4.7. Радиоактивное заражение при ядерных взрывах.

Радиоактивное заражение местности, атмосферы, воды и других объектов возникает при выпадении радиоактивных веществ из облака ядерного взрыва.

Степень радиоактивного заражения и характер распределения радиоактивных веществ на поверхности Земли определяется мощностью и видом взрыва, его высотой, характеристикой поверхности в районе взрыва, а также метеоусловиями.

При воздушном ядерном взрыве радиоактивные вещества концентрируются на очень мелких частицах, надолго остаются в атмосфере и формируют глобальные выпадения радиоактивных веществ, которые происходят в течение длительного времени (десятки лет). При таком взрыве местность в районе эпицентра взрыва может незначительно заражаться радиоизотопами, образованными в грунте под действием нейтронов взрыва.

По мере уменьшения высоты взрыва увеличивается количество частиц грунта, вовлекаемых в зону взрыва, а это способствует образованию сравнительно крупных радиоактивных частиц, способных выпадать вблизи эпицентра взрыва с образованием локального радиоактивного заражения (РЗ).

Наиболее сильное радиоактивное заражение в районе взрыва и по пути движения радиоактивного облака образуется при наземных и подземных ядерных взрывах (наводных и подводных). Локальное радиоактивное заражение местности имеет место и при низких воздушных ядерных взрывах[ ].

При наземном ядерном взрыве светящаяся область (огненный шар) касается поверхности Земли и образуется воронка выброса. Большое количество грунта попадает в огненный шар, грунт в нем плавится, частично испаряется и перемешивается с радиоактивными веществами, образовавшимися при взрыве. По мере подъема светящейся области вовлеченные в нее массы грунта остывают, пары конденсируются, образуя радиоактивные частицы различной величины и формы, которые распределяются в радиоактивном облаке. Сильный прогрев грунта и приземного воздуха способствует образованию в районе взрыва мощных восходящих потоков воздуха, которые формируют пылевой столб. Когда плотность воздуха в облаке становится равной плотности окружающего воздуха, подъем облака прекращается. При этом в среднем за 7-10 минут облако достигает максимальной высоты подъема, которая составляет от 3,5 км до 25 км в зависимости от мощности взрыва, и начинает перемещаться в горизонтальном направлении по ветру. К этому времени размер облака достигает максимального и составляет по горизонтальной линии от 2 км до 43 км и по вертикальной линии - от 1,3 км до 15 км в зависимости от мощности взрыва. На местности, подвергшейся радиоактивному заражению при ядерном взрыве, образуются два участка: район взрыва и след радиоактивного облака (Рис. 2.6.1). Радиус радиоактивного заражения в районе взрыва не превышает двух километров. Размеры следа радиоактивного облака главным образом зависят от мощности ядерного взрыва и метеоусловий и могут составлять от нескольких десятков квадратных километров до десятков тысяч квадратных километров. Объем воздушного пространства, в котором происходит осаждение радиоактивных частиц из облака взрыва и верхней части пылевого столба принято называть шлейфом облака. После подхода облака к участку местности наблюдается выпадение радиоактивных частиц (формирование следа радиоактивного заражения). Время выпадения радиоактивных веществ может определяться по формуле:

T_вып = R/V,

где t_вып – время начала выпадения РВ от момента взрыва, ч, R – расстояние от центра (эпицентра) взрыва до места начала выпадения РВ, км, V - скорость ветра, км/час.

Локальное радиоактивное заражение местности или образование следа радиоактивного облака в зависимости от мощности взрыва продолжается от 10 до 20 часов, за этот период при наземных ядерных взрывах выпадает 60 – 70% всех РВ, образованных при взрыве. В этот период выпадают радиоактивные частицы размером более 30-50 мкм, а более мелкие частицы образуют глобальные выпадения РВ по всему земному шару на той широте, где проведён взрыв. Вначале из облака выпадают крупные радиоактивные частицы с высокой степенью активности, по мере удаления от места взрыва - более мелкие частицы, а уровень радиации при этом постепенно убывает. Форма следа радиоактивного облака зависит главным образом от направления и скорости ветра на равных высотах. На открытой равнинной местности при постоянном направлении ветра на всех высотах след имеет форму вытянутого эллипса.

Источниками радиоактивного заражения при ядерных взрывах являются радиоактивные вещества, входящие в состав ядерного заряда, и образующиеся при ядерном взрыве продукты деления (осколки деления) ядерных взрывчатых веществ (плутония-239, урана-233, 235). По степени опасности радиоактивно зараженная местность характеризуется уровнем радиации (Р) и дозой до бесконечности (D_).

