Внимание!
понедельник, 12 ноября 2012
Знания в массы!
Итак, рассмотрим, как взрывается термоядерная бомба.
Сразу говорю, массу мелких электронных, механических и химических тонкостей, предшествующих непосредственно ядерному взрыву первой ступени (типа работы делительной сети, механизма бустирования и имплозии ядра первой ступени и его поджига, всяческим толкателям, быстрым и медленным ВВ, фазовым переходам плутониевого ядра первой ступени, и.т.д., и.т.п.) - в данном рассмотрении опускаем и начинаем интересоваться процессом с того момента, когда ИНИ заплюнул в это самое уже забустированное ядро, находящееся в фазе полуобжатия свой триллион нейтронов.
читать дальшеЧто там начинает происходить? Ессно, реакция деления, на элементарный акт выделяющая что-то в районе 202 МЭв, из которых примерно 170 - уходит в энергию осколков, и примерно по 5 МЭв уносится гамма-излучением и двумя или тремя нейтрончиками. Остаток приходится на нейтрино (примерно 11 МЭв), сброс возбуждения осколков (гамма, в районе 6 МЭв, через мелкие микросеунды после самого акта) и наиболее быстрые бета-распады осколков (ещё 7 МЭв). От нейтрино и осколков нам толку достаточно мало, ибо нейтрино улетают нафиг (и при этом те из них, которые пролетают сквозь весь земной шар - имеют вероятность поглотиться им что-то в районе 0,01% (сечение поглощения для такой энергии - единицы пикобарн, т.е. минимум на двенадцать порядков меньше, чем, например, сечение деления для того же плутония)), и поэтому никаких видимых эффектов не производят, а осколки - летят крайне медленно (от силы - пару-тройку сантиметров в микросекунду).
Гамму мы рассмотрим чуть позже, а вот поведение нейтронов на разных фазах взрыва - прям чичаз. Для нейтронов таких энергий вероятность быть съеденными ядром плутония (и, соответственно, вызвать его деление) на сантиметр пути - примерно пропорциональна квадрату плотности вещества. И пока произведение этой вероятности на средний пробег нейтронов в плутонии больше единицы (т.е. наружу убегает сравнительно мало нейтронов, в основном они идут на деление) - то реакция разгоняется, как только стало меньше - затухает (и нейтроны в большинстве своём благополучно вылетают наружу).
Итого, что мы имеем "по итогам" подрыва первой ступени?
1) Поток нейтронов с энергией в среднем 2 МЭВа на рыло, уносящий примерно 2-3% энергии и 0,5-0,7% массы той части заряда, что поучаствовала в процессе реакции деления. Причём - поток этот неравномерен по времени, и основной его пик - приходится на момент погасания реакции.
2) Поток достаточно жёсткой гаммы, неким не интересующим нас образом распределённый по времени (в смысле, интересует нас только тот факт, что он становится значимым уже с самых первых наносекунд работы первой ступени).
3) Сравнительно компактное и о-очень м-ме-едленно расползающееся облако осколков, которое пытается "нести свет и тепло" (ц) всей окружающей среде, до которой может дотянуться.
А теперь - "переходим к водородным процедурам" (почти (ц)... ).
Итак, первая ступень взорвалась, её останки м-м-ме-е-едленно расползаются (и уже проползли целых ...надцать миллиметров), но вылетевшая из неё гамма уже долетела до спокойно лежавшей рядом второй ступени и начала в ней поглощаться. А поглощается веществом гамма таких энергий "при прочих равных" пропорционально Z2, то есть квадрату заряда ядра (почему так, в каком диапазоне энергий это справедливо и какие от этого закона бывают отклонения "вверху" и "внизу" - эт всё "по запросу", ибо тема отдельная и оч объёмистая, либо - самостоятельно читать Мухина и Широкова-Юдина), или говоря школьным языком - номеру элемента в периодической таблице. Так вот, у дейтерия/трития - этот номер равен единице, у гелия - двум, у лития-6 - аж целым трём. А у урана, из которого сделана и оболочка второй ступени и дополнительные имплозеры - немножко так девяноста двум. То бишь, при даже равной плотности (а и у дейтерида лития и у криогенной дейтерий-тритиевой смеси - и она эдак на порядок меньше) поглощение в урановой оболочке будет эдак раз в ...сот больше, чем в самом теле заряда. То есть, эффект будет тот же, как если сунуть в микроволновку тарелку с рисунком из проводящей краски: тарелка - холодная, а краска - горит, с искрами, вонью и колотым от термических напряжений фарфором... То бишь, дейтерид лития (дальше для определённости теллерову "сосиску" не трогаем и рассматриваем исключительно "сухой" заряд) - холодный, а уран - сожрал энергию, на пару-тройку порядков превышающую внутреннюю энергию химической взрывчатки и...
Поскольку закон сохранения не дремлет, единственное, что ему после этого остаётся - испариться, ионизироваться и стать плазмой. Причём, поскольку происходит это в чрезвычайно короткие промежутки времени - разлететься он не успевает, а так и существует в виде сильно перегретой и обжатой плазмы, точь в точь как останки какой-нить химической взрывчатки в момент сразу же после прохождения по ней фронта детонационной волны. Ну а дальше - соответственно начинает вести себя точно так же, как и оная взрывчатка, разве что с поправкой на существенно больший энергозапас. А именно - расширяться, и, поскольку он находится вокруг дейтерида лития - обжимать его. И именно этот процесс и называется радиационной имплозией (взрывным обжатием, если по русски и не одним словом).
И в этот момент - до заряда долетает струя нейтронов от первой ступени (вспоминаем, что они во первых, в отличии от гамма-квантов, летать со скоростью света не умеют (ибо имеют ненулевую массу покоя) а во вторых - пик их выделения приходится на чутка позже), и начинает колоть литий-6 (из соединения которого с дейтерием вторая ступень в основном и состоит) на альфа-частицу и ядро трития и передавать им свою энергию. Поскольку той энергии явно больше, чем 100 КЭв - то начинается термоядерная реакция, в которой из дейтерия и трития получается опять-таки альфа-частица, нейтрон и 17 МЭв с мелочью энергии. Нейтрон, ессно тут же приступает к полностью аналогичной работе, а альфа-частицы - начинают "нести свет и тепло" (пока - в основом в окружающий дейтерид лития, нагревая его до тех примерно 1,1 МЭв, когда становится возможной реакция D+D, в результате которой порождается гелий-3 и опять-таки нейтрон, а также прямое слияние лития-6 с дейтерием, в результате которого порождаются две альфа-частицы и 22 МЭв энергии).
"В нулевом приближении" на этом работа второй ступени и заканчивается (хотя теоретически существует масса весьма интересных "рюшечек и бантиков", типа возможности подмешать в смесюгу чутка бериллия (дабы поиметь за счёт реакции срыва дополнительные нейтроны) или неполного удаления лития-7 (который колется высокоэнергетичными нейронами на тритий и гелий-4, а нейтрон теряет 2,4 МЭв и летит колоть следующее ядро...), возможности инициировать в имплозирующем урановом слое "реакцию Джекила-Хайда" (деление урана-238 нейтронами с энергиями свыше 1,1 МЭв), и.т.д., и.т.п...), то бишь, рано или поздно некая ненулевая часть заряда превращается в гелий, выжившие в этой каше нейтроны - разлетаются в разные стороны, а облако останков - начинает "нести свет и тепло" (при этом - в основном - за счёт кинетической энергии нейтронов, протонов и альфа-частиц).
Энергия, выделяющаяся в единичном акте D+D составляет что-то в районе 4 с мелочью МЭв на акт, а в сильно более легко загорающейся D+T - чутка более 17 МЭв, причём и в том и в другом случае можно считать, что процентов 80 энергии - уносится нейтроном, а масса нейтронов на выходе - составляет процентов 20 от массы прореагировавшей реакционной смеси (ну, минус те нейтроны, что съелись на промежуточных этапах... один чёрт - как минимум на порядок больше, чем "делительные" 0,5% массы и 3% энергии .., Подмигивающий ). Ну и соответственно, средняя энергия вылетающего нейтрона - уже не 2 МЭв как при делении, а в районе 14 с мелочью при реакции D+T и 2,5 МЭв при D+D.
Итого, по итогам подрыва второй ступени мы имеем:
1) Мощный поток нейтронов с энергией 14 МЭв, причём - в количествах сильно бОльших, чем генерит первая ступень.
2) Сильно меньшую (по крайней мере, на единицу веса), чем от первой ступени гамму (возникающую в результате вступления в реакцию урановых деталей второй ступени, а также - в результате торможения альфа-частиц друг об друга и прочих диссипативных процессов (правда, эта гамма - сильно ближе к рентгену).
3) Всё то же облако осколков, стремящееся "принести свет и тепло" (правда, с сильно меньшим средним атомным весом и, соответственно, количеством пачкающих изотопов).
