Как производят подземный ядерный взрыв? На какой глубине взрывают бомбу?


Я́дерный взрыв — неуправляемый процесс высвобождения большого количества тепловой и лучистой энергии в результате цепной ядерной реакции деления (или термоядерного синтеза в случае термоядерного взрыва) за очень малый промежуток времени.
По своему происхождению ядерные взрывы являются либо продуктом деятельности человека на Земле и в околоземном космическом пространстве, либо природными процессами на некоторых видах звёзд. Искусственные ядерные взрывы — мощное оружие, предназначенное для уничтожения крупных наземных и защищённых подземных военных объектов, скоплений войск и техники противника (в основном тактическое ядерное оружие), а также полного подавления и уничтожения противоборствующей стороны: разрушения больших и малых населённых пунктов с мирным населением, стратегической промышленности, крупных транспортных узлов, деловых центров. . Атомные ядра некоторых изотопов химических элементов с большой атомной массой (например, урана или плутония) при их облучении нейтронами определённой энергии теряют свою устойчивость и распадаются с выделением энергии на два меньших и приблизительно равных по массе осколка — происходит реакция деления атомного ядра 0 1 n + 92 235 U → 56 141 B a + 36 92 K r + 3 0 1 n {\displaystyle \mathrm {^{1}_{0}n} +\mathrm {^{235}_{92}U} \rightarrow \mathrm {^{141}_{56}Ba} +\mathrm {^{92}_{36}Kr} +3\mathrm {^{1}_{0}n} } . При этом наряду с осколками, обладающими большой кинетической энергией, выделяются ещё несколько нейтронов, которые способны вызвать аналогичный процесс в соседних таких же атомах. В свою очередь, нейтроны, образовавшиеся при их делении, могут привести к делению новых порций атомов — реакция становится цепной, приобретает каскадный характер. В зависимости от внешних условий, количества и чистоты расщепляющегося материала её течение может происходить по-разному.
Вылет нейтронов из зоны деления или их поглощение без последующего деления сокращает число делений в новых стадиях цепной реакции, что приводит к её затуханию. При равном числе расщеплённых ядер в обеих стадиях цепная реакция становится самоподдерживающейся, а в случае превышения количества расщеплённых ядер в каждой последующей стадии в реакцию вовлекаются всё новые атомы расщепляющегося вещества. Если такое превышение является многократным, то в ограниченном объёме за очень короткий промежуток времени образуется большое количество атомных ядер-осколков деления, электронов, нейтронов и квантов электромагнитного излучения с очень высокой энергией. Единственно возможной формой их существования является агрегатное состояние высокотемпературной плазмы, в сгусток которой превращается весь расщепляющийся материал и любое другое вещество в его окрестности. Этот сгусток не может быть сдержан в своём первоначальном объёме и стремится перейти в равновесное состояние путём расширения в окружающую среду и теплообмена с ней. Поскольку скорость упорядоченного движения составляющих сгусток частиц намного выше скорости звука как в нём, так и в окружающей его среде (если это не вакуум), расширение не может иметь плавного характера и сопровождается образованием ударной волны — то есть носит характер взрыва. .
Реакции термоядерного синтеза с выделением энергии возможны только среди элементов с небольшой атомной массой, не превышающих приблизительно атомную массу железа. Они не носят цепного характера и возможны только при высоких давлениях и температурах, когда кинетической энергии сталкивающихся атомных ядер достаточно для преодоления кулоновского барьера отталкивания между ними, либо для заметной вероятности их слияния за счёт действия туннельного эффекта квантовой механики. Для возможности этого процесса необходимо совершить работу для разгона исходных атомных ядер до высоких скоростей, но если они сольются в новое ядро, то выделившаяся при этом энергия будет больше, чем затраченная. Появление нового ядра в результате термоядерного синтеза как правило сопровождается образованием различного рода элементарных частиц и высокоэнергетичных квантов электромагнитного излучения. Наряду со вновь образовавшимся ядром все они имеют большую кинетическую энергию, то есть в реакции термоядерного синтеза происходит преобразование внутриядерной энергии сильного взаимодействия в тепловую. Как следствие, в итоге результат оказывается тот же, что и в случае цепной реакции деления — в ограниченном объёме образуется сгусток высокотемпературной плазмы, расширение которого в окружающей плотной среде имеет характер взрыва. .
Ядерные взрывы обычно классифицируют по двум признакам: мощности заряда, производящего 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 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. . [лит 1] (С. 35, 48)[лит 2] (С.
