5.1.3. Надзвичайні ситуації при ядерному вибуху

Вражаюча дія ядерного вибуху визначається механічною дією ударної хвилі, тепловою дією світлового випромінювання, радіаційною дією проникаючої радіації і радіоактивного зараження. Для деяких елементів об'єктів вражаючим чинником є електромагнітне випромінювання (електромагнітний імпульс) ядерного вибуху.

Розподіл енергії між вражаючими чинниками ядерного вибуху залежить від виду вибуху і умов, в яких він відбувається. При вибуху в атмосфері приблизно 50 % енергії вибуху витрачається на утворення ударної хвилі, 30 – 40 % - на світлове випромінювання, до 5 % - на проникаючу радіацію і електромагнітний імпульс і до 15 % - на радіоактивне зараження.

Для нейтронного вибуху характерні ті ж вражаючі чинники, проте інакше розподіляється енергія вибуху : 8 - 10 % на утворення ударної хвилі, 5 - 8 % на світлове випромінювання і близько 85 % витрачається на виникнення нейтронного і гамма-випромінювань (проникаючій радіації).

Дія вражаючих чинників ядерного вибуху на людей і елементи об'єктів відбувається не одночасно і розрізняється по тривалості дії, характеру і масштабу ураження.

Ударна хвиля

Ударна хвиля - це область різкого стискування середовища, яке у вигляді сферичного шару поширюється на всі боки від місця вибуху з надзвуковою швидкістю. Залежно від середовища поширення розрізняють ударну хвилю в повітрі, у воді або ґрунті (сейсмовибухові хвилі).

Ударна хвиля в повітрі утворюється за рахунок гігантської енергії, що виділяється в зоні реакції, де виключно висока температура, а тиск досягає мільярдів атмосфер (до 100000 млрд. Па). Розжарені пари і гази, розширюючись, роблять різкий удар по навколишніх шарах повітря, стискують їх до великого тиску і щільності і нагрівають до високої температури. Ці шари повітря приводять в рух наступні шари. І так стискування і переміщення повітря походить від одного шару до іншого на всі боки від центру вибуху, утворюючи повітряну ударну хвилю. Розширення розжарених газів відбувається в порівняно малих об'ємах, тому їх дія на помітніших видаленнях від центру ядерного вибуху зникає і основним носієм дії вибуху стає повітряна ударна хвиля. Поблизу центру вибуху швидкість поширення ударної хвилі у декілька разів перевищує швидкість звуку в повітрі. Із збільшенням відстані від місця вибуху швидкість поширення хвилі швидко падає, а ударна хвиля слабшає; на великих видаленнях ударна хвиля переходить в звичайну акустичну хвилю, і швидкість її поширення наближається до швидкості звуку в довкіллі, тобто до 340 м/с. Повітряна ударна хвиля при ядерному вибуху середньої потужності проходить приблизно 1000 м за 1,4 с; 2000 м - за 4 с; 3000 м - за 7 с; 5000 м за 12 с. Звідси витікає, що людина побачивши спалах ядерного вибуху, за час до приходу ударної хвилі, може зайняти найближче укриття (складку місцевості, канаву, кювет, простінок і тому подібне) і тим самим зменшити вірогідність ураження ударною хвилею.

Перед фронтом ударної хвилі тиск в повітрі рівно атмосферному Р₀. З приходом фронту ударної хвилі в цю точку простору тиск різко (стрибком) збільшується і досягає максимального. Також різко в цій точці виникає щільність, температура і швидкість руху середовища (повітря).

Після того, як фронт ударної хвилі (її передня межа) проходить цю точку простору, тиск в ній поступово знижується і через деякий проміжок часу стає рівним атмосферному. Шар стислого повітря, що утворився, називається фазою стискування. В цей період часу повітряна ударна хвиля має найбільшу руйнівну дію. З видаленням від центру вибуху тиск у фронті ударної хвилі зменшується, а товщина шару стискування увесь час зростає. Останнє відбувається в результаті залучення до руху нових мас повітря.

Надалі, продовжуючи зменшуватися, тиск стає нижче за атмосферне, і повітря починає рухатися в напрямі, протилежному до поширення ударної хвилі, тобто до центру вибуху. Ця зона зниженого тиску називається фазою розрідження. У фазі розрідження ударна хвиля робить менше руйнування, чим у фазі стискування, оскільки максимальний негативний тиск значно менше максимального надмірного тиску у фронті ударної хвилі.

Після закінчення періоду дії фази розрідження, коли тиск досягає значення тиску довкілля, практично припиняється рух мас повітря, а, отже, і дія повітряної ударної хвилі.