Ну ладно, наши законные десятки-сотни наносекунд, отведённые на собственно взрыв наукой физикой - прошли, всё, что успело - поделилось/синтезировалось, что потяжелее и позаряженнее - осталось в центре и пытается светиться, а лёгкое и незаряженное (нейтроны и гамма) - начало разбегаться по ближайшей округе. То бишь, "третий акт балетной сказки, наступил момент развязки" (ц), и мы переходим к самому интересному, а именно - к формированию того самого огненного шара, активации всего, до чего можем дотянуться, а также к механизмам возникновения прочих вторичных поражающих факторов ядерного взрыва (начиная от ударной и световой волн и кончая ЭМИ).
И тут наступает широчайший простор для всяческих тактических извращений, целью которых является перераспределение выделившейся энергии между различными каналами воздействия на цель (теми самыми "поражающими факторами"). Если на первых двух стадиях мы чисто конструкторскими мерами могли разве что слегка уменьшить/увеличить удельный выход нейтронов и количество радиоактивных изотопов, которое оставалось в результате взрыва (например, надеть на всё это дело какой-нить отражатель нейтронов (чтобы задержать бегство нейтронов и, соответственно, уменьшить не только критмассу, но и вторичную активацию) или наоборот, относительно легко активируемую кобальтовую рубашку (чтобы засрать окружающую среду до полной непригодности к жизни)), то грамотным тактическим применением одного и того же заряда мы можем достичь куда более впечатляющих вариаций.
Так что начинаем задаваться вопросом, за что ответственна гамма и что мы с неё можем поиметь кроме "света и тепла", а чего от неё добиваться - и пробовать не стоит?
Ну, прежде всего, что-нить вторично активировать при помощи гаммы - дело достаточно тухлое, потому как всяческие фотоядерные реакции, которые происходят при попадании гамма-кванта в ядро - во первых имеют достаточно малое сечение, а во вторых - существенно резонансный характер (то бишь - оч узкую полосу пригодных для этого энергий: ядро слишком "разборчиво", и если не может съесть гамма-квант целиком - не ест его вообще. Безусловно, рекорд узости линий, поставленный эффектом Мёссбауэра в железе-57 (относительная ширина линии - 10-15) при этом не достигается, но даже если срезать с него порядков эдак шесть - всё равно, "годных" гамма-квантов для каждой реакции будет какие-то миллионные-миллиардные процента).
Так что основной метод сброса энергии для гамма-квантов - это комптон-эффект для более-менее высоких энергий и фотоионизация для энергий более низких (когда через комптон будет растрачена подавляющая доля энергиии, и мы попадём из гаммы куда-нить в рентген). И в том и в другом случае "на выходе" мы получаем некоторое количество ионов и струю электронов, летящих примерно в том же направлении, куда летел первоначальный гамма-квант (по крайней мере, в самые первые моменты после его пролёта). Если поток гамма-квантов более-менее плотный - то достаточно большое число атомов, встретившихся на пути этого потока ионизируются. А как мы называем такое состояние вещества, где существенная часть атомов ионизирована? Правильно, в физике - "плазма", а в быту - "огонь" (он, хоть и оч низкотемпературная - но всё-таки плазма). Подмигивающий
То бишь, если плотность поглощающего гамму вещества будет достаточно высокой, и если отвлечься от всяческих плазменных штучек - имеем тот самый "огненный шар". И, в отличии от общераспространённого мнения, первоначально формируется он не только и не столько за счёт энергии первоначальных осколков (надеюсь, Вы не считаете, что масса ошмётков от силы в тонну весом, оставшаяся на месте сработавшей БЧ за какие-то максмум десятки миллисекунд разлетится на километр и равномерно перемешается с миллионами тонн воздуха (один кубический километр воздуха - это 1,3 млн.т. при н.у., а шарик радиусом в этот один километр - соответственно 5 с мелочью миллионов тонн), прогревая его до свечения? Подмигивающий ), а первоначально и в основном - именно за счёт гаммы/рентгена взрыва. И первоначальный радиус его определяется не скоростью разбегания и остывания первоначальных ошмётков, а равен тому расстоянию, на котором гамма ещё способна прогреть окружающий воздух до свечения, а температура поверхности шарика в этот момент практически равна температуре поверхности Солнца, то бишь - 5-6 килокельвинам (это называется "радиационный этап расширения"). Дальше ошмётки бомбы всё-таки начинают разлетаться и перемешиваться с плазмой, образовавшейся под действием гаммы, сама эта плазма - тоже стремится расшириться, и в результате всё это дело начинает а) раздуваться и б) остывать, ионизация - спадать (и, соответственно - повышаться прозрачность огненного шара для ЭМ излучения. Рано или поздно - наступает момент, когда излучение "отклеивается" от вещества, т.е. кванты света/УФ/рентгена, испущенные внутренностями шарика могут не поглотившись/переизлучившись вылететь наружу. Температура поверхности шарика при этом составляет примерно три килокельвина (снижается вдвое за счёт адиабатического расширения и сброса энергии на образование ударной волны), и называется это "ударная фаза расширения". За неё шарик успевает разрастись ещё примерно вдвое. Радиационная фаза длится от пятидесяти микросекунд до десятков миллисекунд (в зависимости от мощности БЧ меняется диаметр шара, и ошмёткам требуется разное время, чтобы добраться до его поверхности), ударная - единицы секунд (в случае мегатонного заряда - примерно секунд 7-10), причём максимальный радиус шара достигается задолго до её окончания (в случае той же мегатонны - секунды через полторы), и если прикидывать его с точностью плюс-минус вдвое (т.е. опустить "инженерные тонкости" и ориентироваться только на мощность заряда), то составляет он примерно один километр на корень кубический из эквивалента в мегатоннах, т.е. для мегатонны- где-то в районе километра, для "Царь-бомбы" - 3,5 км. (почему её, собсно на четырёх камэ и рвали... Подмигивающий )) (диаметр, соответственно - вдвое, т.е. для мегатонны - порядка двух камэ, для "Ивана" - порядка семи... Подмигивающий ). В процессе прохождения ударной фазы шарик излучает примерно 80% накопленной в нём энергии, а остальные 20% - излучаются уже в процессе его схлопывания и образования "гриба" (занимает это от одной до нескольких минут), и по сравнению с предыдущими фазами - вполне безопасны...
Кстати, именно поэтому световой импульс атмосферного подрыва имеет так любимый всяческими спутниками "двузубый" характер: первый оч острый и резкий пичок (причём - уходящий едва ли не в рентген) даёт нам радиационная фаза, а второй, сильно более пологий и длительный пик (но зато - и более яркий, так как излучающая площадь больше порядков на несколько... Подмигивающий ) - даёт нам фаза ударная (причём, в отличии от первого - в нём большинство энергии излучается в видимом и ИК спектре ( >99% от общего энерговыделения ), и за пожары на окружающей территории ответственнен именно он).
Ну и, соответственно где резкий нагрев - там и ударная волна. А поскольку конфигурация взрыва - оч похожа на на таковую же в случае ОДАБ (большой объём газов, одновременно прогреваемый и синхронно охлаждающийся) - то имеем и похожую ударную волну: слабо затухающую с расстоянием (ввиду больших линейных размеров источника), и имеющую значительную минус-компоненту (зону разрежения сразу за фронтом волны). И радиус поражения такой волной "при прочих равных" - меняется точно так же, как диаметр огненного шара: пропорционально корню кубическому из эквивалента подорванного ЯЗ.
***
А что мы можем сделать с плотностью окружающей среды? Ну, например, - уменьшить её как можно сильнее. Как? Да не вопрос: например, переехать с СИП на РИП (КапЯр то бишь) и выпулить наше изделие туда, куда воздух забыли завезти (т.е. минимум - в верхние слои мезосферы, а максимум - куда-нить в термосферу). Что поимеем в результате?
Ну, во первых, практически полное отсутствие ударной и световой волн. Потому как гамма, как и прочий свет, при удалении от источника слабеет обратно пропорционально квадрату расстояния, и к тому моменту, когда она таки доберётся до более-менее плотного воздуха - прогреть его до свечения ей банально не хватит сил. Что мы с этого имеем ещё? Во первых и очевидных - сильно более хреновую обнаружимость такого взрыва соответствующими спутниками (оч кратковременный пичок, причём бОльшая его часть лежит выше видимого спектра, где-то начиная от жёсткого УФ и до жёсткого рентгена/мягкой вторичной гаммы), а во вторых и в не очень очевидных - те самые "плазменные штучки", от которых мы временно абстрагировались, а именно - что при плотности воздуха ниже некоторой критической - вышибленные из атомов электроны вместо того, чтобы рекомбинировать обратно и высветить энергию в видимом свете - улетают в том направлении, куда первоначально двигались гамма-кванты. А как называется орава электронов, летящих примерно в одном направлении? Правильно, импульс электрического тока...