629). 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 на высоте около 4 км советской 58-мегатонной термоядерной бомбы АН602, прозванной Царь-бомба, на полигоне на Новой Земле. Причём испытана на неполную мощность, в так называемом чистом варианте.
Полная проектная мощность с урановой оболочкой-отражателем нейтронов могла бы составить порядка 100 мегатонн тротилового эквивалента. . Приведённая высота (глубина) заряда в метрах на тонны тротилового эквивалента в кубическом корне (в скобках пример для взрыва мощностью 1 мегатонна)[лит 3] (C. 146 и др.), [лит 1] (С. 26): . Возможны также переходные случаи, при которых образуется подводная донная воронка и происходит выброс воды и грунта: . Плазменный шар космического взрыва Доминик Шах и мат, 7 кт на высоте 147 км .
Эффекты космического взрыва Доминик Морская звезда, 1,45 Мт на высоте 400 км . Высотный взрыв Hardtack Teak[en], 3,8 Мт на высоте 76,8 км . Огненный шар высотного воздушного взрыва (Операция Ranger) . Усечённый огненный шар низкого воздушного взрыва Upshot-Knothole Grable, 15 кт на высоте 160 м . Огненная полусфера наземного взрыва Иви Майк и молнии, 10,4 Мт . Подводная воронка диаметром 1,5 км на месте острова Элугелаб[en] (атолл Эниветок) после наземного взрыва Иви Майк, 10,4 Мт . Огненный пузырь подводного взрыва Доминик Рыба-меч, 20 кт на глубине 200 м, вид с воздуха .
Остаток вышки после взрыва на ней заряда Teapot Пчела, 8 кт на высоте 150 м . Неглубокая воронка после наземного контактного взрыва РДС-6с, 400 кт на башне 30 м . Выход парового пузыря через 10-15 сек после взрыва Вигвам, 30 кт на глубине 610 м . Озеро Чаган, затопленная воронка подземного взрыва Чаган, 170 кт на глубине 178 м . Кратер диаметром 390 м и глубиной 100 м после взрыва Седан, 104 кт на глубине 194 м . Холм вспучивания от подземного испытания Whetstone Sulky[en], 0,087 кт на глубине 27 м . Провальные воронки камуфлетных взрывов (равнина Юкка Флэт[en]) .
Внутри котловой полости подземного взрыва Гном, 3,1 кт на глубине 361 м. Стрелкой указан человек . Схема котловой полости после взрыва Гном . Сопутствующие ядерному взрыву явления варьируют от местонахождения его центра. Ниже рассматривается случай атмосферного ядерного взрыва в приземном слое, который был наиболее частым 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 огромной температуры (до 107 К) и давления (до 109 атм.) в точке взрыва.
Визуально с большого расстояния эта фаза воспринимается как очень яркая светящаяся точка. . Световое давление от электромагнитного излучения при реакции нагревает и вытесняет окружающий воздух от точки взрыва — образуется огненный шар и начинает формироваться скачок давления между воздухом, сжатым излучением, и невозмущённым, поскольку скорость перемещения фронта нагрева изначально многократно превосходит скорость звука в среде. После затухания ядерной реакции энерговыделение прекращается и дальнейшее расширение происходит за счёт разницы температур и давлений в области огненного шара и окружающего воздуха. . Происходящие в заряде 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 периодами полураспада — 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, производя 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 через 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. . Наземный ядерный взрыв в отличие от обычного также имеет свои особенности. При химическом взрыве температура грунта, примыкавшего к заряду и вовлечённого в движение относительно невелика. При ядерном взрыве температура грунта возрастает до десятков миллионов градусов и большая часть энергии нагрева в первые же мгновения излучается в воздух и дополнительно идёт в образование теплового излучения и ударной волны, чего при обычном взрыве не происходит. Отсюда резкое различие в воздействии на поверхность и грунтовый массив: наземный взрыв химического взрывчатого вещества передаёт в грунт до половины своей энергии, а ядерный — считанные проценты. Соответственно размеры воронки и энергия сейсмических колебаний от ядерного взрыва в разы меньше оных от одинакового по мощности взрыва ВВ.
Однако при заглублении зарядов это соотношение сглаживается, так как энергия перегретой плазмы меньше уходит в воздух и идёт на совершение работы над грунтом. . Обычный взрыв (Sailor Hat, 500 тонн тринитротолуола) . Ударная волна (след на берегу) . Воронка обычного взрыва . Ударная волна отделилась от огненного шара . Кольцеобразное облако за фронтом ударной волны .
