Атомная проблема

Дефект массы в термоядерных реакциях равен примерно 0,7 %.

Глава III

Поражающее действие первых атомных бомб

Две первые ядерные бомбы, основанные на делении ядер, были сброшены в конце второй мировой войны на японские города Хиросиму (6 августа 1945 года) и Нагасаки (три дня спустя).

I. Жертвы и разрушения

В результате взрыва бомбы над Хиросимой из 240 тыс. жителей города 70 тыс. погибло и 70 тыс. было ранено, что в общей сложности составляло около 60 % населения. Что касается материального ущерба, то из имевшихся в городе 90 тыс. зданий 60 тыс., или примерно 66 %, были приведены в негодное состояние. Площадь зоны разрушений составила 12 км2 (площадь города была равна 25 км2).

Вторая атомная бомба, сброшенная на Нагасаки 9 августа 1945 года, причинила не такой большой ущерб, что объясняется, с одной стороны, особенностями рельефа (в отличие от Хиросимы, которая лежит на равнине, город Нагасаки расположен на холмах), а с другой — временем бомбардировки (в Хиросиме атомная бомба взорвалась в 8 час. утра, когда большинство жителей находилось на улицах, направляясь к месту работы, в то время как в Нагасаки атомный взрыв произошел в 11 часов, и часть населения, заблаговременно оповещенная сигналом тревоги, успела укрыться в убежищах).

По официальным данным, в Нагасаки из общего числа жителей 265 тыс. человек было убито 35 тыс. и ранено 4–5 тыс., то есть пострадало 20 % населения. Было разрушено 20 тыс. зданий из 57 тыс., или более третьей части города.

Однако как бы огромны ни были эти цифры, они не являются рекордными в области разрушений.

Так, например, в результате ночного воздушного налета на Токио 7 марта 1945 года, в котором участвовало 280 американских самолетов, сбросивших 1670 т фугасных и зажигательных бомб, погибло около 80 тыс. человек, около 100 тыс. человек было ранено и все жилые постройки на площади 40 км2 оказались совершенно уничтоженными.

Для правильной оценки ущерба, причиненного атомными бомбами в Хиросиме и Нагасаки, следует, пожалуй, сравнить вышеприведенные цифры с потерями гражданского населения во второй мировой войне 1939–1945 годов. Эти потери составили: во Франции — 60 тыс. человек, в Англии — примерно столько же, в Германии — 500 тыс. человек. Из сравнения этих цифр видно, какие огромные потери причинили две первые атомные бомбардировки.

II. Основные данные атомной бомбы, сброшенной на Хиросиму

Эта бомба весила 4 т. Она была сброшена бомбардировщиком Б-29 «Энола-Гей», имевшим на борту 11 человек экипажа, в девятом часу утра с высоты 6000 м. В течение 60 сек. бомба падала, после чего на высоте 600 м (некоторые называют цифру 300 м) произошел взрыв. Бомба была снабжена парашютом.

Сборка бомбы была произведена на острове Тиниан (Марианские острова), куда ее доставили в разобранном на четыре части виде (одна часть была доставлена по морю на крейсере, а три остальные — по воздуху).

Заряд бомбы состоял из урана 235 и весил около 20 кг. Дефект массы по подсчетам составил 1 г, что в переводе на энергию по формуле Эйнштейна дает 1021 эрг, или 25 млн. квт-ч. Эта энергия примерно равна той, которая высвобождается при взрыве 20 тыс. т тринитротолуола (тротила), употребляемого в качестве взрывчатого вещества в бомбах и снарядах обычного типа. Поэтому можно сказать, что сброшенная на Хиросиму бомба, называемая иногда номинальной, имеет тротиловый эквивалент, равный 20 тыс. т.

Сравнение мощности ядерных бомб производится по их тротиловому эквиваленту. Он является всего лишь мерой, к которой привыкли специалисты и которую они применяют из-за отсутствия другой, более удобной единицы. Это вовсе не означает, что бомба с тротиловым эквивалентом в 20 тыс. т оказывает такое же действие, как 20 тыс. т тротила. Подсчитано, что такой же эффект дадут всего 2 тыс. т обычных тротиловых бомб или 200 десятитонных бомб.