А чему там нас Максвелл учит со своими уравнениями? А тому, что такой импульс - порождает вокруг себя соответствующую электромагнитную волну, которая улетает от точки возникновения и наводит во всех встречающихся на пути проводниках ЭДС индукции. От чего эти проводники (если волна достаточно мощная) имеют свойство плавиться, диэлектрики, их окружающие - пробиваться, а приборы, их содержащие - разнообразными способами портиться
То бишь - имеем не что иное, как ЭМИ (электромагнитный импульс). При серьёзных плотностях окружающего газа электроны далеко не улетают, и поэтому он практически не заметен, но у нас их ничего не держит, и разворачивается он во всей своей неприглядности, и хреначит все незащищённые электроприборы в радиусе километров трёхсот-пятисот как минимум (против пары десятков, которые нам даст мегатонный взрыв в тропосфере).
Так... А если плотность наоборот увеличить (например, быро-быро закопать наш заряд в грунт, хотя бы методом втыкания с хорошего разбега лбом в бетонную плиту, как в бетонобойных бонбах принято)? Ну, наверное, будет примерно то же, что и с урановыми элементами второй ступени (то есть, любые материальные тела, находящиеся рядом с боеголовкой - поведут себя как только что подорванная химическая взрывчатка). И хоть у них "зет квадрат" будет и поменьше, но рванут они всё равно достаточно эффективно, а именно - на глубине камуфлетного взрыва примерно треть общей энергии пойдёт на выкидывание прикрывающего заряд грунта куда-нить подальше, треть - на образование сейсмоволны (причём самой для всяческих подземных и наземных сооружений подлючей: с неслабым горизонтальным сдвигом, который бункера плющит, а фундаменты - срезает), а остальная треть - на плавление грунта. При этом на загрязнение окружающей среды пойдёт всего 5-6%, в основном унесённых нейтронами (да и то - практически все эти загрязнения вплавятся в остеклованный грунт и самовольно бегать по округе не будут).
Итого, что мы имеем с гуся гаммы?
- При низкой плотности среды (космос/мезосфера) - плазменные эффекты, в итоге кончающиеся ЭМИ, кончающим всю электронику, до которой ему удаётся добраться.
- При воздушном взрыве - огненный шар переменных размеров, которые примерно пропорциональны корню кубическому из эквивалента, пожары и ударную волну.
- При подземном взрыве - сейсмоволну, выброс относительно чистого грунта, лужу радиоактивной лавы на дне кратера.
- При наземном взрыве - нечто non pro vagina, non pro exercitus rubellum, то бишь и сейсмоволну испортили (основная компонента в той части, что у поверхности идёт - стала вертикальной, значительно менее опасной), и территорию толком не прожарили (слишком низко, угол падения света - как в полярный день, то бишь, "светит, но не греет"), и ударная волна в приземном слое - сильно хуже каКчеством (потому как тот же угол падения и минус половина энергии вдобавок). Да и засрали всё вокруг по максимуму (см. дальше, там где про нейтроны).
А теперь вспоминаем, что уже через наносекунды после начала взрыва "среди зимы пришла весна, // и от нейтронов не до сна" ((ц).., Подмигивающий ), и начинаем разбираться с ними по полной.
Итак, как нейтроны делят по скорости?
- Всё, что до десяти миллиэлектронвольт - называется "холодными", получается крайне трудно, а вот всяческие премии (начиная от Государственной) за их исследование - получаются наоборот легко. Иногда из них выделяется некий диапазон ультрахолодных. Нам встреча с ними не грозит, помянуты они - для общей ерундиции, и на сей пункт вполне можно поставить гриф "сразу же после прочтения - забыть (за практической неприменимостью)".
- От десяти миллиэлектронвольт до одного электронвольта. Тепловые. Играют основную роль во всяческих процессах активации, деления, и.т.д., и.т.п. Сюда рано или поздно вытормаживаются все нейтроны, не успевшие захватиться по дороге. Нейтрон с энергией в 10 миллиЭв - находится в тепловом равновесии с, например, жидким кислородом, 25 миллиЭв - комнатная температура (при этом его скорость - где-то 2200 м/с), 0,1 Эв - "красное каление" (тыща по Цельсию), расплавленная медь, 1 Эв - чуть горячее поверхности Солнца, чуть холоднее поверхности Сириуса (или внутренности нашего огненного шарика). В общем, температуры далеко не запредельные. Подвид нейтронов для наших дальнейших штудий чрезвычайно важный, запоминаем на будущее.
- от одного Эв до одного КЭв. Резонансные. Основное "кладбище" процесса замедления (если что и съестся - так скорее всего - именно здесь, но естся оно тут в основном на тяжёлых элементах (тяжелее железа), которых вокруг бонбы обычно немного). Достаточно малоинтересны, но забывать не стоит.
- от КЭва до ГЭва. Быстрые. Второй по интересности диапазон, именно в него попадают нейтроны испущенные при всяческих ядерных реакциях. Иногда в нём выделяют поддиапазон промежуточных (от одного КЭва до сотни), но нас эти тонкости в данный момент не интересуют.
- Выше ГЭва. Релятивистские. Бывают только ...хм-м... импортные, на Земле таких не делают, почему они нас и не интересуют. Идут туда же, куда и холодные.
Как себя ведут нейтроны в веществе?
- Если этого самого вещества очень мало, то теоретически у нейтрона есть шанс дожить до самопроизвольного распада (период полураспада - примерно 700 секунд). Если вещество чуть плотнее, чем воздух на околоземной орбите - такого шанса нет. То есть, со спокойной душой можно не рассматривать.
- Если нейтрон с чем-то взялся взаимодействовать - то это будет только ядро атома. Потому как в силу своей нейтральности он ни электронов, ни квантов ЭМ поля не видит (и поэтому его не интересует молекулярная/кристаллическая структура вещества и он не умеет отдавать энергию через электромагнитные процессы), и единственное, что ему доступно - либо упруго от ядра отражаться (слегка перераспределив с ним свою кинетическую энергию), либо им поглощаться (правда, в этом случае возможна масса вариантов: ядро излучит избыток энергии в виде гаммы (называется "радиационный захват") и успокоится, тут же развалится на части (как литий-6), или тут же сплюнет этот нейтрон, оставив себе "на память" малую толику энергии (и такое поглощение-сплёвывание вполне можно рассматривать как неупругое рассеяние), и.т.д., и.т.п).
Что с нейтронами происходит, когда они упруго отражаются?
Ессно, они обмениваются энергией с теми ядрами, о которые ударились, и поскольку энергия нейтрона как правило больше - то отдаёт её он. Если он так бьётся достаточно долго - то рано или поздно он приходит к состоянию теплового равновесия с окружающими его ядрами. Процесс этот называется замедлением (а если он идёт настолько долго, что нейтроны приходят в тепловое равновесие со средой - то термализацией этих нейтронов). И идёт он тем эффективнее, чем легче те ядра, о которые нейтрон стучится. Например, если ему на пути попадается ядро обычного водорода (протон), практически равной с ним массы - то при центральном попадании он передаёт ему всю свою энергию и становится тепловым всего за одно соударение (ну а прото, соответственно - начинает эту энергию сбрасывать, причём, поскольку он заряженный и потому "цепляясь" за другие заряды своим электрическим полем может излучать кванты ЭМ поля вплоть до достаточно жёсткой тормозной гаммы - у него это выходит сильно легче и быстрее).
Ну а если учесть нецентральные соударения, то в среднем за одно соударение энергия уменьшается вдвое, а для того, чтобы из изначальных 14 мегаэлектронвольт при замедлении на ядрах водорода сделать тепловых 25 миллиэлектронвольт (т.е. термализовать исходный пучок) - нужно в среднем всего 29 соударений. Ну а если вспомнить физику для шестого класса и долго и занудно обсчитывать соударение двух биллиардных шариков разной массы - то можно в конце концов прийти к формуле, описывающей среднюю потерю энергии при рассеянии на ядре с атомной массой А: E = E0(1-2A/(A+1)2), т.е. при замедлении на углероде (как в РБМКах) за одно соударение будет теряться где-то процентов четырнадцать энергии (и для термализации понадобится 131 соударение), при замедлении на азоте воздуха - процентов 12 и 151 соударение (можно учесть ещё и кислород (что число соударений увеличит) и водяной пар (что - уменьшит), но, в общем-то, это непринципиально).
Ну, и что интересного мы с этого можем поиметь?
А поиметь с этого мы можем так называемую длину замедления. Для этого достаточно решить так называемую "пьяную задачу" (она же - задача о случайных блужданиях). На практике применяется она исключительно для терроризирования студентов соответствующих специальностей, коим по чину положени изучить тервер/матстат (как правило в 5 семестре, для физиков - одновременно с общеядрёным ликбезом, для математиков - просто так, садизма ради), и классическая постановка её выглядит примерно так:
"На бесконечной ровной плоскости в центре координат стоит пивной ларёк, в котором каждого подходящего к нему алкоголика - мгновенно оделяют такой дозой волшебной жидкости, что он
а) каждый следующий шаг делает в абсолютно произвольном направлении (т.е. не зависящем от направления предыдущего шага)
б) шагает всегда на одно и то же расстояние L, и
в) до того, как рухнуть и уснуть - делает ровно N шагов, не больше и не меньше.