Безпосередньо за фронтом ударної хвилі, в області стискування, рухаються маси повітря. Внаслідок гальмування цих мас повітря при зустрічі з перешкодою виникає тиск швидкісного натиску повітряної ударної хвилі. Коли фронт ударної хвилі досягає цієї точки простору (перешкоди), швидкісний (вітровий) натиск, як і надмірний тиск, вмить піднімається від нуля до максимального значення. У міру видалення від фронту швидкісний натиск зменшується до нуля дещо пізніше, ніж надмірний тиск. Це пояснюється інерцією рухомого за фронтом ударної хвилі повітря. Проте для оцінки руйнівної дії повітряної ударної хвилі ядерного вибуху ця різниця несуттєва і при розрахунках приймають тривалість дії швидкісного натиску рівним часу дії фази стискування. У фазі розрідження швидкісний натиск дуже незначний і його руйнівна дія, так само як і дію надмірного тиску не враховують.

Основні параметри ударної хвилі, що характеризують її руйнівну і вражаючу дію: надмірний тиск у фронті ударної хвилі, тиск швидкісного натиску, тривалість дії хвилі - тривалість фази стискування і швидкість фронту ударної хвилі.

Надмірний тиск у фронті ударної хвилі це різниця між максимальним тиском у фронті ударної хвилі і нормальним атмосферним тиском перед цим фронтом. Значення надмірного тиску в основному залежить від потужності і виду вибуху і відстані. Вплив інших умов (рельєфу місцевості, метеоумов та ін.) може бути врахований шляхом введення відповідних поправок в значення величин, визначуваних для різних умов вибуху.

Радіус ураження ударною хвилею наземного ядерного вибуху на порівняно невеликих відстанях більший, ніж радіус ураження ударною хвилею повітряного вибуху однакової потужності. На більше видалених відстанях, навпаки, - радіус ураження ударною хвилею повітряного вибуху більший, оскільки позначається вплив спільної дії хвилі, що падає і відбитою ударної хвилі - головної повітряної ударної хвилі. Наприклад, надмірний тиск у фронті повітряної ударної хвилі, рівне 80 кПа, при вибуху ядерного боєприпасу потужністю 1 Мт спостерігатиметься при наземному вибуху на відстані 3100 м, при повітрі - 2600 м

Міра руйнування конструкцій визначається не лише дією тиску фронту хвилі, але і гальмуванням руху мас повітря, що йдуть за фронтом хвилі. Динамічне навантаження, що створюється потоком повітря, називається тиском швидкісного натиску.

Ударна хвиля у воді при підводному ядерному вибуху якісно нагадує ударну хвилю в повітрі. Проте підводна ударна хвиля відрізняється від повітряної ударної хвилі своїми параметрами. На одних і тих же відстанях тиск у фронті ударної хвилі у воді значно більше, чим в повітрі, а час дії - менше. Наприклад, максимальний надмірний тиск на відстані 900 м від центру ядерного вибуху потужністю 100 кг в глибокому водоймищі складає 19000 кПа, а при вибуху в повітряному середовищі - близько 100 кПа.

При наземному ядерному вибуху частина енергії вибуху витрачається на утворення хвилі стискування в ґрунті. На відміну від ударної хвилі в повітрі вона характеризується менш різким збільшенням тиску у фронті хвилі, а також повільнішим його послабленням за фронтом. Тиск у фронті хвилі стискування зменшується досить швидко з видаленням від центру вибуху і на великих відстанях хвиля стискування стає подібній сейсмічній хвилі.

При вибуху ядерного боєприпасу в ґрунті основна частина енергії вибуху передається навколишній масі ґрунту і робить потужний струс ґрунту, землетрус, що нагадує по своїй дії.

Характер дії ударної хвилі на людей і тварин. Ударна хвиля може завдати незахищеним людям і тваринам травматичних уражень, контузії або бути причиною їх загибелі. Ураження можуть бути безпосередніми або непрямими. Безпосереднє ураження ударною хвилею виникає в результаті дії надмірного тиску і швидкісного натиску повітря. Зважаючи на невеликі розміри тіла людини ударна хвиля практично миттєво охоплює людину і піддає його сильному стискуванню. Процес стискування триває з інтенсивністю, що знижується, протягом усього періоду фази стискування, тобто протягом декількох секунд. Миттєве підвищення тиску у момент приходу ударної хвилі сприймається живим організмом як різкий удар. У той же самий час швидкісний натиск створює значний лобовий опір, який може привести до переміщення тіла в просторі. Непрямі ураження люди і тварини можуть отримати в результаті ударів уламками зруйнованих будівель і споруд або в результаті ударів осколків скла, шлаку, каменів, дерева і інших предметів, що летять з великою швидкістю. Характер і ступінь ураження незахищених людей і тварин залежать від потужності і виду вибуху, відстані, метеоумов, а також від місця знаходження (у будівлі, на відкритій місцевості) і положення (лежачи, сидячи, стоячи) людини. Дія повітряної ударної хвилі на незахищених людей характеризується легкими, середніми, важкими і украй важкими травмами.