Мы видели, что дефект массы в реакциях деления ядер составляет 0,1 %, следовательно, поскольку мы допускали, что в энергию превратился 1 г урана, расщеплению должен был подвергнуться 1 кг ядерного вещества. Принимая во внимание то обстоятельство, что критическая масса составляет 20 кг, можно сделать вывод, что 19 кг урана испарилось под действием высоких температур, возникших в момент взрыва. Значит, коэффициент использования ядерного взрывчатого вещества в бомбе, сброшенной на Хиросиму, не превышал 5 %, откуда можно сделать вывод, что она была плохой и «нерентабельной».

В момент взрыва высвободилась энергия, равная 25 млн. квт-ч; ее хватило бы, чтобы поднять трансатлантический пароход типа «Куин Мэри» на высоту более 110 км. Но если эта цифра кажется нам огромной, то в масштабах природных явлений она незначительна и соответствует количеству солнечной энергии, падающей в «средний солнечный день» на 5 км2 земной поверхности. А для того чтобы получить энергию, равную той, которую затратила природа во время землетрясения в Орлеанвиле (сентябрь 1954 года), потребовался бы миллион таких бомб.

Ущерб, причиненный атомным взрывом в Хиросиме, явился следствием трех поражающих факторов атомной бомбы: светового излучения (30 % всей энергии взрыва), ударной волны (60 %) и радиоактивного излучения (10 %)[2].

Радиусы поражающего действия атомной бомбы принято отсчитывать от эпицентра взрыва — точки пересечения с поверхностью земли перпендикуляра, опущенного из центра взрыва.

Теперь мы перейдем к рассмотрению результатов взрыва атомной бомбы в Хиросиме и сравним эти результаты с теми, которые наблюдались бы, если бы взрыв (при прочих равных условиях) произошел у поверхности земли, под землей или под водой.

III. Световое излучение

В момент воздушного атомного взрыва в небе в течение нескольких секунд наблюдается ослепительная вспышка, или «огненный шар», состоящий из газов, которые обладают громадным давлением и высокой температурой. Спустя секунду после взрыва радиус огненного шара достигает 300 м. Путем сравнительно несложных подсчетов специалисты установили, что температура в центре огненного шара достигает 200–300 млн. градусов, в то время как температура в центре Солнца, определенная по тем же формулам, не превышает 20 млн. градусов. Увеличиваясь в размерах и уменьшая интенсивность своего свечения, огненный шар поднимается вверх; при этом он увлекает за собой столб пыли и образует гигантское, высотой в несколько километров, грибовидное облако, характерное для каждого атомного взрыва.

Разумеется, человек не может позволить себе роскошь любоваться этим зрелищем, так как он рискует временно лишиться зрения.

Световое излучение при атомном взрыве по своей природе не отличается от обычного света: это электромагнитные волны, представляющие собой инфракрасные, видимые и ультрафиолетовые излучения.

Эти излучения распространяются прямолинейно со скоростью света и действуют в течение очень короткого отрезка времени (порядка секунды). Излучение световой энергии огненным шаром происходит, так сказать, двумя волнами: вначале оно идет исключительно интенсивно, но это продолжается в течение очень малого промежутка времени; затем интенсивность излучения уменьшается, а его продолжительность увеличивается. В результате световое излучение оказывает двойное поражающее действие, к рассмотрению которого мы и переходим.

1. Действие светового излучения на людей (ожоги).

Ожоги вызываются испускаемыми в течение сотых долей секунды излучениями первой волны, которые очень насыщены ультрафиолетовыми лучами. Это явление протекает настолько быстро, что тело не успевает даже глубоко прогреться. Следует отметить, что поражаются только участки, лежащие на пути распространения светового излучения, поэтому вызываемые им ожоги имеют «профильную» форму.