Ясно дело, что при таком подходе поле оказывается достаточно скоро усыпано телами, распределёнными неким нетривиальным образом. Из пальцевых соображений очевидно, что у ларька будет относительно пусто, на бесконечности - пусто совсем (даже если очередной алкан сделает свои N шагов исключительно целеустремлённо, то всё равно дальше, чем на N*L метров он всё равно не уйдёт), а основной "урожай" расположится на сиесту на некотором промежуточном расстоянии, причём - вне зависимости от полярного угла, т.е. по кольцу. Посему надо
Найти:
- среднее расстояние от ларька до кольца "безжизненных тел на нашем жизненном пути" (ц) (оно же - радиус этого кольца)
- внутрениий и внешний радиусы кольца, содержащего 50% тел (соответственно, 90%, 95%, 99%), или любым другим способом описать статистические свойства решения."
(на самом деле, они получаются достаточно хорошими, т.е. разброс - оказывается сильно меньше, чем студент ожидает из "пальцевых соображений").
Ну, поскольку решение это - дело а) муторное и б) не раз и не одним поколением студентов проделанное - мы углубляться в эту задчу не будем, а просто возьмём из этих самых "до нас украденных" решений длины термализации (замедления до теплового равновесия) нейтронов в некоторых средах.
Итого, имеем:
Термализация 14 МЭв в воздухе при н.у. (293 кельвина, 1013 гектопаскалей/760 мм. рт.ст. (уровень моря), относительная влажность 60%) - 220 метров
Термализация 2 МЭв в воздухе при н.у. - 120 метров
Термализация 2 МЭв в протиевой (лёгкой) воде - 31 см
Термализация 14 МЭв в протиевой воде - 92 см (тут прирост расстояния - неэкспоненциален из-за аномального спада сечения рассеяния на ворододе при энергиях > 100 КЭв)
А что нейтроны умеют делать, когда они уже замедлились?
Ну, кто не отразился - тот поглотился. В нулевом/сфероконном приближении (если не затрагивать свойства самого ядра и не крохоборствовать в области резонансов) сечение взаимодействия нейтрона с ядром обратно пропорционально его скорости (и, соответственно, в нерелятивистской области - корню квадратному из его энергии. Но мы уже постановили, что релятивистские нейтроны - это тот "импорт", который мы не рассматриваем). Посему, как только нейтрон замедлился "до тепла" - он начинает куда-то диффундировать, с некоторой вероятностью на очередном шаге поглощаясь (причём - в тепловой области эта вероятность сильно выше, чем при замедлении). Если мы решим "пьяную задачу" и для этого случая - то получим длину диффузии теплового нейтрона в данном веществе.
Опять-таки - всё до нас украдено решено, посему лезем в таблицы и
Имеем
Диффузия в протиевой воде - ~ 3 см
Диффузия в воздухе при н.у. - 27 м
После пристального вглядывания в данную цифирь и воспоминания описанного в предыдущем посте течения взрыва - имеем полное право заключить, что
а) Максимальное расстояние, которое нейтрон способен пробежать в той или иной среде от мощности взрыва практически (см. прим. ниже) не зависит (потому как энергия одна и та же, меняется только количество нейтронов), а зависит только от типа заряда (т.е. от энергии нейтронов: для одноступенчатой, чисто атомной бонбы это 2 МЭв, для теллеровой "сосиски" с реакцией D+D - это 2,5 МЭв, для "сухой" термоядерной бомбы с D+T - это 14 МЭв) и от состояния и состава окружающей среды.
Примечание. Если отойти от сфероконного нулевого приближения, то за счёт того, что при мощных взрывах первые же замедляющиеся нейтроны весьма сильно прогревают слой окружающей среды, непосредственно к данной бонбе прилегающий, а следующие порции нейтронов на этом слое замедляются из-за этого несколько менее эффективно - то длина пробега всё-таки с ростом мощности увеличивается, но - сильно медленнее, чем упомянутый/выведенный выше "лучевой" корень кубический из эквивалента.
Примечание 2. Если отойти от сфероконного приближения ещё дальше - придётся учитывать ещё и запаздывающий нейтроны. Но вторая ступень (синтез) их не даёт по определению, а плутоний первой ступени - даёт втрое меньше, чем уран (т.е. всего 0,21%). Поэтому и напакостить они могут минимум на три порядка (а для особо мощных зарядов, типа АН602 - и на все пять) меньше, чем мгновенные, хотя действительно, излучаются уже изрядно расползшимся облаком (в промежутке от четверти секунды до минуты после взрыва).
б) Для воздуха при н.у. максимальный пробег нейтронов от атомной бонбы составляет примерно 150 метров (120+27), от "сухой" водородной - 250 м. (220+27).
в) По вполне очевидным причинам (уменьшение плотности среды) пробег в воздухе увеличивается с понижением давления, т.е. если мы бомбим не находящуюся на уровне моря Хиросиму, а устраиваем взрыв в километре над верхушкой Эвереста (10 км), то максимальный пробег нейтронов увеличивается обратно пропорционально давлению, т.е. вдвое на каждые 5 км высоты, т.е. для всей заказанной высоты - вчетверо.
г) Наличие в воздухе свободной воды, особенно в виде всяческих гидрометеоров (облаков и прочего тумана, а также - дождей и града) - достаточно ощутимо снижает этот самый пробег (и до кучи - повышает эффективность преобразования излучения в ударную волну, по очевидным причинам).
Примечание 3. Армия - не лаборатория, и в условиях современных боевых действий сплошь и рядом встречаются такие ситуации, когда "путём изящных вычислений // решив систему уравнений // искать усилие дельта ку // чтоб изготовиться к прыжку" ((ц)... Подмигивающий ) - бывает банально некогда (например, в тех случаях, когда в какой-нить особо неудобной лощинке скопился абсолютно неуместный с Вашей т.з. батальон танков вероятного противника, а у Вас - только ...ну, допустим, "Мста" и пара специзделий в оранжевых пеналах, и ситуацию надо порешать за ближайшие 180 секунд, пока эти танки не взялись за то, что они замышляют). Для этих случаев существует самая грубая оценка, которая справедлива не менее, чем в 95% сочетаний заряда и условий окружающей среды (хотя минимум в 50% случаев запасы, заложенные в ней - вполне можно и поуменьшить). Звучит она так: основная активация грунта происходит а) в первые миллисекунды после взрыва, и б) не далее 500 метров от его центра (не эпицентра, а трёхмерного центра, т.е. того места, где была бомба). Если грунт в этот четырёхмерный объём не попал - три порядка активации отыграны.
д) Для обычной воды этот пробег не может превышать 1 (одного) метра ни при каких условиях.
Ладно, с нейтронами в первом приближении разобрались, осталось посмотреть, что там будет с веществом, которое их в итоге поглотит.
А вот тут мы вспоминаем школьную химию в том её моменте, который касается периодической системы, строения атома, всяческих орбиталей, оболочек и прочего рядом лежащего добра. А конкретнее - нас интересует понятие "оболочки". Если присмотреться к строению ядра попристальнее - то оно представляет собой отнюдь не кучку произвольным образом слепленных протонов-нейтронов, а устроено полностью аналогично атому с его оболочками (как там говаривал Гермес Трижды Величайший: "что вверху, то и внизу, как в малом - так и в большом", так ЕМНИП?). Правда из-за того, что за их образование отвечает не электромагнитное взаимодействие с его простым, понятным и со школы привычным ньютоновским потенциалом (f ~1/r2), а сильное (оно же ядерное), описываемое вполне мозголомным потенциалом Юкавы со всеми его экспонентами от радиуса, на этот же радиус делёнными - чиселки там получаются немножко другими (да ещё и разными для протонных и нейтронных оболочек - по причине наличия у первых заряда), но общую идею это не меняет, и факт того, что полностью заполненная оболочка - является крайне устойчивой (как у инертных газов, которые инертны (т.е. крайне неохотно вступают в химические реакции) именно по этой причине) - тоже. В физике ядра с полностью заполненной протонной или нейтронной оболочками - называются "магическими" (а, соответственно, с обеими (и протонной, и нейтронной) полностью заполненными - "дважды магическими"). Такие ядра крайне неохотно активируются и вообще - вступают в какие-л. реакции - полный аналог инертных газов. Из того, что нам может пригодиться при рассмотрении - к ним относятся гелий-4 (точнее - его ядро, альфа-частица, в которой заполнены первые оболочки из двух протонов и двух нейтронов), кислород-16 (полные вторые оболочки, по 8 частиц каждого типа), кальций-40 (по 20 нуклонов), и свинец-208 (82 протона и 126 нейтронов). При всех дальнейших расчётах активируемость этих ядер можно рассмтривать в самую последнюю очередь (потому как тот же кислород конечно активировать можно, но соовтествующие сечения в самых благоприянных условиях будут в районе единиц миллибарн, т.е. порядка на три меньше, чем у всякого азота и водорода). Для остальных же ядер способность к активации растёт примерно пропорционально номеру элемента, массе, и.т.д (плюс есть ещё некие быстропеременные осцилляции "реакционной способности" в связи с чётностью/нечётностью числа нуклонов разных типов - но это всё в те же учебники, что в первой части, либо "по запросу"), но для вящей уверенности такие вещи обычно смотрятся по таблице сечений разных реакций (а заодно - по ним же смотрим, как быстро и на что именно распадается получившийся изотоп и что он при этом излучает).
