Проведенные эксперименты в полигонных испытаниях показали, что асимметрия сжатия мишеней лазерного термоядерного синтеза не столь существенно ограничивает горение мишеней, как считалось ранее.
Особым достижением проведенных экспериментов является зажигание тритий-дейтериевой смеси в специальных термоядерных устройствах. Это указывает на то, что трудности, связанные с проблемой лазерного термоядерного синтеза, преодолимы.
8.3. Фундаментальные исследования, связанные с поражающими факторами ядерного взрыва
8.3.1. Электромагнитный импульс ядерного взрыва
Одним из характерных примеров исследования новых природных процессов, связанных с ядерным взрывом, является изучение электромагнитного импульса (ЭМИ) ядерного взрыва.
Наличие электромагнитного импульса при проведении ядерных испытаний требовало объяснения этого явления. В качестве основного механизма образования ЭМИ наземного взрыва был предложен комптоновский механизм. Согласно этой модели, электромагнитное поле ядерного взрыва возникает в результате взаимодействия гамма-квантов с веществом среды. При этом электрическое поле определяется двумя конкурирующими процессами. Во-первых, гамма-кванты взаимодействуют с атомами, выбивают из них быстрые комптоновские электроны, которые, двигаясь в основном по направлению порождающих их гамма-квантов, создают упорядоченный сторонний ток и тем самым приводят к разделению в пространстве зарядов и формированию радиального электрического поля. Во-вторых, комптоновские электроны эффективно участвуют в ионизации воздуха, создавая медленные электроны и ионы, которые перемещаются под действием радиального электрического поля и создают тем самым ток проводимости воздуха. Этот ток направлен навстречу стороннему току и уменьшает радиальное электрическое поле.
Ввиду важной роли радиационной проводимости воздуха и значительной длительности ее существования по сравнению со сторонним током, временная форма ЭМИ не повторяет временной формы импульса гамма-излучения.
Вторичное гамма-излучение также влияет на формирование ЭМИ наземного взрыва. За счет этого временная форма ЭМИ наземного взрыва оказывается растянутой до миллисекундной области и приобретает сложную, в том числе многопиковую структуру.
Существенным фактором является нарушение симметрии условий для формирования ЭМИ. При наземном взрыве основной причиной нарушения симметрии выступает земля. Граница раздела «воздух-грунт» является границей двух сред с существенно отличающимися условиями распространения как для гамма-излучения, так и для электронов. Поэтому при наземном взрыве в его окрестности формируются тангенциальные составляющие тока, которые выступают в качестве источника излученного ЭМИ, распространяющегося в атмосфере подобно обычному радиосигналу. Кроме того, при формировании ЭМИ наземного взрыва важная роль принадлежит проводимости грунта, за счет которой в грунте под действием радиального электрического поля протекает значительный ток, генерирующий магнитное поле.
Ввопросах развития ЭМИ высотного ядерного взрыва есть принципиальные отличия. Общим является всего источник ЭМИ – ток быстрых электронов, генерируемых гамма-излучением взрыва, а также играющая важную роль в формировании ЭМИ проводимость воздуха, создаваемая всем комплексом ионизирующих излучений. Одно из отличий связано с низкой плотностью атмосферы, которая ведет к значительному возрастанию времени жизни как быстрых, так и медленных электронов.
Другое отличие связано с тем, что в данном случае комптоновский механизм ответственен только за формирование радиального поля в районе взрыва, а ведущим механизмом формирования важного для практики излученного поля при высотном взрыве является взаимодействие стороннего тока с геомагнитным полем.
Вреальных условиях пространственное распределение стороннего тока и тока проводимости оказывается несимметричным, что приводит к появлению электромагнитного излучения, распро-
страняющегося из зоны источника ЭМИ, на значительные расстояния. При высотном взрыве в качестве факторов асимметрии выступают геомагнитное поле и изменение плотности атмосферы с высотой.
8.3.2. Ударная волна ядерного взрыва
Проведение ядерных испытаний в атмосфере содействовало интенсификации исследований физики ударных волн.
Воздушная ударная волна ядерного взрыва вблизи границы раздела «воздух-земля» является ведущим поражающим фактором, что определило особый интерес к изучению ее характеристик. До 1963 года было проведено значительное количество ядерных испытаний в приземных условиях, что позволило получить необходимые количественные данные о воздушной ударной волне и сравнить их с характеристиками волны, образующейся при взрыве химического ВВ. Эти данные легли в основу разработки физико-математической модели формирования и развития воздушной ударной волны ядерного взрыва и обеспечили успех в исследованиях таких важных особенностей, как распространение волны в неоднородной атмосфере, взаимодействие волны с границей раздела воздухземля и формирование аномалий распространения волны.
