Атомная бомба выделяет энергию за счет деления ядер тяжелых элементов, таких как уран - 235 и плутоний – 239 Цепная реакция. Нейтрон, попадая в ядро, приводит к делению его на два осколка с несколькими «лишними» нейтронами, которые разлетаются со скоростями 3 -4000 км/с 2
Критическая масса урана 235 – около 1 кг Дефект масс Масса ядра гелия на 0, 0176 единицы атомного веса меньше суммы масс двух протонов и двух нейтронов, но связанная с ней энергия в 7 000 раз больше энергии, освобождаемой атомом при химических реакциях 3
Из истории создания ядерного оружия США начали серьезную работу по созданию атомной бомбы в конце 1941 года. В ходе создания атомного оружия в рамках манхэттенского проекта одновременно велись работы по созданию двух ядерных бомб - урановой и плутониевой. Через 3, 5 года они завершили разработку и имели три готовых образца. Природный уран состоит в основном из урана 238 и лишь 1/140 доля в нем приходится на уран 235. Различие в массах невелико – около 1% В США процесс обогащения урана происходил в 3 этапа. Вначале на термодиффузионной установке происходило обогащение природной руды (0. 72% урана) до 1 -1. 5%. Далее следовали газовая диффузионная установка и последняя стадия - электромагнитный сепаратор, на котором уже производилось разделение изотопов урана. Наши разработчики использовали систему центрифуг. 4
В итоге, общая концентрация составила ~80%. Если сравнить эти показатели с плутониевым зарядом, масса Pu-239 в котором составила всего ~6 килограммов, содержащих в себе примерно 5 критических масс, становится виден главный недостаток уранового проекта. Для производства уранового "малыша" потребовалось 64 кг обогащенного урана, что составляет ~2. 5 критические массы. К лету 1945 года было накоплено около 50 кг 89%-ного U-235 и 14 кг 50%ного. Обозначение Mk-I "Little Boy" Mk-III "Fat Man" Ширина 0. 7 м 1. 5 м Длина 3 м 3. 2 м Заряд 15 -16 кт урановый 21 кт плутониевый 5
В начале июня 1945 г. во время Подсдамской конференции США испытали первую атомную бомбу. После проведения испытания первого ядерного заряда "Gadget" (прототипа плутониевой бомбы "Толстяк" - Fat. Man) следующим, готовым к применению был урановый "Малыш" (Little Boy) мощностью 12 кт. Именно он и оказался сброшенным на Хиросиму 6 августа 1945. Изготовление еще одного "Малыша" потребовало бы месяцев накопления урана, поэтому второй сброшенной на Нагасаки 9 августа бомбой стал «Толстяк» мощностью 22 кт , собранный на острове Тиниан незадолго до своего использования. 29 августа 1949 года была взорвана первая советская атомная бомба РДС-1. А уже 3 сентября 1949 года американский самолет погодной разведки WR-29, cовершая контрольный полет из Японии на Аляску, обнаружил продукты ядерного распада от советских испытаний. 1 ноября 1952 года американцы взорвали устройство типа водородной бомбы "Майк" (установка по производству жидкого дейтерия). Остров на котором проводили испытания был полностью разрушен. Мощность взрыва - 800 «хиросим» . 6
7
12 августа 1953 г. В СССР взорвали слоеный пирог Сахарова - Гинзбурга мощностью 30 «хиросим» . Но это была еще не ядерная бомба, а "усиленная" атомная. Но уже 23 ноября 1955 г. была взорвана настоящая ядерная бомба в 300 «хиросим» . Началась эра гонки ядерных вооружений Термоядерная бомба позволяет теоретически бесконечно наращивать мощность, но с военной точки зрения это не нужно. Сейчас основной арсенал бомб в США и в России имеет мощность порядка 50 "Хиросим". В СССР взорвали самую большую бомбу в 5000 «хиросим» на Новой Земле в попытке запугать Джона Кеннеди, но военные уже давно понимали, что такие бомбы не нужны. До подписания Московского договора о запрещении испытаний ядерного оружия в атмосфере, на поверхности Земли и океана в 1972 г. общая мощность атмосферных испытаний в США составила 96, 7 Мт; в СССР - 85, 46; в Великобритании - 10, 50; во Франции - 10, 87 и в Китае - 12, 82 Мт. До 1980 года в атмосфере было проведено 423 испытания ядерного оружия общей мощностью 545 Мт, из которых 217 Мт приходятся на реакции деления и 238 Мт - на реакции синтеза. 8