Итого:
Гелий (наработавшийся при взрыве), кислород-16 (присутствующий и в почве, и в воздухе и в воде), кальций-40 (пятый по массе элемент любой почвы, а конкретно сороковой - 97% из него) и свинец (из деталей бонбы) - не рассматриваем вообще по причине их дважды магичности.
Дальше - глядим по таблицам:
Водород: поглощает нейтроны заметно, но не слишком активно (0,27 барн), в результате - имеем вполне стабильный дейтерий (которого, кстати, в любой воде и так один атом на 5,5 тыс, так что его загрязнением и считать-то нельзя).
Дейтерий: поглощает нейтроны и преобразуется в бета-активный тритий. Но во первых он делает это крайне лениво (сечение поглощения по тепловым нейтронам - ЕМНИП 570 микробарн, т.е. 0,00057 барна), а во вторых - его в нормальных условиях достаточно мало. Поэтому тритиевую грязь, возникающую за счёт активации окружающей среды - имеет смысл учитывать разве что только при особо мощных зарядах, рвущихся в воде (во всех остальных случаях основным источником трития будут являться "огарки" второй ступени самого заряда).
Углерод: подвержен только реакции срыва и только 13-й, причём её порог - выше, чем максимум энергии нейтронов синтеза. То бишь, в наших условиях стабилен.
Азот: Поглощает нейтроны достаточно активно (1,75 барн), поглотив - тут же сплёвывает протон и превращается в углерод-14, который ничего, кроме гемора археологам доставить не может.
Кислород: шестнадцатый по очевидным причинам непокобелим, семнадцатый (которого в воздухе 0,04%) - ловит своим сечением в 0,4 барна нейтрон - и тут же альфа-распадается в тот же углерод-14.
Фтор с неоном: не учитываем (в самом опасном случае - единицы миллибарн и секунды полураспада для продуктов, т.е. перестают "светиться" раньше, чем успевают выпасть в осадок ("to make fallout", ежели наглоязычно говорить)).
Натрий: тут хуже. 0,54 барна и 15 часов распада. Но ввиду относительно короткого времени - колебёт мало (и использовать в качестве теплоносителя в тех же БНках - не слишком мешает).
Магний, алюминий, кремний: миллибарны и минуты. См. фтор и неон.
Хлор: 35-й с сечением поглощения 0,2 барна и распадом в серу с периодом в 87 дней - основной источник хлорного гемора, 37-й - микробарны и минуты.
Аргон: 36-го - мало в природной смеси, 40-й - пол-барна и два часа. Т.е. - существенен разве что в первые сутки.
Калий: опасен только 41-й, которого в природной смеси 7%. 1,3 барна и 12,5 часов.
Кальций: опасен только 44-й, которого в природной смеси 2%. 0,7 барна, 164 дня.
Скандий: теоретически - жоППа с двумя большими буквами. 22 барна и 85 дней. Одно счастье, что рассеянный и концентрацию выше среднемировой в 10 грамм на тонну - надо очень долго искать.
Титан, ванадий: во первых редки, во вторых - миллибарны и минуты.
Хром: опасен только хром-50 (4% в естественной смеси, 16 барн, 28 дней). Ergo, Урал - не бомбить!
Марганец: 13 барн, 2,5 часа. При применении специбоеприпасов в окрестностях Чиатури - соблюдать особую осторожность (ну или неделю сразу после - не соваться в зону поражения! ).
Железо: 54-е: (6% в естественной смеси): три барна, три года, основной источник наводок "по железу", 58-е (0,3%) 1 барн, 45 дней - мелкая неприятность уже спустя полгода.
Всё, что тяжелее - встречается в почве относительно редко, посему рассматривается "по желанию".
Итого, основное внимание надо обращать прежде всего на калий с кальцием и железо, во вторую очередь - натрий и редкости типа хрома с марганцем, всё остальное - ну очень особые случаи.
А теперь - переходим к тактике (точнее, к зависимости "грязи" от способа применения спецбоеприпаса).
Начнём с моря (посколько "специфически морской" вариант - ровно один). Засадив боеприпас должной мощности в ближайшую дельта-окрестность какой-нить АУГ - следим ровно за тем, чтобы в момент подрыва его окружало не меньше метра воды.
По части результатов: имеем мощнейшую подводную ударную волну, в результате которой наблюдаем ...хм-м... "однобортный пароход" ((ц) В. Катаев, "Кондуит и Швамбрания") в N экземплярах, выполняющий маневр срочного погружения, и одну или несколько ПЛ охранения, наоборот, выполняющих маневр аварийного всплытия. В качестве дополнительного бонуса при правильно выбранной конфигурации дна - имеем шикарнейшее цунами, которое вполне способно устроить "мокрую уборку" прибрежных пунктов базирования вероятного противника. По части грязи: практически не имеем углерода, повышенное относительно других методов применения количество трития (однако, в случае термоядерных зарядов - гарантированно меньшее того, что получим из "огарков" самой бонбы), и основную грязь в виде натрия (которого в морской воде аж почти полтора грамма на литр), активность которой, впрочем, за следующую за взрывом неделю - снижается без мелочи в четыре тыщи раз.
Едва ли не самый "чистый" изо всех возможных способов ...хм-м... локального применения ЯЗ, но распространение "грязи" - полностью неконтролируемо (она, в отличии от остальных методов применения - не оседает).
Следующий тип - высотный. Наводок от почвы - нет по определению, в атмосфере (когда до неё нейтроны таки долетят) - генерится углерод, половина грязи - улетает нахрен в дальний космос, то, что осталось - оседает месяцами/годами, и поэтому - равномерно по всему земному шару.
Воздушный подрыв. Таковым считаем всё, в чём грунт не попадает не в плазменный шарик, а именно в зону активации (например, подрыв АН602 на высоте километр - несомненно возушный, даром, что ...надцать квадратных километров подстилающих, попавших в огненный шар - будут выжжены плазмой до состояния меркурианского ландшафта, а вот подрыв пары-тройки килотонн, забабаханных снежинским ВНИИТФом (который им. ак. Забабахина) в конструктив 155-мм снаряда для той же "Мсты" на высоте 150-200 метров - безусловно наземный, даром, что огненного шара там практически вообще не будет). Основная грязь - от самой бомбы, практически всё, что наводится - интересно только археологам (углерод-14).
Наземный взрыв. "Наведённой" грязи достаточно, чтобы исказить даже закон спада активности следа (более подробно об этом - чутка попозже), причём, в отличии от, например, подземного - она не лежит, а разносится вместе с пылью. Самый похабный по этой части изо всех возможных вариантов.
Подземный. Теоретически - ещё грязнее, чем наземный, но практически - вся грязь вплавлена в остекловавшийся грунт и экранирована неостекловавшимся, а посему, если её руками не трогать - то опасности практически не представляет.
Ну и до кучи, ради общности - "грязная бомба", т.е Чернобыль или преднамеренно распылённые террористами ошмётки ТВЭЛов. Опасна не столько "грязностью" (на кило веса активность у этого добра будет всё-таки поменьше, чем у останков бомбы), сколько чрезвычайно медленным спадом активности (потому как наиболее активные изотопы распадаются задолго до того, как террористы до этого добра доберутся).
Ладно, отбомбились... А как себя ведут осадки, выпавшие при различных способах применения ЯЗ?
А это - определяется полуэмпирическим законом Вэя-Вигнера: A ~ t-n, показатель степени в котором - зависит от типа загрязнения. Для наземного взрыва - он равен 1,2, ввиду того, что все изотопы, образовавшиеся в почве за счёт активации нейтронным потоком - достаточно короткоживущие, то бишь, распадаются сравнительно быстро, и, соответственно, перестают вносить свой вклад в общую активность. Для взрыва воздушного - имеем строгую единичку без каких-л десятых, при которой закон вырождается в общеизвестное "правило семёрок": через неделю (семь дней) активность падает в десять раз, через сорок девять дней (семью семь) - в сто, через без мелочи год (7*7*7=343 дня) - в тыщу... Для "грязной бомбы" - ситуация полностью обратная: короткоживущие изотопы в ней либо уже распались (если уж её из реактора достать удалось, не окачурившиь при этом), либо были выжжены нейтронным потоком в момент образования (как выгорает тот же ксенон). Поэтому для такого следа коэффициент в вышеозначенной формУле - всего 0,4 - 0,5 (в зависимости от типа реактора, из которых ВВЭР - один из наиболее грязных (за счёт плутония/америция-241)), то бишь заражение местности от Чернобыля - падает сильно медленнее, чем от бонбы.
Сразу говорю, массу мелких электронных, механических и химических тонкостей, предшествующих непосредственно ядерному взрыву первой ступени (типа работы делительной сети, механизма бустирования и имплозии ядра первой ступени и его поджига, всяческим толкателям, быстрым и медленным ВВ, фазовым переходам плутониевого ядра первой ступени, и.т.д., и.т.п.) - в данном рассмотрении опускаем и начинаем интересоваться процессом с того момента, когда ИНИ заплюнул в это самое уже забустированное ядро, находящееся в фазе полуобжатия свой триллион нейтронов.