При взрыве вблизи поверхности земли важную роль в распространении воздушной ударной волны играет ее взаимодействие с грунтом и образование отраженной волны. Отраженная волна движется за фронтом падающей по прогретому воздуху с большей скоростью, поэтому вблизи границы раздела волны частично сливаются, образуя так называемую головную волну. Следует отметить, что, кроме отраженной, образуется преломленная волна в грунте. Эта волна является источником формирования сейсмовзрывной волны ядерного взрыва, проведенного над поверхностью земли.
Важные вопросы связаны с механическим действием наземного и подземного ядерных взрывов на грунтовый массив. Для решения этих проблем было существенно определение физических особенностей формирования взрывом эпицентрального источника доли энергии, передаваемой грунту, создание моделей деформирования различных грунтовых сред.
При исследовании механического действия на грунт ядерного взрыва, произведенного вблизи границы раздела «воздух-грунт», обычно выделяют две последовательные стадии развития взрыва: гидродинамическую (начальную) и упругопластическую.
На гидродинамической стадии воздействие ядерного взрыва на грунт осуществляется непосредственной передачей энергии от заряда грунтовой среде за счет прогрева грунта излучением и действия на грунт разлетающегося вещества конструкции. На этой стадии происходит интенсивное перераспределение энергии взрыва между грунтом и воздухом. В грунте формируется характерная для ядреного взрыва возмущенная область с чрезвычайно высокими температурой и давлением. Развитие этой области определяется энергосодержанием, плотностью и составом грунта и не зависит от прочностных свойств грунта. В воздухе в это время формируются тепловая и воздушная ударные волны. По мере развития взрыва температура и давление в возмущенной области уменьшаются, и только начиная с момента времени, когда давление снизится до значения 105 атм, существенную роль начинают играть прочностные свойства грунта. Развитие взрыва переходит во вторую стадию – упругопластическую стадию. В результате действия эпицентрального источника и воздушной ударной (тепловой) волны в грунте формируются сейсмовзрывные волны и воронка выброса.
Отдельным источником движений в грунте является распространяющаяся вдоль его поверхности воздушная ударная волна, которая действует на возрастающую со временем площадь нагружения. В случае приподнятого над поверхностью взрыва воздушная ударная волна становится практически единственным источником механического действия на грунт. В то же время заглубление заряда заметно снижает нагружение воздушной ударной волной и существенно увеличивает действие эпицентрального источника.
Механическое действие воздушной ударной волны на объекты представляет собой многоплановую проблему из-за разнообразия самих объектов, различия условий воздействия и степени разрушения объекта в процессе воздействия.
Действие ударной волны на объект формирует динамическую нагрузку, которая определяется параметрами ударной волны, формой и размерами объекта, а также его ориентацией относительно
скорости движения фронта волны. Процесс взаимодействия ударной волны с объектом обычно разделяют на две характерные фазы:
•фаза дифракции действует от момента соприкосновения фронта волны с объектом до установления сравнительно стабильного процесса его обтекания потоком сжатого воздуха;
•фаза квазистационарного обтекания действует после окончания фазы дифракции до момента окончания действия положительной фазы ударной волны.
Впервой фазе ударная волна действует сначала только на переднюю поверхность, затем на боковые поверхности и по мере затекания – на заднюю поверхность объекта. В момент соприкосновения падающей ударной волны с передней поверхностью возникает отраженная ударная волна, которая распространяется навстречу падающей волне.
Разница давлений на переднюю и тыльную поверхности приводит к возникновению смещающей силы. Направление этой силы сначала совпадает с направлением распространения ударной волны. На этой стадии возникают большие давления и большие смещающие силы, однако время их действия сравнительно мало.
Вторая фаза характеризуется сравнительно стабильным процессом обтекания объекта потоком сжатого воздуха, скорость и плотность которого постепенно уменьшаются. Смещающая сила в этот период определяется давлением скоростного напора, коэффициентом аэродинамического сопротивления преграды и площадью ее сечения. Давление и смещающая сила меньше, чем в начальный период, однако время их действия на преграду гораздо больше.
8.3.3.Радиоактивное загрязнение атмосферы и поверхности земли
Особое место в системе физических процессов, сопровождающих развитие ядерного взрыва,
занимает радиоактивное загрязнение атмосферы и местности. Радиоактивное загрязнение среды опасно как источник внешнего и внутреннего облучения ионизирующими излучениями. При ядерном взрыве радиоактивное загрязнение характеризуется большими пространственными масштабами территорий, которые оно охватывает, и весьма продолжительным временем существования и возможного воздействия на людей. Формирование радиоактивных выпадений при ядерном взрыве определяется сложным комплексом физических, ядерно-физических и физико-химических процессов, протекающих в светящейся области и облаке взрыва, в результате которых образуются радиоактивные частицы. Эти частицы переносятся воздушными течениями в турбулентной атмосфере и выпадают на поверхность земли.