Воронка ядерного взрыва . Начиная с определённого момента скорость перемещения скачка давления (фронта ударной волны) 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, огненный шар превращается в облако 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». Развивается грибовидное облако, продолжающее расти в высоту и в диаметре. После выравнивания температур и давлений подъём пыли и частиц с земли прекращается, ножка «гриба» останавливается и оседает на землю, «шляпка» превращается в тёмное облако, выпадающее осадками и рассеиваемое ветрами.
. 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. Подводный ядерный взрыв вызывает на поверхности воды волны, сходные с цунами.
. Описанные выше эффекты характерны для любого взрыва большой мощности, например 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. . Дымовое облако после обычного взрыва 3 кт на военно-транспортном корабле «Монблан» в Галифаксе . Разрушенный морским ветром гриб надводного ядерного взрыва Ураган 27 кт на борту фрегата «Плим» . Основная статья: Ядерное оружие. Огромные масштабы разрушений и пожаров при маленьких габаритах и массе ядерного боеприпаса сразу же привлекли внимание военных.
Всего лишь одно взрывное устройство оказалось способным уничтожить город-мегаполис с населением, крупные группировки войск противника, важные объекты в его тылу (электростанции и заводы, узлы коммуникаций, военные базы). Нанесение нескольких ядерных ударов способно непоправимо нарушить экономику противника, подорвать волю к сопротивлению и заставить его принять любые условия капитуляции. Однако непредсказуемый характер радиоактивного заражения при ядерном взрыве способен также нанести непоправимый ущерб атакующему, что 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 неиспользования его 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, сильно снижает угрозу внешней агрессии, что является для многих национальной безопасностью.
Вместе с тем, возможность случайного возникновения конфликта в результате аварии, недоразумения, ошибки или диверсии пока недостаточно изучена. . 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. В США и СССР впоследствии неоднократно проводились военные учения с производством ядерных взрывов. В результате были выработаны методики и поставлена на вооружение техника, которая позволяет войскам 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. Также и психологические последствия обмена ядерными ударами на гражданское население и вооружённые силы не вполне изучены.
Так, в печати встречаются мнения, что совершенно нет необходимости уничтожать крупные города мощными, либо многократными ядерными бомбардировками — возникшая в результате применения даже маломощного ядерного заряда в современном мегаполисе неразбериха и паника по разрушительному воздействию на средства коммуникации, снабжения и управления сравнима с тем, как если бы они были уничтожены физически[источник не указан 874 дня]. . Ядерный взрыв имеет несколько ниш мирного 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 количества. В частности, в США 33, в СССР 169 мирных ядерных взрывов (возможно, в публикациях имеется путаница с терминами «количество взрывов» и «количество экспериментов» — часть экспериментов не сопровождалась ядерными взрывами). .
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), проекты соединения реки Лены с Охотским морем и поворот 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 ещё не оценены 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 все образовавшиеся радиоактивные материалы остаются 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 возможного распространения радионуклидов. . 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 использования ядерного взрыва для ликвидации или отклонения опасных астероидов. .
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. Мощность подобных взрывов, как правило, в миллиарды раз превосходит мощность любой атомной бомбы, созданной людьми.
. При ядерном взрыве в космосе продукты реакции (излучения и пары бомбы) проходят значительные расстояния, прежде чем на них начинают действовать окружающие условия. Чистых космических взрывов далеко за пределами земной атмосферы и магнитосферы не проводилось и мы можем только предполагать, как они должны выглядеть. Теоретически это должна быть короткая, не слишком интенсивная вспышка, оставляющая облако испарений, которое безо всякого торможения расширяется со скоростью несколько тысяч км/с и быстро исчезает. Практически вся энергия такого взрыва уйдёт в виде невидимых глазом рентгеновских лучей. Но именно так и должен выглядеть сам ядерный взрыв, а не свечение молекул нагретого окружающего воздуха или испарённых воды с грунтом. .