9
Описание ядерного взрыва 1. При ядерном взрыве формируется раскаленный огненный шар, который служит мощным источником радиоактивного излучения, светового излучения и ударной волны. За первые 10 -15 с температура огненного шара меняется от несколько миллионов Кельвинов до 2000— 3000 К, и шар перестает светиться. 2. Ядерные взрывы принято делить на воздушные, наземные и подземные (или подводные). 3. При воздушных взрывах огненный шар не соприкасается с земной поверхностью и вся радиоактивная пыль состоит только из радиоактивных остатков (осколков) бомбы, которые испаряются при взрыве и затем конденсируются при охлаждении. 4. Оптимальная высота: h=1100 W 0. 45 (W - мощность взрыва в кт); для взрыва мощностью 1 Мт эта высота равна 3, 5 км. 5. 4. При наземном взрыве огненный шар соприкасается с земной поверхностью. Поверхностный слой грунта в радиусе нескольких сотен метров испаряется и перемешивается и спекаются за счет высокой температуры с радиоактивными продуктами взрыва. Эти частицы после охлаждения и выпадения на землю становятся основными носителями радиоактивности. 10
2 1 3 4 11 8
Параметры облака ядерного взрыва Последствия: 1. Ударная волна – 50% энергии взрыва, 2. Термическое излучение с массовыми пожарами – 35%, 3. Первичная радиация (нейтроны и гамма - лучи) - 5%, 4. Радиоактивные осадки – 10%, 5. Электромагнитный импульс, 6. Климатические изменения 12
Единицы радиоактивного воздействия Старейшей единицей радиоактивности является кюри (Ки) и ее дольные единицы милликюри (10 -3 Ки). По первоначальному определению кюри есть активность одного грамма изотопа радия 22688 Ra , однако для удобства измерений это определение было в дальнейшем заменено следующим 1 Ки = =3, 7· 10 10 расп. /с. Единица 1 распад в секунду - беккерель (Бк) - принята в системе Си. 1 Ки=3, 7· 10 10 Бк. Доза - отношение поглощенной энергии к массе облученного вещества. В системе СИ за единицу измерения дозы принят Грей 1 Гр = 1 Дж/кг. Внесистемная единица - рад, 1 рад = 10 - 2 Гр. Эквивалентная доза ионизирующего излучения Н - произведение поглощенной дозы D в биологической ткани на средний коэффициент качества «к» этого излучения в этой биологической ткани. Зиверт (Зв) – единица Си 1 Зв = 1 (Дж/кг)/к. Внесистемная единица - бэр, 1 бэр=0. 01 Зв. Средний коэффициент качества «к» для фотонов, электронов, βизлучения и позитронов равен 1. Дня гамма и бэтта-лучей 1 бэр = 1 рад. Мощность дозы гамма – излучения 1 Р/ч = 0. 01 Зв/ч На территории России мощность эквивалентной дозы гаммаизлучения может колебаться от 0, 05 до 0, 6 мк. Зв/ч. 13
Последствия разового облучения человека в зависимости от поглощенной дозы. Поглощенная Последствия доза, Гр Время проявления Менее 0. 1 В потомстве 0. 1 - 1 1 -2 2 -3 3 - 10 10 - 50 10 - 100 Более 100 Редко возникающие наследственные нарушения Отдельные последствия Легкая форма лучевой болезни. Снижение иммунитета Острая лучевая болезнь с 50% -ным смертельным исходом (у выживших отдаленные последствия) Поражение костного мозга (с возрастанием вероятности смертельного исхода до 100%) Кишечная форма лучевой болезни (со 100% - ным смертельным исходом) Токсичная форма лучевой болезни (со 100%ным смертельным исходом) Гибель от поражения головного мозга Спустя годы 1 -2 месяца Спустя месяцы 1 - 2 месяца 12 - 30 суток 7 - 10 суток 4 - 8 суток часы 14