Вот результаты действия светового излучения на находившихся вне укрытий людей (по данным взрыва в Хиросиме):

— в радиусе 1200 м от эпицентра взрыва (световой импульс[3] 9–10 кал/см2) — ожоги третьей степени, то есть такие, которые могут привести к смерти;

— в радиусе от 1200 до 2400 м (световой импульс 3 кал/см2) — ожоги второй степени, то есть сильные ожоги;

— на удалении более 2400 м (световой импульс 1–2 кал/см2) — ожоги первой степени, то есть легкие ожоги.

Судя по этим данным, температура в эпицентре взрыва достигала нескольких тысяч градусов.

Люди, находившиеся на расстоянии десятка километров от эпицентра взрыва, испытывали такое ощущение, как будто перед ними открыли дверцу топки.

Нужно отметить, что, кроме степени ожога, большую роль играют размеры обожженной поверхности. Доказано, что если человек получит ожоги третьей степени, причем площадь ожогов будет превышать третью часть поверхности его тела (последняя составляет около 1,8 м2), то он не выживет.

Все эти данные относятся к атомному взрыву, происходящему в абсолютно ясный день. В дождь или туман поражающее действие светового излучения уменьшается, поэтому невозможно точно рассчитать, какое воздействие оно окажет на тот или иной объект, например на город. Это можно сделать лишь приблизительно.

Следует также отметить, что в промышленном городе нормальная видимость не превышает 6 км, в то время как за городом в абсолютно ясный день она в 10 раз больше.

2. Действие светового излучения на различные материалы (пожары).

Пожары могут быть результатом либо прямого действия светового излучения, либо косвенного действия ударной волны.

а) В результате вспышки происходит самовозгорание легковоспламеняющихся материалов (бумаги, соломы, сухого дерева и т. д.), от которых огонь передается способным гореть предметам.

Если даже световое излучение не вызывает самовоспламенения, оно высушивает различные предметы, что в дальнейшем облегчает их возгорание; поэтому при атомном взрыве воспламеняются даже такие предметы, которые обычно не горят. Так, в Хиросиме телеграфные столбы обуглились в радиусе около 4 км от эпицентра взрыва.

б) Под действием ударной волны рушатся здания, то все стороны разлетаются искры и горящие обломки, лопаются газовые трубы, происходят короткие замыкания. Загоревшиеся от светового излучения предметы могут отбрасываться ударной волной на большое расстояние и вызывать новые пожары.

В конечном счете независимо от того, возникают пожары в результате прямого действия светового излучения или косвенного действия ударной волны, они быстро распространяются, охватывая обширные пространства.

В некоторых случаях может даже возникнуть огненная буря, как это произошло в Хиросиме (и в Токио 7 марта 1945 года). Огненная буря начинается обычно спустя 15–20 мин. после начала пожара. Для ее возникновения требуются следующие условия:

— большое количество очагов пожара;

— значительная площадь, охваченная пожарами (минимум 2–3 км2);

— определенная плотность застройки (40 %);

— благоприятные метеорологические условия, например направление ветра.

Во время таких огненных бурь и даже очень сильных пожаров большое количество населения подвергается опасности задохнуться в угарном газе СО.

Все сказанное выше относится к бомбе с тротиловым эквивалентом 20 тыс. т, взорванной на высоте 600 м от поверхности земли.

Каково же будет поражающее действие атомной бомбы при наземном, подземном и подводном взрывах?

При наземном взрыве в результате чрезвычайно высоких температур все вблизи от места взрыва превратится в пепел, хотя общая площадь, охваченная пожарами, как правило, будет меньшей, чем при воздушном взрыве.

При подземном взрыве действие светового излучения будет значительно меньше. Не исключена возможность, что прямое действие, то есть зажигательное действие огненного шара, при взрыве на большой глубине сведется, к нулю. Это произойдет в том случае, если огненный шар не сможет «пробить» слой земли, под которым произошел взрыв. Тогда пожары будут возникать лишь в результате косвенного действия ударной волны.

И, наконец, при подводном взрыве действие светового излучения на находящихся на берегу людей и постройки будет практически ничтожным, поскольку вся тепловая энергия уйдет на превращение в пар значительной массы воды.