Чем ближе к Земле произведён космический взрыв, тем интереснее выглядят его последствия, поскольку в движение и свечение вовлекаются всё большие массы разреженного воздуха, а магнитное поле планеты захватывает заряженные частицы — продукты взрыва и заставляет их двигаться определённым образом. . Высотный взрыв по своим проявлениям занимает промежуточное положение меж воздушным и космическим. Как при воздушном взрыве ударная волна образуется, но настолько незначительная, что не может служить поражающим фактором, на высоте 60-80 км на неё идёт не более 5 % энергии. Как при космическом световая вспышка скоротечна, однако намного ярче и опаснее, на световое излучение уходит до 60-70 % энергии взрыва. Электромагнитный импульс опасных для радиотехники параметров при высотном взрыве может распространяться на сотни километров[лит 4](С. 157),[лит 1](С.
23, 54). . При воздушном взрыве взрывающийся заряд окружает плотный воздух, его частички поглощают и трансформируют энергию взрыва. Фактически мы можем видеть не взрыв заряда, а быстрое расширение и свечение шарообразного объёма воздуха. Радиус распространения в воздухе рентгеновского излучения, выходящего из заряда, 0,2 м/т1/3 (20 м для 1 Мт), после этого уже сам воздух переносит тепловую энергию путём радиационной диффузии. Максимальный радиус тепловой волны 0,6 м/т1/3 или 60 м для 1 Мт[лит 3] (С. 196).
Далее границей шара становится ударная волна. . Высокий воздушный ядерный взрыв почти не вызывает радиоактивного заражения. Источником заражения служат атомизированные продукты взрыва (пары бомбы) и изотопы компонентов воздуха и все они остаются в уходящем от места взрыва облаке. . При наземном взрыве вспышка контактирует с поверхностью и приобретает форму полусферы, которая, как шар воздушного взрыва, светит в два импульса. .
Наземный неконтактный взрыв существенно отличается от низкого воздушного взрыва. При наземном взрыве в воздухе на высоте до 3,5 м/т1/3 ударная волна прибывает на землю одновременно с огненным шаром, отражённая волна проваливается в низкоплотную плазменную полость внутри шара и огненная область как присоска пристаёт к поверхности на несколько секунд, оплавляя грунт. При низком воздушном взрыве на высоте от 3,5 до 10 м/т1/3 огненный шар мог бы дорасти до земли, но ударная волна раньше успевает отделиться и опережает его. Придя на поверхность, волна отражается и отбрасывает растущий шар вверх, раскалённый воздух не контактирует с землёй. . Низкий воздушный взрыв Upshot-Knothole Grable 15 кт на высоте 159 м (6,4 м/т1/3) . Наземный взрыв в воздухе Upshot-Knothole Harry 32 кт на башне 91 м высотой (2,9 м/т1/3) .
Наземный контактный взрыв на высоте ниже 0,3 м1/3 (ниже 30 м для 1 Мт) отличается от неконтактного тем, что тепловая волна взрыва с околосветовой скоростью доходит до поверхности и испаряет землю. Грунтовые испарения начинают взрывообразно расширяться и образовывать в подземной толще грунтовую ударную волну раньше появления воздушной ударной волны. . Взрыв большой и сверхбольшой мощности (свыше 100 кт) на глубинах до 15-30 м (до 0,3 м/т1/3) также считается наземным контактным, а не подземным, поскольку на поверхность быстро выходит плазма и образуется огненная полусфера и взрыв ведёт себя как типичный наземный[лит 2](С. 275). Воздушная ударная волна пониженной мощности создаётся давлением и разлётом паров грунта. .
Дальнейшее сказанное будет относиться к контактному взрыву прямо на поверхности и сравнении его с высоким воздушным взрывом. Выход тепловой волны, образование воздушной ударной волны и первый световой импульс у обоих видов взрыва происходят почти одинаково, а после температурного минимума полусфера наземного взрыва развивается по-иному. Дело в том, что объём нагретого воздуха при этих видах взрывов примерно одинаков и он стремится расширяться, но при наземном взрыве земля препятствует расширению вниз. Максимальный диаметр полусферы получается в 1,26 раза больше диаметра шара при воздушном взрыве[лит 3] (С. 26). Радиус полусферы контактного взрыва в момент отрыва ударной волны: . Поражающие световое излучение и проникающая радиация распространяются на меньшие расстояния, чем при взрыве в воздухе (несмотря на больший диаметр светящейся области), а разрушительная ударная волна охватывает почти в два раза меньшую площадь[лит 2] (С.
