III Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2011

1947

1952

1957

1962

1967

1972

1977

1982

1987

1989

1992

2002

2009

США

32

1005

6444

≈26000

>31255

≈27000

≈25000

≈23000

≈23500

22217

≈12000

≈10600

5113

СССР/Россия

0

50

660

≈4000

8339

≈15000

≈25000

≈34000

≈38000

≈25000

≈8600

≈2800

Великобритания

20

270

512

160

Франция

36

384

384

Китай

25

400

Индия+Пакистан

<100

Израиль

≈200

Итого

32

1055

7124

>30000

39563

>40000

≈50000

≈57000

63484

<40000

<20450

Действие наземного ядерного взрыва мощностью 1 Мт в тротиловом эквиваленте

Время

^{[# 1]}

Рассто-
яние
^{[# 2]}

Давление

^{[# 3]}

Смеще-
ние
^{[# 4]}

Защита

^{[# 5]}

Примечания

0 с

0 м

Начало ядерных реакций.

< 10^-7 c

0 м

~10⁸ МПа

200-300
/100 м

Окончание реакции, начало разлёта вещества бомбы. Глубина воронки в этом месте ~40-50 м, грунт необратимо деформируется на глубину ~100-200 м в зависимости от породы (3-4 глубины воронки)
Защитное сооружение под эпицентром возможно в (мягком) грунте на глубине от 300 до 900 м или в однородном граните на глубине 100-200 м в виде особо прочного сооружения с амортизацией и 300-400 м в обычной горной выработке с креплением и без амортизации; в скальной породе но под слоем ~200 м мягкого грунта на глубине до 300 м .Радиоактивный фон в воронке и её окрестностях в первые 1-2 часа после взрыва составит порядка 0,1 Гр/с (10 рентген/с), снижающийся затем по закону радиоактивного распада: через сутки 0,01, 2 сут. ~ 0,002, 5 суток 0,0002 Гр/с

10^-7c

12 м

200-300
/100 м

Энергия взрыва в нижней части трансформируется в изотермическую полусферу испарившегося грунта радиусом 1,5-2 м^]. В грунт на начальном этапе передаётся ~7 % всей энергии взрыва, но в дальнейшем эта доля уменьшается за счёт переизлучения большей части энергии в воздух и выброса нагретого грунта из эпицентральной области. (При взрыве обычного ВВ в грунт идёт ~50 % энергии).

1,7·
10^-7c

25 м

200-300
/100 м

Вторая стадия воздействия на грунт: пары бомбы ударяют по его поверхности со скоростями порядка 100-1000 км/с, температура в зоне контакта св. 10 млн °C. А на поверхности растёт изотермическая полусфера светящегося воздуха.

10^-6c

34 м

13 000 МПа

Полусфера: радиус 34 м, температура 2 млн. К, скорость воздуха ~1 км/с; облако паров бомбы на поверхности: радиус 2 м, температура 4 млн. К, давление 10⁷МПа, скорость 1000 км/с, толщина прогретого излучением грунта ~0,5-1,5 м, тепловая волна в грунте переходит в ударную волну.

10^-6 - 10^-3 c

Ударные явления в грунте описываются законами гидродинамики: грунтовую ударную волну давлением 50 000-10⁷ МПа формируют массы расплавленной и испарённой земли, разогнанной парами бомбы и идущей со скоростями выше скорости звука в породе. Порода при сверхзвуковом ударе ведёт себя как несжимаемая жидкость и рассыпается в мелкодисперсную пыль наподобие пепла; прочность породы при этом не имеет значения.

2·
10^-5c

Ударная волна испаряет и плавит грунт в радиусе 20-30 м. Всего испаряется ~20 тыс. тонн грунта (куб высотой 20-25 м).

0,0001c

~ 50 м

3000 МПа

200-300
/90 м

Сильная ударная волна уходит в глубину, развивая воронку и эжектируя в воздух (как из сопларакетного двигателя) конусообразный скоростной поток испарённого, расплавленного и размолотого грунта. Появляются сейсмовзрывные волны в грунте, уходящие от будущей воронки. Формирование воздушной ударной волны. Величина энергии в приповерхностной области около 1 %, а во всём нижнем полупространстве ~2,5 %; остальные 97,5 % всей энергии взрыва - в огненной полусфере.