IV. Ударная волна

Атомная бомба, сброшенная на Хиросиму, относилась к оружию взрывного действия, так как больше половины всей энергии взрыва (точнее, 60 %) выделилось в форме ударной волны. Нужно отметить, что ударная волна атомного взрыва действует в течение сравнительно продолжительного времени порядка одной или даже нескольких секунд, в то время как ударная волна обычного взрыва — лишь в течение миллионных долей секунды.

В месте взрыва создается область сверхвысокого давления, измеряемого, по-видимому, миллиардами атмосфер. Эта область распространяется во всех направлениях в форме ударной волны, образующейся в результате сжатия воздуха взрывными газами.

1. Действие ударной волны на людей.

Следует различать прямое и косвенное действие ударной волны на людей.

а) При условии, разумеется, что человек не погибнет под обломками зданий, высокое избыточное давление во фронте ударной волны причинит ему увечье.

Так, в Хиросиме в радиусе 1500 м от эпицентра взрыва наблюдалось избыточное давление в 1 кг/см2, при котором у незащищенных людей обычно лопаются барабанные перепонки. В радиусе 700 м от эпицентра взрыва избыточное давление составляло 7–8 кг/см2, что вызывает кровоизлияние в легкие. Наконец, в радиусе 300 м избыточное давление достигало 30 кг/см2, что приводит к серьезному общему поражению организма, в 50 % случаев со смертельным исходом[4].

б) Так называемое косвенное действие ударной волны гораздо опаснее. Распространяясь с колоссальной скоростью, ударная волна превращает все предметы в настоящие метательные снаряды, так что находящиеся вне укрытий люди подвергаются смертельной опасности. Поэтому защищаться в основном следует от косвенного действия ударной волны.

2. Действие ударной волны на различные сооружения.

Ударная волна представляет собой сложное явление, в котором следует хорошо разобраться,

а) Действие падающей ударной волны.

На фотографиях, сделанных на месте атомных взрывов в Японии, видно, что после взрывов там ничего не осталось; как будто какие-то гигантские машины все сравняли с землей. Американцы считают, что при ядерном взрыве избыточное давление в эпицентре взрыва должно составлять 3–5 кг/см2, или 30–50 т/м2. Наши постройки неспособны выдерживать таких давлений. Максимальная нагрузка, которую в состоянии выдержать обычные здания, не превышает 300–500 кг и лишь в исключительных случаях одну или несколько тонн на квадратный метр, поэтому давления порядка нескольких десятков тонн на квадратный метр оказываются им не под силу. Избыточное давление 0,2 кг/см2 причиняет зданиям (особенно окнам и дверям) значительные повреждения; при избыточном давлении 0,3–0,4 кг/см2 гнутся металлические каркасы зданий и трескаются кирпичные стены; наконец, при избыточном давлении 1,6 кг/см2 разрушаются обычные железобетонные постройки. Вышеприведенные цифры показывают, что при атомном взрыве могут уцелеть лишь такие особо прочные сооружения, как мосты, здания из монолитного железобетона и т. п., все остальное будет разрушено. Этим громадным избыточным давлением объясняется и то обстоятельство, что на месте атомного взрыва отсутствует характерная для обычной бомбардировки картина разрушений.

Избыточное давление в эпицентре взрыва является исходной величиной, зная которую, а также учитывая характер цели и мощность бомбы, можно заранее рассчитать оптимальную высоту взрыва. Само собой разумеется, что с увеличением мощности бомбы должна возрасти и высота взрыва.

б) Эффект Маха.