Радиочувствительность различных организмов Организмы ЛД 50, Гр Вирусы Бактерии Простейшие Водоросли, лишайники Покрытосеменные Голосеменные Насекомые Моллюски Рептилии Рыбы Птицы Грызуны Крупный рогатый скот Человек 62 -4600 17 -3500 100 - 3500 300 - 17000 10— 1500 4— 150 580 - 2000 120— 200 15— 500 6— 55 6— 14 8— 15 1, 5— 2, 7 2, 5— 3 15
Чувствительность различных живых организмов к - излучению Вдоль горизонтальной оси отложены значения дозы D (в грэях) с 50 %-ной вероятностью вызывающей гибель популяции. 16
Прямое воздействие взрыва мощностью 1 Мт Тип взрыва Ударная волна 1) Тепловое излучение 2) Первичная радиация 3) 0, 35 кг/см 2 0, 14 кг/см 2 100% 50% 450 бэр 200 бэр Наземный 4, 56 7, 57 8, 55 10, 92 2, 7 2, 8 Воздушный 6, 72 12, 41 12, 62 16, 35 2, 7 2, 8 Все расстояния измеряются на местности от эпицентра, км. 1) Считается, что район, в котором давление ударной волны достигает 0, 35 кг/см 2 , является зоной летального поражения, а район с давлением 0, 14 кг/см 2— зоной травматизма . 2) Считается, что погибает 100% людей, получивших порядка 8— 10 кал/см 3 и 50% людей, получивших от 6 до 8 кал/см 2. Расстояния соответствуют видимости 20 км. 3) Расстояния на местности, при которых наименьшая из указанных доз будет поглощена людьми, попавший под действие первичного излучения быстрых нейтронов и гамма-лучей; остаточная радиация (радиоактивные осадки) не учитывается . 17
Совместное воздействие облучения и ожогов в 6 раз увеличивает смертность А - 100 р облучения Б - ожог второй степени, 20% поверхности В - 100 р облучения + ожог второй степени Г - 100 р облучения + ожог второй степени + пенициллин Смертность собак в специальных экспериментах 18
Основные продукты деления ядер 19
Радиоактивные осадки След радиоактивного облака на земной поверхности (u = 6, 7 м/с). Эквивалент - 1 Мт. Соотношение полуосей 0, 1. Площадь территории, на которой за 2 недели можно получить дозу 300 рад составляет 2600 км 2. 20
Площадь радиоактивного заражения местности при изменяющейся с высотой скорости ветра (по направлению и модулю). 1 — площадь выпадения, 2 — поправка на турбулентную диффузию. РАД или рад/час ? 20
Старт Р-36 М 2 «Воевода» (SS-18 “Satan”) Двухступенчатая МБР Р-36 М 2 относится к кассу тяжелых ракет. Вес 210 т, 10 боеголовок мощностью от 0, 55 до 0, 75 мегатонны, что в тротиловом эквиваленте составляет от 40 до 50 американских бомб, сброшенных на Японию в 1945 году. Тип пусковой установки –шахтный. Максимальная дальность стрельбы ракеты с РГЧИН - 11 000 км с «легкой» ГЧ -15 000 км. Точность стрельбы (предельное отклонение) – 0, 5 км. Один удар «Сатаны» — и Вашингтона, а то и целого округа Колумбия на карте мира больше не будет. 20
Запасы ядерного оружия и его энергетический эквивалент Ядерные силы НАТО и наши (стратегические и средней дальности) в конце восьмидесятых годов насчитывали примерно 24 тыс. боеголовок суммарной мощностью примерно 12000 Мт. При взрыве заряда в 1 Мт выделяется энергия 4, 2 1015 Дж. При взрыве всех имеющихся арсеналов выделится энергия 0, 5 1020 Дж. Такую энергию получает Земля от Солнца менее, чем за 5 минут. Тем не менее ясно, что человечество впервые за свою историю имеет в военных арсеналах оружие, обладающее мощью космических масштабов, воздействие которого сопоставимо с самыми крупными катаклизмами, пережитыми Землей. Взрыв 10 тыс. ядерных бомб мощностью по 1 Мт по выделившейся энергии равнозначен столкновению Земли с небесным телом объемом примерно в 1 км 3. Более того, рассредоточенный взрыв в N точках в N 1/3 раз «эффективнее» (по величине поражаемой площади и количеству поднятой пыли). 23