читать дальшеЧто там начинает происходить? Ессно, реакция деления, на элементарный акт выделяющая что-то в районе 202 МЭв, из которых примерно 170 - уходит в энергию осколков, и примерно по 5 МЭв уносится гамма-излучением и двумя или тремя нейтрончиками. Остаток приходится на нейтрино (примерно 11 МЭв), сброс возбуждения осколков (гамма, в районе 6 МЭв, через мелкие микросеунды после самого акта) и наиболее быстрые бета-распады осколков (ещё 7 МЭв). От нейтрино и осколков нам толку достаточно мало, ибо нейтрино улетают нафиг (и при этом те из них, которые пролетают сквозь весь земной шар - имеют вероятность поглотиться им что-то в районе 0,01% (сечение поглощения для такой энергии - единицы пикобарн, т.е. минимум на двенадцать порядков меньше, чем, например, сечение деления для того же плутония)), и поэтому никаких видимых эффектов не производят, а осколки - летят крайне медленно (от силы - пару-тройку сантиметров в микросекунду).
Гамму мы рассмотрим чуть позже, а вот поведение нейтронов на разных фазах взрыва - прям чичаз. Для нейтронов таких энергий вероятность быть съеденными ядром плутония (и, соответственно, вызвать его деление) на сантиметр пути - примерно пропорциональна квадрату плотности вещества. И пока произведение этой вероятности на средний пробег нейтронов в плутонии больше единицы (т.е. наружу убегает сравнительно мало нейтронов, в основном они идут на деление) - то реакция разгоняется, как только стало меньше - затухает (и нейтроны в большинстве своём благополучно вылетают наружу).
Итого, что мы имеем "по итогам" подрыва первой ступени?
1) Поток нейтронов с энергией в среднем 2 МЭВа на рыло, уносящий примерно 2-3% энергии и 0,5-0,7% массы той части заряда, что поучаствовала в процессе реакции деления. Причём - поток этот неравномерен по времени, и основной его пик - приходится на момент погасания реакции.
2) Поток достаточно жёсткой гаммы, неким не интересующим нас образом распределённый по времени (в смысле, интересует нас только тот факт, что он становится значимым уже с самых первых наносекунд работы первой ступени).
3) Сравнительно компактное и о-очень м-ме-едленно расползающееся облако осколков, которое пытается "нести свет и тепло" (ц) всей окружающей среде, до которой может дотянуться.
А теперь - "переходим к водородным процедурам" (почти (ц)... ).
Итак, первая ступень взорвалась, её останки м-м-ме-е-едленно расползаются (и уже проползли целых ...надцать миллиметров), но вылетевшая из неё гамма уже долетела до спокойно лежавшей рядом второй ступени и начала в ней поглощаться. А поглощается веществом гамма таких энергий "при прочих равных" пропорционально Z2, то есть квадрату заряда ядра (почему так, в каком диапазоне энергий это справедливо и какие от этого закона бывают отклонения "вверху" и "внизу" - эт всё "по запросу", ибо тема отдельная и оч объёмистая, либо - самостоятельно читать Мухина и Широкова-Юдина), или говоря школьным языком - номеру элемента в периодической таблице. Так вот, у дейтерия/трития - этот номер равен единице, у гелия - двум, у лития-6 - аж целым трём. А у урана, из которого сделана и оболочка второй ступени и дополнительные имплозеры - немножко так девяноста двум. То бишь, при даже равной плотности (а и у дейтерида лития и у криогенной дейтерий-тритиевой смеси - и она эдак на порядок меньше) поглощение в урановой оболочке будет эдак раз в ...сот больше, чем в самом теле заряда. То есть, эффект будет тот же, как если сунуть в микроволновку тарелку с рисунком из проводящей краски: тарелка - холодная, а краска - горит, с искрами, вонью и колотым от термических напряжений фарфором... То бишь, дейтерид лития (дальше для определённости теллерову "сосиску" не трогаем и рассматриваем исключительно "сухой" заряд) - холодный, а уран - сожрал энергию, на пару-тройку порядков превышающую внутреннюю энергию химической взрывчатки и...
Поскольку закон сохранения не дремлет, единственное, что ему после этого остаётся - испариться, ионизироваться и стать плазмой. Причём, поскольку происходит это в чрезвычайно короткие промежутки времени - разлететься он не успевает, а так и существует в виде сильно перегретой и обжатой плазмы, точь в точь как останки какой-нить химической взрывчатки в момент сразу же после прохождения по ней фронта детонационной волны. Ну а дальше - соответственно начинает вести себя точно так же, как и оная взрывчатка, разве что с поправкой на существенно больший энергозапас. А именно - расширяться, и, поскольку он находится вокруг дейтерида лития - обжимать его. И именно этот процесс и называется радиационной имплозией (взрывным обжатием, если по русски и не одним словом).
И в этот момент - до заряда долетает струя нейтронов от первой ступени (вспоминаем, что они во первых, в отличии от гамма-квантов, летать со скоростью света не умеют (ибо имеют ненулевую массу покоя) а во вторых - пик их выделения приходится на чутка позже), и начинает колоть литий-6 (из соединения которого с дейтерием вторая ступень в основном и состоит) на альфа-частицу и ядро трития и передавать им свою энергию. Поскольку той энергии явно больше, чем 100 КЭв - то начинается термоядерная реакция, в которой из дейтерия и трития получается опять-таки альфа-частица, нейтрон и 17 МЭв с мелочью энергии. Нейтрон, ессно тут же приступает к полностью аналогичной работе, а альфа-частицы - начинают "нести свет и тепло" (пока - в основом в окружающий дейтерид лития, нагревая его до тех примерно 1,1 МЭв, когда становится возможной реакция D+D, в результате которой порождается гелий-3 и опять-таки нейтрон, а также прямое слияние лития-6 с дейтерием, в результате которого порождаются две альфа-частицы и 22 МЭв энергии).
"В нулевом приближении" на этом работа второй ступени и заканчивается (хотя теоретически существует масса весьма интересных "рюшечек и бантиков", типа возможности подмешать в смесюгу чутка бериллия (дабы поиметь за счёт реакции срыва дополнительные нейтроны) или неполного удаления лития-7 (который колется высокоэнергетичными нейронами на тритий и гелий-4, а нейтрон теряет 2,4 МЭв и летит колоть следующее ядро...), возможности инициировать в имплозирующем урановом слое "реакцию Джекила-Хайда" (деление урана-238 нейтронами с энергиями свыше 1,1 МЭв), и.т.д., и.т.п...), то бишь, рано или поздно некая ненулевая часть заряда превращается в гелий, выжившие в этой каше нейтроны - разлетаются в разные стороны, а облако останков - начинает "нести свет и тепло" (при этом - в основном - за счёт кинетической энергии нейтронов, протонов и альфа-частиц).
Энергия, выделяющаяся в единичном акте D+D составляет что-то в районе 4 с мелочью МЭв на акт, а в сильно более легко загорающейся D+T - чутка более 17 МЭв, причём и в том и в другом случае можно считать, что процентов 80 энергии - уносится нейтроном, а масса нейтронов на выходе - составляет процентов 20 от массы прореагировавшей реакционной смеси (ну, минус те нейтроны, что съелись на промежуточных этапах... один чёрт - как минимум на порядок больше, чем "делительные" 0,5% массы и 3% энергии .., Подмигивающий ). Ну и соответственно, средняя энергия вылетающего нейтрона - уже не 2 МЭв как при делении, а в районе 14 с мелочью при реакции D+T и 2,5 МЭв при D+D.
Итого, по итогам подрыва второй ступени мы имеем:
1) Мощный поток нейтронов с энергией 14 МЭв, причём - в количествах сильно бОльших, чем генерит первая ступень.
2) Сильно меньшую (по крайней мере, на единицу веса), чем от первой ступени гамму (возникающую в результате вступления в реакцию урановых деталей второй ступени, а также - в результате торможения альфа-частиц друг об друга и прочих диссипативных процессов (правда, эта гамма - сильно ближе к рентгену).
3) Всё то же облако осколков, стремящееся "принести свет и тепло" (правда, с сильно меньшим средним атомным весом и, соответственно, количеством пачкающих изотопов).
Ну ладно, наши законные десятки-сотни наносекунд, отведённые на собственно взрыв наукой физикой - прошли, всё, что успело - поделилось/синтезировалось, что потяжелее и позаряженнее - осталось в центре и пытается светиться, а лёгкое и незаряженное (нейтроны и гамма) - начало разбегаться по ближайшей округе. То бишь, "третий акт балетной сказки, наступил момент развязки" (ц), и мы переходим к самому интересному, а именно - к формированию того самого огненного шара, активации всего, до чего можем дотянуться, а также к механизмам возникновения прочих вторичных поражающих факторов ядерного взрыва (начиная от ударной и световой волн и кончая ЭМИ).