Уровень радиации - это мощность экспозиционной дозы гамма-излучения, измеренная на высоте 0,7 – 1 м над зараженной поверхностью.

На практике единицы измерения уровня радиации Р/ч, мР/ч; мкР/ч (Гр/ч мГр/ч мкГр/ч). Местность считается зараженной в военное время, если уровень радиации на радиоактивно зараженной местности 0,5 Р/ч и выше. Уровень радиации на радиоактивно зараженной местности уменьшается во времени по экспоненциальному закону для всей территории радиоактивного заражения. Уровень радиации на любое время можно определить по формуле:

P_t = P_вып (t/t_вып)^-1,2,

где: P_вып – уровень радиации на время выпадения радиоактивных веществ (РВ), Р/ч; t, t_вып – время, на которое определяется уровень радиации P_t и время выпадения РВ, отсчитываемые от момента взрыва, ч. Если время выпадения (t_вып) равно 1 часу после взрыва, то уравнение примет вид: P_t =P₁ t^-1,2,

где: P₁ - уровень радиации через 1 час после взрыва.

Величину уровня радиации в любой точке зоны радиоактивного заражения можно ориентировочно определить по формуле

где Р_t – уровень радиации в зоне радиоактивного заражения на время t, Р/ч;

q – мощность взрыва кт;

V – средняя скорость ветра, км/ч;

R – расстояние от эпицентра взрыва, км;

В/2- расстояние от оси следа, км;

t – текущее время от момента взрыва, ч.

При оценке степени радиоактивного заражения поверхностей объектов исходят из соотношения между плотностью заражения местности А_м (расп/мин см²) и уровнем радиации Р (Р/ч) на высоте 1 метр от её поверхности.

A_м = 2*10⁷ P,

При расчётах уровней радиации через 1 час после взрыва пользуются соотношением:

A_м = 10P₁,

где А_м - плотность заражения поверхности, Ки/м²;

P₁ -уровень радиации через 1 час после взрыва на высоте 1 м, Р/ч;

Доза до полного распада характеризует экспозиционную дозу гамма-излучения, которая излучается РВ за время от момента выпадения до их полного распада.

Доза гамма-излучения на радиоактивно зараженной местности может быть определена по формуле: D = _∫ P(t) dt,

t₂

Принимая при расчётах, что P_t = P₀(t/t₀)^-1,2, получим

D=5P₀t^1,2(t₁^-0,2-t₂^-0,2),

где Р₀-уровень радиации, Р/ч, к моменту t₀, ч, после ядерного взрыва;

t₁, t₂ – время начала и окончания облучения, ч, отсчитываемые от момента взрыва.

Если t₁=t₀=t_вып, то мощность дозы P₀ будет равна начальному значению Р_вып на момент выпадения РВ из облака. При длительном облучении t_2, стремящемуся к бесконечности, получаем соотношение для расчета дозы до бесконечности (D_): D_=5P_выпt_вып,

При tвып=1час, уравнение имеет вид: D_=5P₁

Доза до бесконечности D_ на зараженной местности реализуется следующим образом во времени:

за первый час после выпадения РВ-10% D_; за 2 часа – 15% D_;за 3 часа – 20% D_;за 6 часов – 30% D_; за 12 часов – 40% D_; за сутки – 50% D_; за 5 суток – 60% D_; за 30 суток – 70% D_.

Для характеристики степени опасности облучения на радиоактивно зараженной местности условно выделяют 4 зоны заражения.

Зона А – умеренного радиоактивного заражения. На картах и планах обозначается синим цветом. Она формируется за счёт выпадения радиоактивных частиц из облака размером 30-50-100 мкм. Занимает примерно 80% всей площади радиоактивного заражения. Характеризуется уровнем радиации через час после взрыва на внешней границе зоны 8 Р/ч и дозой до бесконечности 40Р. Потери в зоне А в первые сутки после взрыва при действии на открытой местности могут составить до 15%, а всего потери-до 50%. Объекты экономики, как правило, не прекращают работу в этой зоне или прекращают её на несколько часов вблизи внутренней границы зоны. Поисково-спасательные и аварийно-восстановительные работы в зоне А, исходя из безопасных доз облучения, могут начинаться через 3-6 часов после взрыва в зависимости от места их проведения.