Договор об ограничении стратегических наступательных вооружений (СНВ) между Россией и США Уровень вооружений стран будет следующим: 700 развернутых ракет плюс 100 на складах и 1550 боеголовок на боевом дежурстве. Сейчас США имеет798 баллистических ракет и стратегических бомбардировщиков. Россия - 566. Общее количество пусковых установок у США 1188, у России – 809. Количество боеголовок, которое предстоит демонтировать США – 4500, а России – 3900. Так что в ближайшие 10 лет действия нового СНВ стороны будут практически в равных условиях. Не договорились по системам ПРО. 24
Сценарии ядерной войны 1. АН США 10000 Мт в 1500 взрывах 2. Национальный исследовательский центр 6500 Мт в 25 000 взрывах, мощности боеголовок от 0. 05 до 1. 5 Мт 3. Агентство по оценке техно логий 7800 Мт в 8985 взрывах, мощности боеголовок от 0. 1 до 20 Мт 4. Ambio (1982) 5742 Мт в 14747 взрывах (163 Мт в Южном полушарии) мощности боеголовок от 0. 1 до 10 Мт 1941 Мт – на города, 701 Мт - на промпредприятия 5. Turko at al. (1983) 5000 Мт в 10400 взрывах, мощность боеголовок 0. 1 - 10 Мт, 2850 Мт – наземные взрывы, 1000 Мт - на города. 25
Сценарий постадийного развития конфликта Мощность, Мт Ключе- Расширенный вые обмен ударами военные по военным цели целям Промышленность Заключи- Всего тельная стадия 0, 05 0, 1 0, 2 0, 3 0, 5 1, 0 5, 0 0 975 0 500 1000 250 0 300 356 250 200 495 50 0 50 50 0 0 160 15 250 8 121 125 25 125 8 550 1183 421 875 1225 1030 73 Мощность наземных взрывов 1000 250 2500 26
Последствия ядерного удара по Лондону (количество убитых в тыс. человек) Сце- Количесво на- боеголовок рии Общая Причины мощ. Удар- Радиность, Тепловое изная ация Мт Всего В про- Суммарные ценпотери тах (с ранеными), % лучение волна 1 7(3 х0. 2+4 х0. 35) 2 14 529 95 638 9, 9 15, 5 2 9 х0. 15 Мт 1, 35 75 496 166 737 11, 5 23, 0 3 13(9 х0. 15+4 х1) 5, 35 606 3336 339 4341 67, 6 84, 9 4 18(9 х0. 15+9 х1) 10, 35 1093 4370 338 5801 90, 4 97, 0 27
Карта-схема США с расчетными результатами последствий ядерного удара по одному из сценариев Сценарий соответствует максимальному радиационному поражению городского населения. Приведены контуры территорий, которые могут получить дозу 500 рад за неделю. Атаке подвергаются 1000 городов США. Все боеголовки имеют мощность 1 Мт. Доминирует направление ветра с запада на восток. Скорость ветра по всему континенту почти одинакова, направление ветра слабо меняется с высотой 28
Экваториальная конвекция – причина глобальных ветров 29
Глобальная схема земных ветров — ячейки атмосферной циркуляции а — ветры у поверхности, б — ветры верхней тропосферы 30
Загрязнение Северной Америки Регион Степень заражения Дозы, Гр через сутки за год США и Канада сильная средняя слабая Активность долгоживущих изотопов через год, 10 -3 Ки/м 2 170, 8 34 11, 5 b 21, 5 4, 3 1, 4 379 71, 8 24 b 45 9 3 12, 8 2, 6 0, 9 31
Загрязнение Европы Дозы, Гр Регион Активность Степень долгоживущих через сутки за год заражения изотопов через год, 10 -3 Ки/м 2 β β Европа без б. СССР сильная средняя слабая 88, 3 16, 8 5, 5 10, 5 2 0, 7 166, 3 33, 3 11 20, 8 4, 2 1, 4 4, 5 0, 9 0, 2 Европейская сильная 177, 5 22, 2 316, 5 39, 5 2, 7 32
Доля (в %) территории, уровень заражения на которой соответствует 450 рад за 48 часов Территории Ключе. Расширенвые воен- ный обмен ные цели ударами по военным целям Удар по Заключительпромышленная стадия ности Всего Европа 0 2, 9 0, 6 0, 8 4, 3 Восточные районы б. СССР 0, 5 0, 1 0, 2 1, 3 Западные района б. СССР 1, 6 2, 3 0, 7 1, 7 6, 3 Восточные района США 0 4, 7 1, 0 1, 4 7, 1 Западные района США 4, 4 2, 3 0, 7 0, 6 8, 0 33
Дозы (годовые? ) облучения при глобальном заражении ( сценарий В 4 - 5000 Мт, возмущенная дымом атмосфера) Широтный пояс Доза, рад 70 - 90° с. ш. 50 - 70° 30 - 50° 10 - 30° 10°с. ш. - 10°ю. ш. 10 - 30° ю. ш. 30 - 50° 50 - 70° 70 - 90° 5. 8 18. 0 20. 4 7. 2 1. 4 0. 6 0. 5 0. 3 0. 1 Средняя доза по площади Сев. полушария 11. 5 Средняя доза по площади Юж. полушария 0. 6 34