0,001-0,002 с

Поздняя стадия несжимаемого течения, свойства грунта начинают оказывать влияние на динамику развития воронки, скорость её роста заметно снижается. Часть грунта вдавливается в массив и затем частично отпружинивает обратно. Растущая воронка в это время имеет примерно полукруглую форму, её радиус 40-50 % окончательного. Формируется максимальная глубина воронки, далее растёт только радиус, так как поверхностный окраинный грунт меньше сопротивляется выбросу и выдавливанию, чем глубинный массив. Выброшенный грунт образует конус разлёта (грунтовый «ус» или султан выброса) под углом 40-60° со скоростями ~10²-10³ м/с (основная масса до 100 м/с).

0,0015с

~100 м

~750 МПа

гранит
6 м

200 м
/40 м

Здесь будет граница воронки в скале глубиной до 40 м .
На глубине 40 м давление ~200МПа, порода смещается в сторону на ~5 м с ускорением в тысячи g. Особо прочные подземные сооружения (необитаемые) при давлении до 200МПа в гранитной скале на пределе сохранения.

0,002 с

128 м

400 МПа

аллювий 8 м

200
/20 м

Здесь будет граница воронки глубиной 47 м в сухом мягком грунте, далее без пояснений явления взрыва в этом типе грунта.

0,004 с

150 м

220 МПа

5 м

200 м
/5 м

Гребень вокруг воронки высотой до 11,5 мили 0,25 глубины воронки, состоит из кольцеобразной застывшей «волны» выдавленного грунта шириной порядка радиуса воронки и навала до 5-6 м толщиной.

160 м

200 МПа

4,3 м

Через 0,1 с температура ниже до 10 раз от той, что могла бы быть в этой области (~50 000 К), а спустя 1,5 с 2000 К вместо 7000 К из-за охлаждающего действия потока грунта.
Полное разрушение или сильное смещение тяжёлого убежища до 1,25R воронки

0,006 с

180 м

130 МПа

3/5 м

Плотность грунта в навале ~0,7-0,8 ненарущенного грунта.

0,007 с

190 м

110 МПа

2,5 м

Деформация и разрывы длинных гибких конструкций на умеренной глубине (трубопроводы) 1,5R воронки.

0,008 с

200 м

90 МПа

1,7/3 м

Навал грунта из воронки толщиной 4,8 м. Ориентировочная граница зоны сдвиговых разрушений в скальных породах (ударная волна в породе от 10 ГПа до 10-100 МПа), где будет наблюдаться полное или сильное разрушение строительных конструкций подземного сооружения.

0,01 с

220 м

60 МПа

Граница воронки в водонасыщенном грунте ~1,7R воронки в сухом грунте.
Предел защищённости ШПУ в скальном грунте 50 Мпа.

~0,01-0,1 с

При определённых условиях (летний период, открытая местность, пыльная поверхность, сухая трава, пустыня, степь) из-за нагрева приземного воздуха под действием вспышки и изменения его свойств ударная волна у поверхности бежит несколько быстрее, чем основной фронт: появляется скачок-предвестник или аномалия ударной волны. Растущая полусфера наземного и низкого воздушного взрыва похожа на круглую шляпу, а её короткие кучерявые поля и есть названная аномалия. В дальнейшем до расстояний 2-3 км размеры скачка-предвестника становятся больше, а в случае высокого воздушного взрыва явление выражено резче, но здесь оно наиболее наглядно. В разрушении защищённых подземных объектов эффект вреден: он приводит к потере давления ударной волны (до 2-х раз), но зато возрастает (до 5 раз) давление и импульс скоростного напора, то есть энергия удара переходит в энергию ветра за фронтом, способного далеко отбросить наземные объекты. Поднимаемые этим скачком клубы пыли могут сильно затемнить нижнюю часть огненной полусферы и уменьшить силу светового поражения.

0,015 с

250 м

40 МПа

0,5/1 м

150 м

До 2R воронки: повреждение внутреннего оборудования тяжёлого убежища, незначительные деформации, иногда разрывы трубопроводов.

0,025 с

300 м

23 МПа

0,2/0,5м

70 м

Навал грунта толщиной 0,7 м.