Когда падающая ударная волна достигает поверхности земли, образуется отраженная волна. Последняя, распространяясь в среде, обладающей высокой температурой, перемещается с большей скоростью, чем первая, и догоняет ее. Происходит интерференция, подобная той, которую можно наблюдать, бросив в воду камень. В результате этой интерференции падающей и отраженной волн возникает явление, называемое эффектом Маха[5]. Кажется, будто огромная стена, перемещаясь с колоссальной скоростью (порядка 3000 м/сек у самого эпицентра и около 340 м/сек на расстоянии 50 м от эпицентра), сметает все на своем пути. Можно сказать, что ударная волна движется в среднем со скоростью звука (340 м/сек). Следовательно, за 3 сек. она проходит 1600 м, за следующие 4 сек. — еще 1600 м и, наконец, за следующие 5 сек. — примерно столько же. Поражающее действие головной волны может быть в 6 раз сильнее, чем действие падающей ударной волны, и если здания в районе эпицентра рушатся вследствие большого избыточного давления, действующего сверху, то на значительном удалении от эпицентра они опрокидываются в результате воздействия головной ударной волны, распространяющейся параллельно поверхности земли. При взрыве каждая точка пространства в течение очень короткого времени испытывает чрезвычайно высокое давление, которое постепенно уменьшается и становится даже ниже атмосферного, причем время действия пониженного давления больше, чем избыточного. Этим объясняется то обстоятельство, что оконные стекла в домах после атомного взрыва оказываются иногда выбитыми в направлении, обратном движению ударной волны.

в) В зависимости от удаления от эпицентра взрыва в Хиросиме наблюдалось следующее действие ударной волны на сооружения:

— в радиусе 800 м были разрушены все строения, за исключением нескольких железобетонных административных зданий антисейсмической конструкции (зона А);

— в радиусе 800–1600 м металлические каркасы домов уцелели, но сами здания были сильно повреждены (зона Б);

— в радиусе 1600–2400 м были серьезно повреждены деревянные каркасы и кровля зданий. Здесь необходимо было провести полную эвакуацию населения (зона Б);

— в радиусе 2400–3200 м наблюдалось повреждение окон, стен, кровли. Эвакуация населения из этой зоны не была обязательной (зона Г);

— наконец, в радиусе от 3200 м и больше (примерно до 10 км) были выбиты стекла, с крыш сорвана черепица, потрескались стены.

Выше мы рассмотрели действие ударной волны при воздушном взрыве. Каково же будет ее действие при взрыве другого вида?

В результате наземного взрыва атомной бомбы образуется воронка радиусом до 100 м (для номинальной бомбы). Как правило, она имеет небольшую глубину и по своей форме отличается от воронок, образующихся в результате взрыва обычных бомб. Одновременно со взрывом ощущается довольно сильный сейсмический толчок. Разрушения в этом случае вызываются в основном ударной волной; площадь их вдвое меньше, чем при воздушном взрыве.

Незащищенные люди, находящиеся вблизи от места взрыва, получают серьезные ранения, однако радиус зоны поражения будет меньше, чем при воздушном взрыве.

При подземном взрыве образуется воронка радиусом более 100 м и глубиной до 30 м; ощущается сейсмический толчок, как при землетрясении. В результате этого толчка происходит перекос зданий, образуются трещины в стенах и фундаменте на довольно большом удалении от места взрыва в зависимости от характера грунта. Если взрыв произошел в песчаном грунте, серьезные повреждения фундамента и стен наблюдаются в радиусе до 500 м, тогда как при взрыве в глинистой почве они отмечаются в радиусе до 1500 м.

Наконец, при подводном взрыве находящиеся на берегу здания могут быть разрушены на таком же расстоянии, как и при подземном взрыве. Корабли, пирсы и молы получают серьезные повреждения в радиусе 800 м от места взрыва. Образующиеся в результате взрыва мощные волны могут затопить портовые сооружения и причинить им серьезные повреждения.

V. Радиоактивное излучение

Как тепловая, так и механическая энергия, выделяющиеся при взрыве ядерной бомбы, огромны, но их выделение происходит и при взрыве обычных бомб. Радиоактивное же излучение представляет собой явление совершенно новое и характерно лишь для ядерных взрывов.

В силу новизны и до некоторой степени загадочности этого явления о нем говорилось много такого, что не имеет ничего общего с действительностью. Количество погибших от радиоактивного излучения составило всего лишь 15 % общего числа жертв двух атомных взрывов в Японии, в то время как количество погибших от ударной волны составило одну треть общего числа жертв, а количество погибших в результате ожогов — больше половины. На сооружения радиоактивные излучения не оказывают никакого разрушающего действия, поэтому в дальнейшем мы будем говорить лишь о действии на людей.

1. Радиоактивное излучение при взрыве.