Пожар в городе - «огненный шторм» Теоретическая высота подъема дыма 10 -14 км, наблюдаемая высота - зимой 1945 г. в Гамбурге: 9 -12 км. 35
РАЗРУШЕНИЕ ОЗОНА Американские ученые Г. Фоли и М. Рудерман в 1973 г. обратили внимание на то, что создаваемые в результате ядерных взрывов в атмосфере окислы азота разрушают содержащийся в ней озон. При взрывах 1 Мт образуется порядку 1032 молекул окислов азота, которые заносятся в стратосферу. Расчеты показали, , что при взрыве 10 тыс. бомб по 1 Мт в стратосфере Северного полушария разрушится около половины озона, а восстановление его займет несколько лет (через два года концентрация О 3 будет ниже нормы примерно на 20%, а через четыре— на 10%) Уменьшение концентрации озона приведет к резкому повышению на поверхности Земли интенсивности солнечной радиации в ультрафиолетовой области 36 спектра.
Это повлечет за собой значительный рост заболеваний раком кожи, солнечной слепотой, вызовет мутации у многих животных и растений и т. п. Проведенные в конце 70 -х годов более подробные исследования химии озона и окислов азота дали основание заключить, что реакции с их участием идут поразному в стратосфере (выше 10 км) и нижележащей тропосфере. Если в стратосфере при взрывах озон разрушается, то в тропосфере его содержание увеличивается. В сочетании с различными углеводородами — их концентрация заметно повысится из-за разрушений объектов химической и топливной промышленности — озон приведет к образованию смогов, по сравнению с которыми известный смог Лос-Анджелеса показался бы легкой дымкой. 37
ДЫМ ЯДЕРНОГО ПОЖАРА В 1982 г. П. Крутцен (ФРГ) и Дж. Беркс (США) опубликовали статью «Атмосфера после ядерной войны: сумерки в полдень» , положившую начало исследованиям климатических последствий войны. При ядерной войне в городах, местах добычи и хранения топлива, лесах возникнет столько пожаров, что дым от них резко сократит поступление солнечного света к поверхности Земли. По мнению авторов, пожары могут охватить примерно 106 км 2 лесов (около 20% от их общей площади), т. е. всего в 20 раз больше, чем сгорает леса за год в нормальных условиях. По их данным, средняя плотность сухой биомассы в лесах составляет 22 кг/м 2 и приблизительно четвертая часть ее сгорает в результате пожара. 38
При этом от 4 до 7, 5% сгорающего материала превращается в дым. Основная масса (свыше 90 %) частиц дыма имеет диаметр меньше 1 мкм. В среднем они на 55 % состоят из различных смол, на 25% — из сажи, и на 20% — из золы. Эти частицы сильнее поглощают видимый свет, длина волны которого близка к их размерам, чем тепловое излучение (поэтому с искусственных спутников в инфракрасном диапазоне хорошо видны очаги пожаров, а в видимом диапазоне — лишь шлейфы дыма, простирающиеся на сотни, а иногда и тысячи километров. 39
40
Наступление «ядерной ночи» - начало «ядерной зимы» В первые дни над тысячами взрывов и пожаров возникают шлейфы дыма и пыли. В первую и вторую неделю средние широты Северного полушария покрываются сплошной пеленой. 41
Через две - три недели пелена Через месяц почти вся Земля дыма переходит экватор. окутана облаком дыма. 42
Изменение климата при сильном задымлении атмосферы 43
Изменение средней температуры атмосферы Tа и средней температуры воздуха у поверхности Земли T п. 44
Термическая структура невозмущенной атмосферы (1) и атмосферы, загрязненной дымом для двух профилей распределения дыма (2 и 3) на 20 -е сутки 45