Процесс формирования радиоактивных частиц в облаке наземного взрыва начинается после снижения температуры до нескольких тысяч градусов, когда создаются условия для конденсации радионуклидов тугоплавкой группы. Эти нуклиды захватываются расплавленными частицами грунта и диффундируют в объем частиц. После затвердевания этих частиц продолжается конденсация уже более летучих радионуклидов. Таким образом, формируется основной тип радиоактивных частиц. В периферийных зонах облака взрыва формирование радиоактивных частиц осуществляется за счет поступления в облако взрыва пыли из приземного слоя. Взаимодействие частиц пыли с продуктами взрыва происходит в зоне с более низкой температурой, частицы пыли не успевают проплавиться на всю глубину, поэтому образующиеся радиоактивные частицы обычно имеют поверхностное распределение активности.
Различие в температурах конденсации отдельных радионуклидов и их предшественников в цепочках распада приводит к сдвигу фактического соотношения количества различных радионуклидов, находящихся в радиоактивных частицах, по сравнению с их соотношением в смеси радионуклидов, образующейся в процессе деления. Это явление называется фракционированием.
Под действием газовых потоков в облаке и вблизи него формируется сложное пространственное распределение радиоактивных частиц, которое является объемным источником радиоактивного загрязнения окружающей среды. При наземном взрыве этот источник представляет собой суперпозицию собственно радиоактивного облака с распределенными в нем радиоактивными частицами и газообразными продуктами взрыва и зону вне облака, сформированную выпавшими из облака радиоактивными частицами в процессе его подъема и движения по ветру. Загрязнение окружающей
среды (воздуха, объектов, поверхности земли) происходит за счет выпадения из объемного источника радиоактивных частиц. Различают три зоны выпадений:
•«след» радиоактивного облака – выпадение крупных частиц в районе, примыкающем к месту взрыва по направлению движения облака;
•тропосферные выпадения мелких частиц, простирающиеся на несколько тысяч километров от места взрыва в основном по направлению движения облака;
•глобальные выпадения мелких частиц в течение нескольких лет.
При увеличении высоты взрыва по мере уменьшения поступления грунтовых частиц в облако взрыва происходят существенные изменения состава и структуры образующихся радиоактивных частиц. Сначала уменьшается доля крупных частиц в общем составе, затем уменьшается вплоть до исчезновения весь спектр частиц на основе грунтовой пыли и растет доля частиц, образующихся в результате конденсации радиоактивных продуктов взрыва и вещества конструкции взрывного устройства
8.3.4. Особенности высотного взрыва
При высотном ядерном взрыве низкая плотность атмосферы приводит к тому, что на значительные расстояния от центра взрыва распространяются не только нейтроны и гамма-кванты, но и рентгеновские кванты. Если учесть, что рентгеновскому излучению передается значительная доля энергии взрыва, становится ясной ведущая роль этого излучения не только в формировании возмущенной области, но и в ионизации воздуха в окрестности взрыва, а также в формировании радиационных и электромагнитных эффектов в облучаемых объектах.
Процессы ионизации, протекающие в атмосфере под действием ядерного взрыва, формируются в результате действия теплового и рентгеновского излучений, нейтронов, гамма-квантов и бе- та-частиц, ударной волны взрыва. Время действия каждого ионизирующего агента, геометрия создаваемых им ионизованных областей, уровень ионизации в этих областях и сами процессы ионизации различны.
При взрыве вблизи поверхности земли и в плотных слоях атмосферы светящаяся область образуется в результате поглощения рентгеновского излучения и последующего распространения тепловой и ударной волн.
С ростом высоты взрыва определяющее влияние на формирование разогретой области начинает оказывать ударная волна, образующаяся в воздухе под действием плазмы продуктов взрыва. Низкая плотность воздуха на больших высотах определяет большие пространственные масштабы (до сотен километров) ионизирующего воздействия ударной волны и низкую скорость рекомбинации электронов в образующейся разогретой области.
Воснове исследований взаимодействия проникающих излучений ядерного взрыва с объектом лежит задача определения детальных характеристик полей излучений внутри облучаемого объекта. Особое место в этой проблеме занимает задача определения характеристик эмиссии заряженных частиц с поверхности.
Воснове физических механизмов поражающего действия рентгеновского излучения на объекты лежит передача его энергии электронам атомов конструкционных материалов и ее переход в энергию электромагнитных полей, а затем – в тепловую и механическую энергию.
Внутри объекта вдали от границы раздела сред с различным элементным составом имеет место электронное равновесие. Его следствием является линейная связь между плотностью энергии, поглощенной в какой-либо точке преграды, и плотностью потока энергии рентгеновского излучения в этой же точке. При этом для определения параметров воздействия рентгеновского излучения не обязательно учитывать перенос электронов.
Иначе обстоит дело в пространственной области, примыкающей к границе раздела сред в пределах расстояния порядка длины пробега электронов. Если интенсивности образования электронов в двух смежных средах существенно различаются, будет иметь место перенос энергии и электрического заряда из одной среды в другую. В элементах радиоэлектронной аппаратуры этот процесс обусловливает различные тепловые, зарядовые и ионизационные эффекты, которые могут привести к нарушению ее работоспособности.