615-616, 620). Соприкасающиеся с поверхностью продукты взрыва и излучения высокой плотности и интенсивности вступают с веществами почвы в ядерные реакции (нейтронная активация грунта), создают большую массу радиоактивных изотопов. Огненное облако, побывавшее на земле, захватывает с поверхности частички грунта, на которых после остывания осаждаются (прилипают) испарённые радиоактивные вещества, и они быстро начинают выпадать на поверхность, долгосрочно заражая окрестности взрыва. . При контактном взрыве помимо тепловой волны в воздухе появляется тепловая волна в грунте, которая создаёт грунтовую ударную волну, только эта нагретая область во много крат меньше и в неё идёт всего несколько процентов энергии взрыва, в то время как при обычном взрыве около половины энергии уходит в землю. Грунтовая волна выкапывает большой котлован — воронку (напоминает метеоритный кратер), разбрасывая вокруг радиоактивный грунт и генерирует в грунтовой толще мощные сейсмовзрывные волны, недалеко от эпицентра на много порядков более сильные, чем при обычных землетрясениях. .
Действие сейсмических колебаний делает малоэффективными убежища повышенной защищённости, так как люди в них могут погибнуть или получить травмы даже при сохранении убежищем своих защитных свойств от остальных поражающих факторов[лит 5] (С. 230), а недалеко от воронки сверхмощного взрыва не остаётся шансов уцелеть любым самым прочным сооружениям, даже построенным на глубине несколько сотен метров — километр в материковой скальной породе (Ямантау, командный пункт NORAD). Так, например, ядерная бомба B53 (этот же заряд — боеголовка W-53 ракеты Титан-2, снята с вооружения) мощностью 9 мегатонн, по заявлению американских специалистов, при поверхностном взрыве была способна разрушать самые прочные советские подземные бункера. Большей разрушающей способностью к защищённым целям обладают только заглубляющиеся боеголовки, у которых гораздо больший процент энергии идёт на образование сейсмических волн: 300-килотонная авиабомба B61 при взрыве после ударного проникновения на глубину несколько метров, по сейсмическому воздействию может оказаться эквивалентной 9-мегатонной при взрыве на поверхности (теоретически)[лит 6]. . Наземный взрыв предназначен для разрушения прочных и защищённых военных объектов — танков, шахтных пусковых установок, аэродромов, кораблей, укреплённых баз, хранилищ, командных пунктов и особо важных убежищ, а также для радиоактивного заражения территории глубоко в тылу[лит 7] (С. 7).
Мирные люди могут пострадать при таком взрыве опосредованно — от всех факторов поражения ядерного взрыва — если населённый пункт окажется недалеко от защищённых военных баз, или от радиоактивного заражения — на расстояниях вплоть до нескольких тысяч километров. . Рассмотрим последовательность эффектов воздействия наземного взрыва на шахтную пусковую установку, рассчитанную на ударную волну давлением ~6-7 МПа и попавшую в эти самые тяжёлые для неё условия. Произошёл взрыв, практически мгновенно доходит радиация (в основном нейтронная, суммарно порядка 105-106 Гр или 107-108 рентген) и электромагнитный импульс, способный вызвать здесь короткие электрические разряды и вывести из строя неэкранированную электрическую аппаратуру внутри шахты. Через ~0,05-0,1 с бьёт по защитной крышке воздушная ударная волна и сразу накатывает вал огненной полусферы. Ударная волна генерирует в почве сейсмический удар, почти одномоментно с воздушной волной окатывающий всю шахту и смещающий её вместе с породами вниз, постепенно ослабляясь с глубиной; а вслед за ним через долю секунды приходят сейсмические колебания, образованные самим взрывом во время воронкообразования, а также отражённые волны от слоя скальных материковых пород и слоёв неоднородной плотности. Шахту около 3 секунд трясёт и несколько раз бросает вниз, вверх, в стороны, максимальные амплитуды колебаний могут доходить до полуметра и более, с ускорениями до нескольких сотен g; ракету от разрушения спасает система амортизации.
Одновременно сверху на крышу шахты в течение 3-10 секунд (время зависит от мощности взрыва) действует температура 5-6 тысяч, а в первые полсекунды до 30 тысяч градусов, затем довольно быстро падающая c подъёмом огненного облака и устремлением холодного наружного воздуха в сторону эпицентра. От температурных воздействий оголовок и защитная крышка скрипят и трещат, поверхность их оплавляется и частично уносится плазменным потоком. Через 2-3 с после взрыва огненное облако начинает подъём, давление плазмы в районе шахты снижается до 80 % от атмосферного и крышку несколько секунд пытается оторвать подъёмная сила до 2 тонн на м². В довершение сверху обрушаются грунт и камни, выброшенные из воронки и продолжающие падать порядка минуты. Радиоактивный и разогретый до слипшести грунт образует нетолстый, но зато сплошной навал (кое-где с образованием озёр из расплавленного шлака), а крупные камни могут нанести крышке повреждения. Особо крупные обломки, как метеориты, при падении могут выкопать небольшие кратеры[лит 8](С. 27), но их относительно немного и вероятность попадания в шахту мала.