а) Радиоактивность проявляется во многих формах. В момент взрыва в течение очень короткого времени происходит испускание различных излучений, из которых при воздушном взрыве опасность представляют лишь гамма-лучи; это электромагнитное излучение, подобное рентгеновским лучам, но обладающее большей проникающей способностью. Гамма-лучи распространяются со скоростью света. Период, в течение которого испускается гамма-излучение, при атомном взрыве не больше минуты, причем половина общего количества излучения испускается уже в течение первой секунды.

б) Полученная организмом доза радиоактивных излучений измеряется в специальных единицах, названных в честь немецкого ученого, открывшего в конце прошлого века лучи, носящие также его имя, рентгенами. Для измерения радиоактивности применяются приборы двух типов, рентгенометры, которые служат для определения уровня радиации в данном месте, в данный момент в рентгенах в час, и дозиметры, измеряющие суммарную дозу радиации в рентгенах (начиная с момента помещения прибора в зараженную зону). Для большей наглядности рентгенометры можно сравнить с автомобильным спидометром, а дозиметры со счетчиком, измеряющим пройденный километраж.

Вот некоторые цифры, которые следует запомнить:

— доза свыше 600 рентгенов является смертельной (иногда ее называют летальной). Человек, получивший эту дозу, не имеет никаких шансов остаться в живых;

— доза в 400 рентгенов называется полулетальной, так как 50 % людей, получивших эту дозу, погибают;

— при дозе радиации от 200 до 400 рентгенов требуется госпитализация.

Теперь приведем некоторые данные о степени радиоактивного заражения в зависимости от расстояния от эпицентра взрыва (по данным взрыва в Хиросиме):

до 1000 м — 600 рентгенов;

от 1000 до 1200 м — 600–400 рентгенов;

свыше 1200 м — менее 400 рентгенов.

в) Радиоактивное излучение в момент взрыва (проникающая радиация) вызывает наружное облучение. Кроме того, имеется опасность внутреннего облучения в результате попадания в организм радиоактивной пыли через пищевод и дыхательные органы, а также через раны или обожженные участки тела. Опасность внутреннего облучения особенно велика, если атомный взрыв произошел на небольшой высоте или у поверхности земли. В этих условиях создается довольно сильное радиоактивное заражение местности, источниками которой являются:

— разбрасываемые на небольшие расстояния, но обладающие высокой радиоактивностью продукты деления;

— вещества, ставшие радиоактивными под действием потока нейтронов; последние обладают способностью делать многие вещества радиоактивными, что используется в ядерных реакторах для получения радиоактивных изотопов;

— непрореагировавшая часть заряда бомбы.

Все эти вещества при взрыве разбрасываются во все стороны и заражают местность в радиусе 1–2 км в зависимости от скорости и направления ветра.

Излучения, испускаемые этими радиоактивными веществами, представляют собой поток бета-частиц (электронов) или альфа-частиц (ядер гелия), а также гамма-лучи, подобные тем, которые испускаются в момент взрыва. В отличие от гамма-лучей, пробег которых в воздухе достигает нескольких сотен метров, бета-частицы имеют пробег порядка нескольких метров, а альфа-частицы проходят в воздухе расстояние, равное всего лишь нескольким сантиметрам. В живую ткань гамма-лучи проникают па глубину нескольких сантиметров, бета-частицы — нескольких миллиметров, а альфа-частицы — на глубину всего лишь долей миллиметра.

Радиоактивные элементы характеризуются своим периодом полураспада — временем, необходимым для того, чтобы радиоактивный элемент потерял половину своей активности. Период полураспада различен для разных элементов: от миллионных долей секунды у тория С' до миллионов лет у урана 235 (770 млн. лет) и далее миллиардов лет у урана 238 (4,4 млрд. лет). Активность источников радиоактивности измеряется в единицах, называемых кюри (и соответственно милликюри). Активность в 1 кюри соответствует активности 1 г радия (это такое количество радиоактивного вещества, в котором происходит 37 млрд., или 3,7 . 1010 распадов в секунду). Следует запомнить, что если в течение часа находиться на расстоянии 1 м от 1 г радия, то принятая доза будет равна 1 рентгену.