И тут наступает широчайший простор для всяческих тактических извращений, целью которых является перераспределение выделившейся энергии между различными каналами воздействия на цель (теми самыми "поражающими факторами"). Если на первых двух стадиях мы чисто конструкторскими мерами могли разве что слегка уменьшить/увеличить удельный выход нейтронов и количество радиоактивных изотопов, которое оставалось в результате взрыва (например, надеть на всё это дело какой-нить отражатель нейтронов (чтобы задержать бегство нейтронов и, соответственно, уменьшить не только критмассу, но и вторичную активацию) или наоборот, относительно легко активируемую кобальтовую рубашку (чтобы засрать окружающую среду до полной непригодности к жизни)), то грамотным тактическим применением одного и того же заряда мы можем достичь куда более впечатляющих вариаций.
Так что начинаем задаваться вопросом, за что ответственна гамма и что мы с неё можем поиметь кроме "света и тепла", а чего от неё добиваться - и пробовать не стоит?
Ну, прежде всего, что-нить вторично активировать при помощи гаммы - дело достаточно тухлое, потому как всяческие фотоядерные реакции, которые происходят при попадании гамма-кванта в ядро - во первых имеют достаточно малое сечение, а во вторых - существенно резонансный характер (то бишь - оч узкую полосу пригодных для этого энергий: ядро слишком "разборчиво", и если не может съесть гамма-квант целиком - не ест его вообще. Безусловно, рекорд узости линий, поставленный эффектом Мёссбауэра в железе-57 (относительная ширина линии - 10-15) при этом не достигается, но даже если срезать с него порядков эдак шесть - всё равно, "годных" гамма-квантов для каждой реакции будет какие-то миллионные-миллиардные процента).
Так что основной метод сброса энергии для гамма-квантов - это комптон-эффект для более-менее высоких энергий и фотоионизация для энергий более низких (когда через комптон будет растрачена подавляющая доля энергиии, и мы попадём из гаммы куда-нить в рентген). И в том и в другом случае "на выходе" мы получаем некоторое количество ионов и струю электронов, летящих примерно в том же направлении, куда летел первоначальный гамма-квант (по крайней мере, в самые первые моменты после его пролёта). Если поток гамма-квантов более-менее плотный - то достаточно большое число атомов, встретившихся на пути этого потока ионизируются. А как мы называем такое состояние вещества, где существенная часть атомов ионизирована? Правильно, в физике - "плазма", а в быту - "огонь" (он, хоть и оч низкотемпературная - но всё-таки плазма). Подмигивающий
То бишь, если плотность поглощающего гамму вещества будет достаточно высокой, и если отвлечься от всяческих плазменных штучек - имеем тот самый "огненный шар". И, в отличии от общераспространённого мнения, первоначально формируется он не только и не столько за счёт энергии первоначальных осколков (надеюсь, Вы не считаете, что масса ошмётков от силы в тонну весом, оставшаяся на месте сработавшей БЧ за какие-то максмум десятки миллисекунд разлетится на километр и равномерно перемешается с миллионами тонн воздуха (один кубический километр воздуха - это 1,3 млн.т. при н.у., а шарик радиусом в этот один километр - соответственно 5 с мелочью миллионов тонн), прогревая его до свечения? Подмигивающий ), а первоначально и в основном - именно за счёт гаммы/рентгена взрыва. И первоначальный радиус его определяется не скоростью разбегания и остывания первоначальных ошмётков, а равен тому расстоянию, на котором гамма ещё способна прогреть окружающий воздух до свечения, а температура поверхности шарика в этот момент практически равна температуре поверхности Солнца, то бишь - 5-6 килокельвинам (это называется "радиационный этап расширения"). Дальше ошмётки бомбы всё-таки начинают разлетаться и перемешиваться с плазмой, образовавшейся под действием гаммы, сама эта плазма - тоже стремится расшириться, и в результате всё это дело начинает а) раздуваться и б) остывать, ионизация - спадать (и, соответственно - повышаться прозрачность огненного шара для ЭМ излучения. Рано или поздно - наступает момент, когда излучение "отклеивается" от вещества, т.е. кванты света/УФ/рентгена, испущенные внутренностями шарика могут не поглотившись/переизлучившись вылететь наружу. Температура поверхности шарика при этом составляет примерно три килокельвина (снижается вдвое за счёт адиабатического расширения и сброса энергии на образование ударной волны), и называется это "ударная фаза расширения". За неё шарик успевает разрастись ещё примерно вдвое. Радиационная фаза длится от пятидесяти микросекунд до десятков миллисекунд (в зависимости от мощности БЧ меняется диаметр шара, и ошмёткам требуется разное время, чтобы добраться до его поверхности), ударная - единицы секунд (в случае мегатонного заряда - примерно секунд 7-10), причём максимальный радиус шара достигается задолго до её окончания (в случае той же мегатонны - секунды через полторы), и если прикидывать его с точностью плюс-минус вдвое (т.е. опустить "инженерные тонкости" и ориентироваться только на мощность заряда), то составляет он примерно один километр на корень кубический из эквивалента в мегатоннах, т.е. для мегатонны- где-то в районе километра, для "Царь-бомбы" - 3,5 км. (почему её, собсно на четырёх камэ и рвали... Подмигивающий )) (диаметр, соответственно - вдвое, т.е. для мегатонны - порядка двух камэ, для "Ивана" - порядка семи... Подмигивающий ). В процессе прохождения ударной фазы шарик излучает примерно 80% накопленной в нём энергии, а остальные 20% - излучаются уже в процессе его схлопывания и образования "гриба" (занимает это от одной до нескольких минут), и по сравнению с предыдущими фазами - вполне безопасны...
Кстати, именно поэтому световой импульс атмосферного подрыва имеет так любимый всяческими спутниками "двузубый" характер: первый оч острый и резкий пичок (причём - уходящий едва ли не в рентген) даёт нам радиационная фаза, а второй, сильно более пологий и длительный пик (но зато - и более яркий, так как излучающая площадь больше порядков на несколько... Подмигивающий ) - даёт нам фаза ударная (причём, в отличии от первого - в нём большинство энергии излучается в видимом и ИК спектре ( >99% от общего энерговыделения ), и за пожары на окружающей территории ответственнен именно он).
Ну и, соответственно где резкий нагрев - там и ударная волна. А поскольку конфигурация взрыва - оч похожа на на таковую же в случае ОДАБ (большой объём газов, одновременно прогреваемый и синхронно охлаждающийся) - то имеем и похожую ударную волну: слабо затухающую с расстоянием (ввиду больших линейных размеров источника), и имеющую значительную минус-компоненту (зону разрежения сразу за фронтом волны). И радиус поражения такой волной "при прочих равных" - меняется точно так же, как диаметр огненного шара: пропорционально корню кубическому из эквивалента подорванного ЯЗ.
***
А что мы можем сделать с плотностью окружающей среды? Ну, например, - уменьшить её как можно сильнее. Как? Да не вопрос: например, переехать с СИП на РИП (КапЯр то бишь) и выпулить наше изделие туда, куда воздух забыли завезти (т.е. минимум - в верхние слои мезосферы, а максимум - куда-нить в термосферу). Что поимеем в результате?
Ну, во первых, практически полное отсутствие ударной и световой волн. Потому как гамма, как и прочий свет, при удалении от источника слабеет обратно пропорционально квадрату расстояния, и к тому моменту, когда она таки доберётся до более-менее плотного воздуха - прогреть его до свечения ей банально не хватит сил. Что мы с этого имеем ещё? Во первых и очевидных - сильно более хреновую обнаружимость такого взрыва соответствующими спутниками (оч кратковременный пичок, причём бОльшая его часть лежит выше видимого спектра, где-то начиная от жёсткого УФ и до жёсткого рентгена/мягкой вторичной гаммы), а во вторых и в не очень очевидных - те самые "плазменные штучки", от которых мы временно абстрагировались, а именно - что при плотности воздуха ниже некоторой критической - вышибленные из атомов электроны вместо того, чтобы рекомбинировать обратно и высветить энергию в видимом свете - улетают в том направлении, куда первоначально двигались гамма-кванты. А как называется орава электронов, летящих примерно в одном направлении? Правильно, импульс электрического тока...