. Ни одна наземная постройка таких воздействий не переживёт и даже такое прочное сооружение, как мощный железобетонный каземат (например ДОТ и форт времён Первой и Второй мировых войн) частично или полностью разрушится и может быть выброшен со своего места скоростным напором воздуха. Если наземный бункер окажется достаточно прочным и устоит от разрушения, люди в нём всё равно получат травмы от колебаний и вибраций, поражение слуха, контузии и смертельные лучевые поражения, а горячая плазма проникнет внутрь через амбразуры и незакрытые проходы. Давление волны на входе внутрь амбразуры или воздуховодного канала (давление затекания) в течение 0,1-0,2 с может составить около 15 атмосфер[лит 5](С. 34, 35). . При подводном взрыве тепловая волна уходит от заряда не далее нескольких метров (до 0,032 м/т1/3 или 3,2 м для 1 Мт)[лит 3] (С.
747). На этом расстоянии образуется подводная ударная волна. Первоначально фронт ударной волны одновременно является и границей пузыря, но через несколько метров расширения она перестаёт испарять воду и от пузыря отрывается. . Световое излучение при подводном взрыве не имеет никакого значения и может быть даже не замечено — вода хорошо поглощает свет и тепло. . Подводная ударная волна является очень эффективным поражающим фактором для военных плавсредств (корабли и особенно подводные лодки).
. Оставшийся под водой парогазовый пузырь продолжает расширение, в зависимости от глубины судьба его может быть различной: если глубина взрыва велика (сотни метров), а мощность относительно мала (десятки килотонн), то пузырь не успевает расшириться до поверхности и начинает схлопывание, которое повторяется с затуханием несколько раз; главное значение имеет первая ударная волна[лит 9] (С. 155). . Явления при выходе пузыря на поверхность зависят от того, на какой стадии это происходит. Если маломощный взрыв был очень глубоко, то кольцеобразный вихрь окончательно распадается, скопление пузырьков всплывает долго, теряет по пути энергию и на поверхности появляется только гора пены. Однако при достаточно мощном взрыве (несколько килотонн и более) и не слишком большой глубине (до сотен метров) в воздух поверх купола выбрасывается весьма эффектное явление — взрывной султан, фонтан или водяной столб (последее название не всегда применимо).
. Султан состоит из нескольких последовательных выбросов воды, которые выдувает выходящий на поверхность пузырь, причём первые центральные выбросы самые быстрые, а последующие окраинные всё более медленные из-за падения давления в пузыре. В эпицентре султан может быть поражающим фактором и наносить кораблю разрушения, сравнимые с подводной ударной волной[лит 10] (С. 210); при неглубоком ядерном взрыве потоки воды ломают и разносят судно на мелкие части. . Обратное падение водяного столба больше напоминает обильный душ или своеобразный мелкий ливень, чем монолитный водопад. У самого основания султана из падающих брызг накапливается кольцо из капель и тумана, называемое базисной волной.
. Расширение пузыря подводного взрыва вызывает гравитационные волны на воде, похожие на цунами. Для корабля они опасны только в непосредственной близости от эпицентра, где и без них достаточно факторов для затопления судна и гибели команды. А вот людям на побережье эти волны могут угрожать на таких расстояниях, где ударная волна вызвала бы только дребезжание стёкол (см. основную статью). . Действие подземного взрыва в некоторых аспектах похоже на воздушный взрыв, только радиусы эффектов на 1-2 порядка короче.
Вот некоторые цифры: . Радиус тепловой волны в граните 0,015 м/т1/3, в обычном грунте до 0,02 м/т1/3 или 1,5-2 м для 1 Мт . Радиус испарения грунта ударной волной около 0,2 м/т1/3 или 20 м для 1 Мт . Максимальный радиус плавления грунта ударной волной 0,3-0,5 м/т1/3 или 30-50 м для 1 Мт[лит 3] (С. 196). Этот же радиус является границей действия грунтовой ударной волны. .