320 м

20 МПа

50-70 м

Граница зоны пластических деформаций среднего грунта до 2,5R воронки, в этой области рассеивается до 70-80 % энергии, переданной грунтовому массиву или до 2 % от полной энергии наземного взрыва. Нарушение соединений, образование небольших трещин, разрыв внешних хрупких связей в тяжёлых убежищахдо 2,5R воронки. За пределами этой зоны грунтовая волна сжатия, полученная при образовании воронки, не вызывает значительных повреждений, на первый план выходит действие воздушной ударной волны и создаваемый ею сейсмический сдвиг.

350 м

14 МПа

50 м

Предел защищиты ШПУ в среднем грунте 12-14 Мпа.

385 м

10 МПа

42 м

Нарушение герметичности соединений трубопроводов до 3R воронки.Ориентировочная граница зоны сдвиговых разрушений в осадочных породах (ударная волна в породе от 10 ГПа до 0,1-10 МПагде будет наблюдаться полное или сильное разрушение строительных конструкций подземного сооружения.

0,05 с

400 м

7,5 МПа

0,5/0,3 м

40 м

Навал грунта толщиной 0,3 м.
Предел защищённости ШПУ «Минитмен» (США).

0,09 с

470 м

5 МПа

0,5/0,3 м

30 м

Граница зоны сплошного навала грунта: давление ~5Мпа;  (3-4)R воронки.
Предел защиты убежища типа метро на глубине 18 м, но входы в него будут полностью разрушены и завалены. В защитном сооружении котлованного типа (неглубокого заложения в осадочных породах), находящемся на грани разрушения, при давлении ударной волны 5 МПа но при взрыве мощностью 0,2 Мт из-за смещения и вибраций люди получают повреждения: крайне тяжёлые 5 %, тяжёлые 30 %, средние 20 %, лёгкие 25 %, без повреждений 20 %.

~500 м

К обычным волновым колебаниям на расстоянии ок. 4 R воронки добавляется низкочастотное движение вверх и от эпицентра длительностью ~3 сек (неизучено).

Радиоактивный фон здесь через 2 часа составит 0,01 Гр/с (1 Р/с), через сутки ~0,001 Гр/с, 2 суток 0,0005 Гр/с, 5 суток 0,00003 Гр/с.

~600 м

Отрыв ударной волны от полусферы. Видны клубы паров и грунта. Нагрев ~5000 °C ~5 сек.

0,15 с

Формирование максимального радиуса воронки 128 м, глубина её 47 м, всего выброшено ~300 тыс. м³ или порядка 0,5-0,6 млн тонн грунта; на его выброс в целом расходуется ~ 0,1 % энергии взрыва.Грунт в процессе полёта внутри огненной полусферы подвергается конвективной тепловой обработке: испаряется, оплавляется, из частиц его впоследствии образуются во множестве маленькие чёрные шарики спёкшегося шлака, разбросанные вокруг воронки - жаргонно названные на Семипалатинском полигоне «харитонки». Огненная полусфера под действием отражённой от земли волны и потока «холодного» испарённого и выброшенного грунта искривляется и теряет правильную внутреннюю структуру.

0,2 с

670 м

2 МПа

0,3/0,15 м

25-30 м

Граница зоны (скоростного) разлёта грунта из воронки.

760 м

Радиация ~50 000 Гр. Нагрев ~3500 °C ~5 сек.

800 м

1,5 Мпа

25 м

Радиация ~20 000 Гр. Сейсмовзрывная волна догоняет воздушную ударную волну: сгущение сейсмических волн и усиление волнового фронта в грунте.

1000 м

1,2 МПа

Радиация ~10 000 Гр. Разрушение железобетонной трубы диаметром 1,5 м толщиной 20 см под землёй (1,2-1,5 МПа). Радиоактивный фон здесь через 2 часа 0,0001 Гр/с, 1 сутки 0,00002 Гр/с, 2 суток ~5·10^-6.

1400 м

0,7 МПа

0,2/0,2 м

12-25 м

Граница огненной полусферы ~1,4 км. Нагрев до 800 °C. Радиация до 1000 Гр. Граница поверхности, покрытой коркой оплавленной земли. Граница зоны оплавления металлов (РДС-2 38 кт на дистанции до 500 м).

1500 м

0,4 МПа

0,15/ 0,15м (?)

7 м

Сейсмовзрывная волна в грунте обгоняет ударную волну в воздухе; она давно потеряла свою разрушительную силу для защищённых сооружений и теперь служит звуковым и сейсмическим предвестником прихода ударной волны.