Зона Б – сильного радиоактивного заражения. На картах и планах обозначается зелёным цветом. Она формируется за счёт выпадения из облака радиоактивных частиц размером 100 – 200 мкм, занимает территорию примерно 10% всей площади радиоактивного заражения. Уровень радиации через 1 час после взрыва на внешней границе зоны составляет 80Р/ч, а доза до бесконечности 400Р.

В первые сутки после взрыва потери на открытой местности в этой зоне составляют до 50 % , а всего потери-до 100 %. Опасность поражения людей сохраняется в течение трёх суток. Объекты экономики прекращают работу на 6 – 24 часа в зависимости от их местоположения в зоне Б. Поисково-спасательные и аварийно - восстановительные работы начинают в период от 6 до 12 часов после взрыва.

Зона В – опасного радиоактивного заражения. На картах и планах обозначается коричневым цветом. Формируется за счёт выпадения из облака радиоактивных частиц размером 200 – 400 мкм и занимает примерно 7% площади радиоактивного заражения. Уровень радиации через час после взрыва на внешней границе зоны составляет 240 Р/ч, а доза до бесконечности – 1200Р. При действиях на зараженной местности в пределах зоны В потери составляют 100% в первые 12 часов после взрыва. Объекты экономики прекращают свою деятельность на 1 – 3 суток, а поисково-спасательные и аварийно-восстановительные работы начинаются через 0,5 – 1,5 суток в зависимости от места расположения объекта в этой зоне.

Зона Г – чрезвычайно опасного радиоактивного заражения. На картах и планах обозначается чёрным цветом. Она формируется радиоактивными частицами размером более 400 мкм, занимает около 3% территории радиоактивного заражения. Уровень радиации через 1 час после взрыва составляет 800 Р/ч на внешней границе и 2000 Р/ч в середине зоны, доза до бесконечности соответственно 4000Р и 10000Р. Объекты экономики в этой зоне прекращают свою деятельность на трое и более суток, а поисково-спасательные и аварийно-восстановительные работы начинаются через 1,5 – 3 суток. При действии на открытой местности в пределах зоны Г уже в первые часы после взрыва потери составляют 100%. Зараженная местность в пределах зоны Г представляет опасность в течение двух недель после ядерного взрыва. Размеры зон радиоактивного заражения, исходя из уровней радиации через 1 час после взрыва, могут ориентировочно определяться по следующим упрощенным формулам: L_А=16q^1/2; L_Б=5q^1/2; L_В=2,5q^1/2; L_Г=q^1/2;

где:B=0,1L (при V=100км/ч), B=0,2L (при V=50-70 км/ч), B=0,4L (при V=25 км/ч),

L_А, L_Б, L_В, L_Г – длина зон А, Б, В, Г, км;В – ширина зон, км;q – мощность ядерного взрыва,

кт ; V – скорость среднего ветра, км/ч.

При действии на радиоактивно зараженной местности от ядерных взрывов основное поражение люди будут получать от внешнего облучения, попадание радиоактивных веществ внутрь организма усугубляет поражение, особенно попадание альфа - излучателей. Защита от ионизирующих излучений в зонах радиоактивного заражения осуществляется методом экранирования, а при действиях на зараженной местности и использованием радиопротекторов.

Эффективность защиты на зараженной местности определяется коэффициентом ослабления радиации, так же как и от проникающей радиации. Величина коэффициента ослабления радиации (К_осл) определяется по формуле:

где H₁, Н₂ ... – толщина слоя n-го материала, см; d₁, d₂, ... – слой половинного ослабления гамма-излучения n-ым материалом, см.

Слои половинного ослабления различных материалов имеют меньшие значения, чем при проникающей радиации и составляют: для грунта – 8,5 см, для бетона – 5,6 см, для воды – 13 см и вычисляются по формуле:

Дозы облучения при действиях на радиоактивно зараженной местности определяются по формуле: D_{обл и}= 5 (P_нt_н – P_кt_к) / K_осл ,где: P_н, P_к – уровни радиации в момент начала (t_н) и окончания (t_к) облучения, Р/ч, К_осл – коэффициент ослабления радиации средствами защиты.

Эта формула позволяет определять дозы облучения людей расчетным методом, однако наиболее надежным методом является прямое измерение доз облучения с помощью дозиметров.

Если дозы облучения людей не были измерены при проведении работ в зонах радиоактивного заражения, то их можно определить в более позднее время хромосомным анализом, т.к. повреждение хромосом сохраняются многие годы, или электронным парамагнитным резонансным анализом эмали зубов, повреждения в которой от ионизирующей радиации сохраняются всю жизнь.