Радиус пустой котловой полости после взрыва: . Радиус подземного «огненного шара»: . При подземном взрыве тепловая волна и почти вся грунтовая ударная волна не выходит в воздух и полностью остаётся в грунте. Нагретый и испарённый этими волнами грунт вокруг заряда служит рабочим веществом, которое, наподобие продуктов обычного химического взрыва, своим давлением бьёт и расталкивает окружающие породы. То есть можно сказать, что под землёй взрывается не несколько килограмм плутония, а как бы несколько сотен тонн обычного взрывчатого вещества, только этим веществом является испарённая грунтовая масса. Наземный взрыв также испаряет породу, но энергия испарения расходуется крайне малоэффективно, большей частью излучаясь и рассеиваясь в атмосферу. .
Подземный взрыв отличается от воздушного и подводного очень маленьким районом действия ударной волны, целиком лежащем в пределах котловой полости при камуфлетном или воронки при неглубоком взрыве на выброс. Далее ударная волна переходит в волну сжатия или сейсмовзрывную волну, которая и служит основным поражающим фактором такого взрыва. Сейсмовзрывная волна, в отличие от ударной, имеет пологий фронт с постепенным подъёмом давления, график его похож на плавную горку. Через несколько километров сейсмовзрывная волна вырождается в сейсмические колебания наподобие землетрясения. . Область военного применения заглублённого взрыва — разрушение особо прочных подземных сооружений[лит 7] (С. 8), на которые не может подействовать воздушная ударная волна.
Эффективность воздействия подземного взрыва на такие объекты, а значит энергия, передаваемая в грунт, растёт с глубиной заложения заряда: вначале быстро — в 13 раз с углублением на радиус тепловой волны в грунте (всего 1,5-2 м для 1 Мт). А далее более медленно и приближается к максимальной (под 100 %) на глубине камуфлетного взрыва (7-10 м/т1/3 или 700 м 1 Мт)[лит 3] (С. 205, 239). Подземный взрыв малой мощности приобретает эффективность наземного большой мощности. . С другой стороны в аллювиальных грунтах давление сейсмовзрывных волн ослабевает быстрее, чем в скальных породах (в ~1,5 раза)[лит 12](С. 9), а воздушная ударная волна уходит гораздо дальше волны сжатия в грунте и она сильнее «встряхивает» осадочный грунт, чем гранит.
Наземный взрыв может оказаться более разрушительным для широкой сети не слишком заглублённых подземных сооружений в нескальных породах, чем подземный такой же мощности. . Оружие проникающего типа не может уйти в землю дальше 30 м, так как дальнейшее заглубление требует таких скоростей удара, при которых разрушается любой самый прочный заряд (свыше 1 км/с). В случае скального грунта или железобетона проникание лежит в пределах 10-20 м (12 м для бетона и боеприпаса трёхметровой длины)[лит 6][лит 13]. На таких глубинах взрыв 1 кт по военной эффективности приближается к камуфлетному[лит 1] (С. 23), но, в отличие от последнего, на поверхность попадёт 80-90 % радиоактивности[лит 2](С. 291).
. Подземный взрыв на выброс во многом похож на неглубокий подводный взрыв: появляется купол, при прорыве газов образуется воздушная ударная волна и облако взрыва, выбрасывается грунтовый султан. При падении грунта, особенно сухого, появляется радиоактивная базисная волна из взвешенных пылевых частиц[лит 2] (С. 100). . Подземный взрыв Седан 104 кт на глубине 194 м (4,1 м/т1/3). С каждым кадром взрыв в несколько раз дальше.
. Земля выгибается холмом, огонь прорывается и сразу гаснет . Растекается базисная волна . Примеры составлены на основе многих источников, и иногда могут не совпадать и противоречить друг другу. . Время взрыва — период от начала ядерных реакций до начала расширения вещества заряда[лит 2] (С. 21).
С началом расширения цепные реакции быстро прекращаются и заканчивается основной выход энергии, вклад остаточных реакций незначителен. . Самое короткое время взрыва будет у одноступенчатого ядерного заряда с управляемым усилением деления (0,03-0,1 микросекунда), а самое длинное — в десятки и сотни раз больше — у многоступенчатых термоядерных зарядов большой мощности (несколько микросекунд)[лит 3] (С. 17, 18). . Для примера рассмотрим взрыв заряда в конструкции Теллера — Улама с пенополистирольным заполнением: . Первая ступень (праймер, триггер):Взрывчатое вещество для обжатия»Толкатель» и отражатель нейтронов из урана-238Вакуум с подвешенным в нём зарядомГазообразный тритий, рабочее вещество источника нейтронов для усиления деленияПустотелый шар из плутония-239 или урана-235Вторая ступень:Пенополистироловое заполнение камеры заряда»Толкатель» второй ступени: корпус из урана-238Дейтерид лития — термоядерное топливо, в процессе превращается в дейтерий и тритий»Свеча зажигания» из плутония или урана-235Корпус с внутренним абляционным покрытием, отражающим излучение, может состоять из урана-238.