1600 м

0,3 МПа

Граница зоны камнепада ~12R воронки в мягком и 15R воронки в скальном грунте. Радиация 500 Гр.

~1,5 c

1780 м

0,25 МПа

0,12/0,12 м

3 м

Нагрев до 200 °C. Радиация 70 Гр - 100 Гр.

1,5 c и далее

Султан выброса достигает высоты ~1 км и частями низвергается на землю, образуя вышеназванные слои навала грунта и зоны камнепада. Первыми обрушаются массы грунта из окраинных областей воронки, получившие меньшее ускорение, летящие более плотным потоком и в меньшей степени разрушенные; грунт из средней её части улетает дальше; камни меньше тормозятся воздухом и улетают ещё дальше. Часть грунта может быть отброшена назад движением обратной воздушной волны. Более скоростная мелкодисперсная размолотая пыль из центральных областей выброса в значительной степени испаряется и вместе с другими испарениями грунта и бомбы надолго остаётся в воздухе, поднимаясь с облаком в стратосферу.

2 c

2000 м

0,2 МПа

0,09/0,09 м

1 м

Радиация 35-40 Гр..Огненная «полусфера» вырастает до максимума, она уже значительно искривлена и похожа на плотный куст, верхние ветви которого, образующие как бы корону, это огненные выбросы из воронки. Снизу световой объём сильно затемнён клубами пыли. Если наземный взрыв произведён у входа в прямой подземный тоннель диаметром 5 м без ответвлений и из бетона высокого качества, то с учётом всех потерь давление ударной волны через 400 м составит ~100 МПа, 1 км ~10 МПа, 2 км ~1 МПа, то есть в несколько раз больше, чем могло бы быть на поверхности; к этому расстоянию со стенок тоннеля за счёт абляционных процессов будет унесено свыше 150 т бетона.

2,5 c

2260 м

0,15 МПа^]

0,07/0,07 м

1 м

Радиация ок. 10 Гр.

3,5 c

2800 м

0,1 МПа

0,05/0,05 м

В это время в районе эпицентра плотность потока излучения больше, а температура ниже (~2000 К), чем в периферийных районах светящейся области (5-6 тыс. К). Радиация ок. 1 Гр - лёгкая лучевая болезнь. Отдельные обломки породы падают на расстояниях (20-25)R воронки.

6,5 c

4000 м

0,05 МПа

До этого расстояния после взрыва будет распространяться зона запыления и очень ограниченной видимости.

8,4 с

4700 м

0,037

На границе светящейся области зарождается кольцеобразный вихрь. Взаимодействие ударной волны с нагретым слоем воздуха заканчивается и волна-предвестник исчезает, на месте максимального развития предвестника 2-4 км остаётся пылевой вал, сохраняющийся долгое время, медленно смещающийся от эпицентра и имеющий направление вращения, противоположное вихрю.

15 с

7000 м

0,02 МПа

Кольцеобразный вихрь пошёл вверх, облако, похожее на большой комок горящей ваты отрывается от земли, в нём сосредоточено ~90 % суммарной радиоактивности поднимаемых в воздух частиц, причём большая их часть первоначально сосредоточивается в нижней трети облака; остальные 10 % несёт в себе пылевой столб. Всего поднимается в воздух ~20 % общего количества радиоактивных продуктов, остальные 80 % остаются в районе взрыва.

0,5 мин.

11.200 м

0,01 МПа

Огненное тороидальное облако приобретает куполообразную форму.  Растёт грибообразное облако, отличающееся от облака воздушного взрыва сильной загрязнённостью, большей плотностью, меньшими температурой и яркостью свечения. Облако поднимает около 280 тыс. тонн пыли, из них 120 тыс. т первоначальный выброс пыли и испарений из воронки и 160 тыс. т конвективная составляющая: оплавление выброшенных более крупных кусков в полёте и поверхности земли в развивавшейся огненной полусфере, унос расплава и испарение.

1 мин.

20 км

0,005 МПа

0,65 м

Облако поднимается до 7-8 км, по мере его охлаждения радиоактивные вещества в нём осаждаются на захваченных частичках грунта; центр тора на высоте 5 км. Пылевой вал достигает высоты до 500 м при ширине ~1,5 км, центр его сместился на расстояние ок. 4 км от эпицентра, а потоки ветров, несущих пыль к ножке гриба, вынуждены этот вал перепрыгивать.

