте підводна ударна хвиля відрізняється від повітряної ударної хвилі своїми параметрами. На одних і тих же відстанях тиск у фронті ударної хвилі у воді значно більше, ніж в повітрі, а час дії – менше. Наприклад, максимальний надлишковий тиск на відстані 900 м від центру ядерного вибуху потужністю 100 кг в глибокому водоймищі складає 19000 кПа, а при вибуху в повітряному середовищі – близько 100 кПа.

При наземному ядерному вибуху частина енергії вибуху витрачається на утворення хвилі стиснення в ґрунті. На відміну від ударної хвилі в повітрі вона характеризується менш різким збільшенням тиску у фронті хвилі, а також повільнішим його ослабленням за фронтом. Тиск у фронті хвилі стиснення зменшується досить швидко з видаленням від центру вибуху і на більших відстанях хвиля стиснення стає подібній сейсмічній хвилі.

При вибуху ядерного боєприпаси в ґрунті основна частина енергії вибуху передається навколишній масі ґрунту і призводить до могутнього струсу ґрунту, землетрусу, що нагадує по своїй дії.

Характер дії ударної хвилі на людей і тварин. Ударна хвиля може завдати незахищеним людям і тваринам травматичних поразок, контузії або бути причиною їх загибелі. Ураження можуть бути безпосередніми або непрямими.

Безпосередня поразка ударною хвилею виникає в результаті дії надлишкового тиску і швидкісного напору повітря. Зважаючи на невеликі розміри тіла людини ударна хвиля практично миттєво охоплює людину і піддає його сильному стискуванню. Процес стискування продовжується з інтенсивністю, що знижується, протягом всього періоду фази стиснення, тобто протягом декількох секунд. Миттєве підвищення тиску у момент приходу

ударної хвилі сприймається живим організмом як різкий удар. У той же самий час швидкісний напір створює значний лобовий опір, який може привести до переміщення тіла в просторі.

Непрямі ураження людей і тварини можуть одержати в результаті ударів уламками зруйнованих будівель і споруд або в результаті ударів осколків скла, шлаку, каменів, дерева і інших предметів, що летять із великою швидкістю. Наприклад, при надлишковому тиску у фронті ударної хвилі 35 кПа щільність осколків, що летять, досягає 3500 шт. на квадратний метр при середній швидкості переміщення цих предметів 50 м/с.

Характер і ступінь ураження незахищених людей і тварин залежать від потужності і виду вибуху, відстані, метеоумов, а також від місця знаходження (у будівлі, на відкритій місцевості) і положення (лежачи, сидячи, стоячи) людини.

Дія повітряної ударної хвилі на незахищених людей характеризується легкими, середніми, важкими і надто важкими травмами.

Надто важкі контузії і травми у людей виникають при надлишковому тиску більше 100 кПа. Наголошуються розриви внутрішніх органів, переломи кісток, внутрішні кровотечі, струс мозку, тривала втрата свідомості. Розриви спостерігаються в органах, що містять велику кількість крові (печінка, селезінка, нирки), наповнені газом (легені, кишечник) або порожнини, що мають, наповнені рідиною (шлуночки головного мозку, сечовий і жовчній міхури). Ці травми можуть привести до смертельного результату.

Важкі контузії і травми можливі при надлишковому тиску від 60 до 100 кПа. Вони характеризуються сильною контузією організму, непритомністю, переломами кісток, кровотечею з носа і вух; можливі пошкодження внутрішніх органів і внутрішні кровотечі.

Поразки середньої тяжкості виникають при надлишковому тиску 40 – 60 кПа. При цьому можуть бути вивихи кінцівок, контузія головного мозку, пошкодження органів слуху, кровотеча з носа і вух.

Легкі ураження наступають при надлишковому тиску 20 – 40 кПа. Вони виражаються в швидкопроходячих порушеннях функцій організму (дзвін у вухах, запаморочення, головний біль). Можливі вивихи, удари.

Надлишковий тиск у фронті ударної хвилі 10 кПа і менш для людей і тварин, розташованих зовні укриттів вважаються безпечними.

Радіус поразки уламками будівель, особливо осколками стекол, що руйнуються при надлишковому тиску більше 2 кПа може перевищувати радіус безпосередньої поразки ударною хвилею.

Гарантований захист людей від ударної хвилі забезпечується при укритті їх в притулках. За відсутності притулків використовуються протирадіаційні укриття, підземні вироблення, природні укриття і рельєф місцевості.

Механічна дія ударної хвилі. Характер руйнування елементів об'єкту (предметів) залежить від навантаження, створюваною ударною хвилею, і реакції предмету на дію цього навантаження.

Загальну оцінку руйнувань, спричинених ударною хвилею ядерного вибуху, прийнято давати по ступеню тяжкості цих руйнувань. Для більшості елементів об'єкту розглядають три ступені – слабке, середнє і сильне руйнування.

Стосовно цивільних і промислових будівель ступені руйнування характеризуються таким станом конструкції.

Слабке руйнування. Руйнуються віконні і дверні заповнення і легкі перегородки, частково руйнується крівля, можливі тріщини в стінах верхніх поверхів. Підвали і нижні поверхи зберігаються повністю. Знаходитися в будівлі безпечно, і воно може експлуатуватися після поточного ремонту.

Середнє руйнування виявляється в руйнуванні дахів і вбудованих елементів – внутрішніх перегородок, вікон, а також у виникненні тріщин в стінах, обваленні окремих ділянок горищних перекриттів і стін верхніх поверхів. Підвали зберігаються. Після розчищення і ремонту може бути використана частина приміщень нижніх поверхів. Відновлення будівель можливе при проведенні капітального ремонту.

Сильне руйнування характеризується руйнуванням несучих конструкцій і перекриттів верхніх поверхів, утворенням тріщин в стінах і деформацією перекриттів нижніх поверхів. Використання приміщень стає неможливим, а ремонт і відновлення найчастіше недоцільним.

Повне руйнування. Руйнуються всі основні елементи будівлі, включаючи і несучі конструкції. Використовувати будівлі неможливо. Підвальні приміщення при сильних і повних руйнуваннях можуть зберігатися і після розбору завалів частково використовуватися.

Енергетичне, промислове і комунальне обладнання може мати наступні ступені руйнувань.

Слабкі руйнування: деформації трубопроводів, їх пошкодження на стиках; пошкодження і руйнування контрольно-вимірювальної апаратури; пошкодження верхніх частин колодязів на водо-, тепло- і газових мережах; окремі розриви на лінії електропередач (ЛЕП); пошкодження верстатів, що вимагають заміни електропроводки, приладів і інших пошкоджених частин.

Середні руйнування: окремі розриви і деформації трубопроводів, кабелів; деформації і пошкодження окремих опор ЛЕП; деформація і зсув на опорах цистерн, руйнування їх вище за рівень рідини; пошкодження верстатів, що вимагають капітального ремонту.

Сильні руйнування: масові розриви трубопроводів, кабелів і руйнування опор ЛЕП і інші руйнування, які не можна усунути при капітальному ремонті.

Найбільш стійкі підземні енергетичні мережі. Газові, водопровідні і каналізаційні підземні мережі руйнуються лише при наземних вибухах в безпосередній близькості від центру при тиску ударної хвилі 600 – 1500 кПа.