Изменение температуры воздуха у поверхности Земли на 40 -й день после ядерного конфликта В континентальных районах не исключено снижение температуры летом на 30— 40° (вблизи океанов эффект смягчается). Зимой по понятным причинам (и так мало света) изменения несколько слабее. 46
Понижение температуры (цифры на изолиниях) через 3 месяца после крупномасштабного ядерного конфликта 47
НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ В ПРЕДСКАЗАНИЯХ «ЯДЕРНОЙ ЗИМЫ» - Будут израсходованы не все из имеющихся запасов ядерного оружия(от 40 до 50 % ); - сценарии военных действий; - время года; - Погодные условия (дожди, сушь); - Порог воспламеняемости; - Запасы продуктов. 48
Ожидаемые медицинские последствия тотальной ядерной войны Население, Мощность млн. удара, Мт Число, млн. погибших пораженны х Суммарное число жертв, млн. 670 1650 249 193 442 Азия 2620 664 717 783 1500 Северная 363 Америка 900 89 55 144 Африка 640 50 33 83 Южная 224 Америка 330 41 29 70 Австралия 22, 6 Океания 30 3, 6 2, 5 6, 1 Весь мир 4390 1982 г. 10000 1150 1095 2245 Весь мир*) 6000 2000 г. 10000 1572 1469 4068 Континент Европа 468 49
Последствия прекращения производства продуктов питания при наличии запасов на среднем уровне. 50
Последствия прекращения производства продуктов питания при наличии запасов на минимальном уровне 51
Выводы В ходе всесторонней оценки последствий мирового ядерного конфликта выделено несколько глобальных эффектов: 1. Непосредственное воздействие ядерного оружия, его прямые поражающие факторы приведут к уничтожению или искалечат почти четверть населения земного шара. 2. 2. Радиоактивное загрязнение планеты превратит на десятилетия в радиоактивные пустыни огромные территории причем не только из-за попавших в окружающую среду компонентов ядерных боеголовок, но и в результате разрушения атомных электростанций, заводов ядерного горючего, хранилищ радиоактивных отходов. 52
3. Уменьшение концентрации озона в северном полушарии приведет к резкому повышению интенсивности солнечной радиации в ультрафиолетовой области спектра на поверхности Земли. 4. Из-за сильного задымления атмосферы может разрушиться многоячеистая структура глобального движения воздуха в атмосфере. Возможно образование одной ячейки с циркуляцией от северного до южного полюса. Это приведет к изменению климата: заметному похолоданию в умеренных и экваториальных широтах 53
5. Значительное изменение освещенности на поверхности Земли из-за пожаров приведет к тому, что жизнь на Земле на месяцы будет отрезана от своего главного энергетического источника — солнечного света ( «ядерная ночь» ), и, как следствие, произойдет падение температуры на всем земном шаре на десятки градусов ( «ядерная зима» ). 6. Глобальный голод. Даже если не учитывать разрушения сельскохозяйственных систем в странах — участницах конфликта, долговременные климатические последствия (годы после «ядерной зимы» ), включая уменьшение среднегодовых температур на один-два градуса и перераспределение осадков, приведут к резкому падению урожайности сельскохозяйственных культур. 54
Эти процессы будут происходить и в странах третьего мира, что вызовет голодную смерть гораздо большего числа людей, чем погибнет во время самих боевых действий. Таким образом, если у человечества уже нет иллюзий относительно возможности победы одной из участвующих в конфликте сторон, не должно оставаться никаких иллюзий и в том, что ожидает страны, которые не будут принимать непосредственного участия в ядерной войне. Все сказанное позволяет утверждать, что ядерная война станет глобальной экологической катастрофой не только для человечества, но и для всей окружающей среды, а ядерное оружие является глобальным биосферным оружием. 55
Скачать презентацию Атомная бомба выделяет энергию за счет деления ядер
Глоб эколог послед термояд войны 55 сл 03_12.ppt