1,5 мин.

31 км^]

0,001 МПа

0,6 м

«Гриб» вырос до 10 км.

2 мин.

«Гриб» вырос до 14 км, центр кольцеобразного вихря на высоте ~10 км.

3,1 мин.

Гриб вырос до 16,5-18 км, центр тора 12,5 км. Сверху облака появилась «шапка» из холодного тяжёлого воздуха, занесённого облаком из тропосферы и охладившегося во время подъёма.

4 мин.

85 км

0,5 м

Яркая вспышка-полусфера на таком расстоянии почти вся за горизонтом, полностью видна становится уже на стадии купола и облака. «Гриб» свыше 16 км. Верхняя часть облака просаживается под тяжестью «шапки» холодного воздуха, более нагретый кольцеобразный вихрь достигает высоты 13 км.

5 мин.

Центр облака прогибается вниз, верхняя кромка вихревого кольца достигает 17 км и облако приобретает форму гриба-свинушки. После этого развитие грибообразного объёма происходит не столько подъёмом нагретого вихря, сколько поведением атмосферы, выведенной из равновесия.

8 мин.

165 км

0,35 м

Вспышка далеко за горизонтом, видно зарево и облако. «Гриб» вырос до максимальных размеров, из облака в течение 10-20 часов выпадают осадки с относительно крупными частицами, формируя ближний радиоактивный след, эффект называется раннее или местное выпадение осадков, доля их радиоактивности 50-70 % от суммарной радиоактивности осадков при наземном и 30 % при надводном взрыве.

~20 мин.

В облаке прекращается тороидальное вращение.

1-2 ч

55-61 км

ветер 25-100км/ч

0,55 м

Дальняя граница распространения зоны чрезвычайно опасного заражения (зона Г) шириной ок. 10 км по оси движения облака при ветре в статосфере ~25-100 км/ч. Уровень радиации на внешней границе на 1 ч после взрыва составляет 8Гр/ч; доза излучений на внешней границе за время полного распада 40 Гр, в середине зоны 70Гр - 100Гр.

1,5-4 ч

89-122 км

ветер 25-100км/ч

0,4 м

Дальняя граница зоны опасного заражения (зона В) шириной 13-16 км. Уровень радиации на внешней границе зоны 2,4 Гр/ч; суммарная доза излучения 12-40 Гр.

2,5-5,5 ч

135-207 км

ветер 25-100км/ч

0,25 м

Дальняя граница зоны сильного заражения (зона Б) шириной 26-36 км. Уровень радиации на внешней границе зоны 0,8 Гр/ч; суммарная доза излучения 4-12 Гр.

5,5-13 ч

309-516 км

ветер 25-100км/ч

Дальняя граница зоны умеренного заражения (зона А) шириной 25-100 км. Уровень радиации на внешней границе зоны 0,08 Гр/ч; суммарная доза излучения 0,4-4 Гр.

2 суток

При коэффициенте диффузии 10⁸см²/с горизонтальные размеры размытого облака больше 300 км.

7 дней

Размеры облака 1,5-2 тыс. км.

10-15 дней

При взрыве на широте 40° облако может совершить кругосветное путешествие и вторично пройти над местом взрыва.

~5 месяцев

Эффективное время (от 3 мес. для взрыва в декабре до 8 мес. в апреле) половинного оседания радиоактивных веществ для полярной стратосферы и высот до 21 км - позднее выпадение осадков или дальний радиоактивный след, мелкодисперсные частицы выпадают на расстояниях сотни - тысячи и более км от эпицентра в основном в средних широтах. Их доля 30-50 % суммарной радиоактивности осадков наземного и 70 % надводного взрыва.

~10 месяцев

Эффективное время половинного оседания радиоактивных веществ для нижних слоёв тропической стратосферы (до 21 км), выпадение также идёт в основном в средних широтах в том же полушарии, где произведён взрыв.

~5 лет

Время очистки стратосферы от продуктов взрыва, время перехода радиоактивного изотопауглерода С¹⁴ в виде СО₂ из тропосферы в океан.

~30 лет

Время перехода С¹⁴ из тропосферы в биосферу.

~1000 лет

Время осаждения С¹⁴ с поверхности океана на дно.