Украй важкі контузії і травми у людей виникають при надмірному тиску більше 100 кПа. Відзначаються розриви внутрішніх органів, переломи кісток, внутрішні кровотечі, струс мозку, тривала втрата свідомості. Розриви спостерігаються в органах, що містять велику кількість крові (печінка, селезінка, нирки), наповнені газом (легені, кишечник) або порожнини, що мають, наповнені рідиною (шлуночки головного мозку, сечовий і жовчні міхури). Ці травми можуть привести до смертельного результату.

Важкі контузії і травми можливі при надмірних тисках від 60 до 100 кПа. Вони характеризуються сильною контузією організму, втратою свідомості, переломами кісток, кровотечею з носа і вух; можливі ушкодження внутрішніх органів і внутрішні кровотечі.

Ураження середньої тяжкості виникають при надмірному тиску 40 – 60 кПа. При цьому можуть бути вивихи кінцівок, контузія головного мозку, ушкодження органів слуху, кровотеча з носа і вух.

Легкі ураження настають при надмірному тиску 20 - 40 кПа. Вони виражаються в скороминучих порушеннях функцій організму (дзвін у вухах, запаморочення, головний біль). Можливі вивихи, удари.

Надмірні тиски у фронті ударної хвилі 10 кПа і менш для людей і тварин, розташованих поза укриттями вважаються безпечними.

Радіус ураження уламками будівель, особливо осколками стекол, що руйнуються при надмірному тиску більше 2 кПа може перевищувати радіус безпосереднього ураження ударною хвилею.

Гарантований захист людей від ударної хвилі забезпечується при укритті їх в сховищах. За відсутності сховищ використовуються протирадіаційні укриття, підземні вироблення, природні укриття і рельєф місцевості.

Механічна дія ударної хвилі. Характер руйнування елементів об'єкту (предметів) залежить від навантаження, створюваною ударною хвилею, і реакції предмета на дію цього навантаження. Загальну оцінку руйнувань, викликаних ударною хвилею ядерного вибуху, прийнято давати по мірі тяжкість цих руйнувань. Для більшості елементів об'єкту розглядають три міри - слабке, середнє і сильне руйнування. Стосовно цивільних і промислових будівель міри руйнування характеризуються наступним станом конструкції.

Слабке руйнування. Руйнуються віконні і дверні заповнення і легкі перегородки, частково руйнується покрівля, можливі тріщини в стінах верхніх поверхів. Підвали і нижні поверхи зберігаються повністю. Знаходитися в будівлі безпечно, і воно може експлуатуватися після поточного ремонту.

Середнє руйнування проявляється в руйнуванні дахів і вбудованих елементів - внутрішніх перегородок, вікон, а також у виникненні тріщин в стінах, обваленні окремих ділянок горищних перекриттів і стін верхніх поверхів. Підвали зберігаються. Після розчищення і ремонту може бути використана частина приміщень нижніх поверхів. Відновлення будівель можливе при проведенні капітального ремонту.

Сильне руйнування характеризується руйнуванням несучих конструкцій і перекриттів верхніх поверхів, утворенням тріщин в стінах і деформацією перекриттів нижніх поверхів. Використання приміщень стає неможливим, а ремонт і відновлення найчастіше недоцільним.

Повне руйнування. Руйнуються усі основні елементи будівлі, включаючи і несучи конструкції. Використовувати будівлі неможливо. Підвальні приміщення при сильних і повних руйнуваннях можуть зберігатися і після розбору завалів частково використовуватися.

Енергетичне, промислове і комунальне устаткування може мати наступні міри руйнувань.

Слабкі руйнування: деформації трубопроводів, їх ушкодження на стиках; ушкодження і руйнування контрольно-вимірювальної апаратури; ушкодження верхніх частин колодязів на водо-, тепло- і газових мережах; окремі розриви на лінії електропередач (ЛЕП); ушкодження верстатів, що вимагають заміни електропроводки, приладів і інших пошкоджених частин.

Середні руйнування: окремі розриви і деформації трубопроводів, кабелів; деформації і ушкодження окремих опор ЛЕП; деформація і зміщення на опорах цистерн, руйнування їх вище за рівень рідини; ушкодження верстатів, що вимагають капітального ремонту.

Сильні руйнування: масові розриви трубопроводів, кабелів і руйнування опор ЛЕП і інші руйнування, які не можна усунути при капітальному ремонті.

Найбільш стійкі підземні енергетичні мережі. Газові, водопровідні і каналізаційні підземні мережі руйнуються тільки при наземних вибухах в безпосередній близькості від центру при тиску ударної хвилі 600 - 1500 кПа.