Третья ступень — это уран-238: материал «толкателя» и наружной оболочки заряда; в более чистом варианте третьей ступени может не быть и тогда уран-238 заменяется на свинец. . Так как вокруг заряда мало частиц воздуха, то нейтроны взрыва, рентгеновские и гамма-лучи без задержки и поглощения уходят в пространство, ударная волна не образуется. . В отличие от воздушного взрыва наземный взрыв для стороннего далёкого наблюдателя до момента прихода ударной волны не всегда будет развиваться в тишине. Если подрыв заряда произведён на небольшой высоте (несколько десятков метров над поверхностью, когда взрыв в несколько сотен килотонн — мегатонну способен вырыть заметную воронку и вызвать сейсмические волны), то на расстояниях несколько десятков километров до прихода ударной волны может ощущаться продолжительное сотрясение почвы и подземный гул[лит 24] (С. 44, 45).
Этот эффект ещё более заметен при наземном контактном и подземном взрыве. . В этой таблице нет подробностей развития воздушной ударной волны, здесь больше уделено внимания происходящим явлениям в грунте. Также нет примеров воздействия взрыва на гражданские объекты, так как всё это рассмотрено в примерах более подходящего для их разрушения воздушного взрыва. Зато есть примеры воздействия на военные объекты, защитные сооружения и невоенные сооружения особой прочности типа плотин ГЭС. . Помимо теории, эффектов и возможных разрушений здесь затронуты вопросы защиты от ядерного взрыва.
По источнику[лит 5](С. 34, 35) добавлено давление волны затекания в колодцеобразный вход в глубокое подземное сооружение с одним интересным явлением: чем выше давление ударной волны на поверхности, тем больше разница его и давления затекания. Явление объясняется тем, что более мощная ударная волна имеет больше скорость и быстрее проскакивает над входом, не успевая затечь в него в полную силу. Это в отдельных случаях позволяет не ставить на входе защитных устройств — давление упадёт само. Защитные двери понадобятся внутри, но уже менее прочные. . Защитное сооружение: железобетонное перекрытие 0,61 м и грунт 0,6 м[# 18][лит 43].
Защитное сооружение: железобетон 0,53 м и грунт 1,55 м[# 19][лит 32] (С. 549). Защитное сооружение: ж/б 0,51 м и грунт 0,6 м[# 18][лит 43]; ж/б 0,45 м и грунт 1,2 м[# 22][лит 46]. Защитное сооружение: ж/б 0,25 м и грунт 1,2 м[# 22][лит 47]. Защитное сооружение: железобетон 0,4 м и грунт 0,6 м[# 18][лит 43]. Рассматриваются наихудшие условия: ядерный взрыв 1 Мт у самого входа с поверхности в прямой тоннель (например метро) без поворотов и ответвлений диаметром 5-6 м с ровными стенками из бетона высокого качества, на основе[лит 5] (С. 28-40).
Если заряд взорвётся в 2 метрах до входа, то на ударную волну в канале пойдёт в 2 раза меньше энергии. Если наоборот, внутри тоннеля, то эта энергия могла бы быть в 2 раза больше, но такое попадание заряда маловероятно. В предположении отсутствия потерь в порах и трещинах бетона, давление ударной волны могло быть на два порядка больше указанного, но и с потерями это давление в несколько раз больше, чем на тех же расстояниях при взрыве на поверхности из-за направляющего действия тоннеля и отсутствия сферического расхождения. . Если вход в тоннель перекрыт достаточно мощной дверью или заглушкой (толщиной, эквивалентной 1,5 м гранита или 2 м сыпучего грунта[лит 3] (С. 196, 240)), на испарение которой потратится всё рентгеновское излучение мегатонного взрыва, то ударная волна, созданная разлётом испарённой двери, в глубине тоннеля будет в ~3-5 раз слабее указанного ниже. Поворот тоннеля на 30 градусов снижает давление ударной волны на 5-6 %, под прямым углом — на 10-12 %.