А чему там нас Максвелл учит со своими уравнениями? А тому, что такой импульс - порождает вокруг себя соответствующую электромагнитную волну, которая улетает от точки возникновения и наводит во всех встречающихся на пути проводниках ЭДС индукции. От чего эти проводники (если волна достаточно мощная) имеют свойство плавиться, диэлектрики, их окружающие - пробиваться, а приборы, их содержащие - разнообразными способами портиться
То бишь - имеем не что иное, как ЭМИ (электромагнитный импульс). При серьёзных плотностях окружающего газа электроны далеко не улетают, и поэтому он практически не заметен, но у нас их ничего не держит, и разворачивается он во всей своей неприглядности, и хреначит все незащищённые электроприборы в радиусе километров трёхсот-пятисот как минимум (против пары десятков, которые нам даст мегатонный взрыв в тропосфере).Так... А если плотность наоборот увеличить (например, быро-быро закопать наш заряд в грунт, хотя бы методом втыкания с хорошего разбега лбом в бетонную плиту, как в бетонобойных бонбах принято)? Ну, наверное, будет примерно то же, что и с урановыми элементами второй ступени (то есть, любые материальные тела, находящиеся рядом с боеголовкой - поведут себя как только что подорванная химическая взрывчатка). И хоть у них "зет квадрат" будет и поменьше, но рванут они всё равно достаточно эффективно, а именно - на глубине камуфлетного взрыва примерно треть общей энергии пойдёт на выкидывание прикрывающего заряд грунта куда-нить подальше, треть - на образование сейсмоволны (причём самой для всяческих подземных и наземных сооружений подлючей: с неслабым горизонтальным сдвигом, который бункера плющит, а фундаменты - срезает), а остальная треть - на плавление грунта. При этом на загрязнение окружающей среды пойдёт всего 5-6%, в основном унесённых нейтронами (да и то - практически все эти загрязнения вплавятся в остеклованный грунт и самовольно бегать по округе не будут).
Итого, что мы имеем с гуся гаммы?
- При низкой плотности среды (космос/мезосфера) - плазменные эффекты, в итоге кончающиеся ЭМИ, кончающим всю электронику, до которой ему удаётся добраться.
- При воздушном взрыве - огненный шар переменных размеров, которые примерно пропорциональны корню кубическому из эквивалента, пожары и ударную волну.
- При подземном взрыве - сейсмоволну, выброс относительно чистого грунта, лужу радиоактивной лавы на дне кратера.
- При наземном взрыве - нечто non pro vagina, non pro exercitus rubellum, то бишь и сейсмоволну испортили (основная компонента в той части, что у поверхности идёт - стала вертикальной, значительно менее опасной), и территорию толком не прожарили (слишком низко, угол падения света - как в полярный день, то бишь, "светит, но не греет"), и ударная волна в приземном слое - сильно хуже каКчеством (потому как тот же угол падения и минус половина энергии вдобавок). Да и засрали всё вокруг по максимуму (см. дальше, там где про нейтроны).
А теперь вспоминаем, что уже через наносекунды после начала взрыва "среди зимы пришла весна, // и от нейтронов не до сна" ((ц).., Подмигивающий ), и начинаем разбираться с ними по полной.
Итак, как нейтроны делят по скорости?
- Всё, что до десяти миллиэлектронвольт - называется "холодными", получается крайне трудно, а вот всяческие премии (начиная от Государственной) за их исследование - получаются наоборот легко. Иногда из них выделяется некий диапазон ультрахолодных. Нам встреча с ними не грозит, помянуты они - для общей ерундиции, и на сей пункт вполне можно поставить гриф "сразу же после прочтения - забыть (за практической неприменимостью)".
- От десяти миллиэлектронвольт до одного электронвольта. Тепловые. Играют основную роль во всяческих процессах активации, деления, и.т.д., и.т.п. Сюда рано или поздно вытормаживаются все нейтроны, не успевшие захватиться по дороге. Нейтрон с энергией в 10 миллиЭв - находится в тепловом равновесии с, например, жидким кислородом, 25 миллиЭв - комнатная температура (при этом его скорость - где-то 2200 м/с), 0,1 Эв - "красное каление" (тыща по Цельсию), расплавленная медь, 1 Эв - чуть горячее поверхности Солнца, чуть холоднее поверхности Сириуса (или внутренности нашего огненного шарика). В общем, температуры далеко не запредельные. Подвид нейтронов для наших дальнейших штудий чрезвычайно важный, запоминаем на будущее.
- от одного Эв до одного КЭв. Резонансные. Основное "кладбище" процесса замедления (если что и съестся - так скорее всего - именно здесь, но естся оно тут в основном на тяжёлых элементах (тяжелее железа), которых вокруг бонбы обычно немного). Достаточно малоинтересны, но забывать не стоит.
- от КЭва до ГЭва. Быстрые. Второй по интересности диапазон, именно в него попадают нейтроны испущенные при всяческих ядерных реакциях. Иногда в нём выделяют поддиапазон промежуточных (от одного КЭва до сотни), но нас эти тонкости в данный момент не интересуют.
- Выше ГЭва. Релятивистские. Бывают только ...хм-м... импортные, на Земле таких не делают, почему они нас и не интересуют. Идут туда же, куда и холодные.
Как себя ведут нейтроны в веществе?
- Если этого самого вещества очень мало, то теоретически у нейтрона есть шанс дожить до самопроизвольного распада (период полураспада - примерно 700 секунд). Если вещество чуть плотнее, чем воздух на околоземной орбите - такого шанса нет. То есть, со спокойной душой можно не рассматривать.
- Если нейтрон с чем-то взялся взаимодействовать - то это будет только ядро атома. Потому как в силу своей нейтральности он ни электронов, ни квантов ЭМ поля не видит (и поэтому его не интересует молекулярная/кристаллическая структура вещества и он не умеет отдавать энергию через электромагнитные процессы), и единственное, что ему доступно - либо упруго от ядра отражаться (слегка перераспределив с ним свою кинетическую энергию), либо им поглощаться (правда, в этом случае возможна масса вариантов: ядро излучит избыток энергии в виде гаммы (называется "радиационный захват") и успокоится, тут же развалится на части (как литий-6), или тут же сплюнет этот нейтрон, оставив себе "на память" малую толику энергии (и такое поглощение-сплёвывание вполне можно рассматривать как неупругое рассеяние), и.т.д., и.т.п).
Что с нейтронами происходит, когда они упруго отражаются?
Ессно, они обмениваются энергией с теми ядрами, о которые ударились, и поскольку энергия нейтрона как правило больше - то отдаёт её он. Если он так бьётся достаточно долго - то рано или поздно он приходит к состоянию теплового равновесия с окружающими его ядрами. Процесс этот называется замедлением (а если он идёт настолько долго, что нейтроны приходят в тепловое равновесие со средой - то термализацией этих нейтронов). И идёт он тем эффективнее, чем легче те ядра, о которые нейтрон стучится. Например, если ему на пути попадается ядро обычного водорода (протон), практически равной с ним массы - то при центральном попадании он передаёт ему всю свою энергию и становится тепловым всего за одно соударение (ну а прото, соответственно - начинает эту энергию сбрасывать, причём, поскольку он заряженный и потому "цепляясь" за другие заряды своим электрическим полем может излучать кванты ЭМ поля вплоть до достаточно жёсткой тормозной гаммы - у него это выходит сильно легче и быстрее).
Ну а если учесть нецентральные соударения, то в среднем за одно соударение энергия уменьшается вдвое, а для того, чтобы из изначальных 14 мегаэлектронвольт при замедлении на ядрах водорода сделать тепловых 25 миллиэлектронвольт (т.е. термализовать исходный пучок) - нужно в среднем всего 29 соударений. Ну а если вспомнить физику для шестого класса и долго и занудно обсчитывать соударение двух биллиардных шариков разной массы - то можно в конце концов прийти к формуле, описывающей среднюю потерю энергии при рассеянии на ядре с атомной массой А: E = E0(1-2A/(A+1)2), т.е. при замедлении на углероде (как в РБМКах) за одно соударение будет теряться где-то процентов четырнадцать энергии (и для термализации понадобится 131 соударение), при замедлении на азоте воздуха - процентов 12 и 151 соударение (можно учесть ещё и кислород (что число соударений увеличит) и водяной пар (что - уменьшит), но, в общем-то, это непринципиально).
Ну, и что интересного мы с этого можем поиметь?
А поиметь с этого мы можем так называемую длину замедления. Для этого достаточно решить так называемую "пьяную задачу" (она же - задача о случайных блужданиях). На практике применяется она исключительно для терроризирования студентов соответствующих специальностей, коим по чину положени изучить тервер/матстат (как правило в 5 семестре, для физиков - одновременно с общеядрёным ликбезом, для математиков - просто так, садизма ради), и классическая постановка её выглядит примерно так:
"На бесконечной ровной плоскости в центре координат стоит пивной ларёк, в котором каждого подходящего к нему алкоголика - мгновенно оделяют такой дозой волшебной жидкости, что он
а) каждый следующий шаг делает в абсолютно произвольном направлении (т.е. не зависящем от направления предыдущего шага)
б) шагает всегда на одно и то же расстояние L, и
в) до того, как рухнуть и уснуть - делает ровно N шагов, не больше и не меньше.
Ясно дело, что при таком подходе поле оказывается достаточно скоро усыпано телами, распределёнными неким нетривиальным образом. Из пальцевых соображений очевидно, что у ларька будет относительно пусто, на бесконечности - пусто совсем (даже если очередной алкан сделает свои N шагов исключительно целеустремлённо, то всё равно дальше, чем на N*L метров он всё равно не уйдёт), а основной "урожай" расположится на сиесту на некотором промежуточном расстоянии, причём - вне зависимости от полярного угла, т.е. по кольцу. Посему надо
Найти:
- среднее расстояние от ларька до кольца "безжизненных тел на нашем жизненном пути" (ц) (оно же - радиус этого кольца)
- внутрениий и внешний радиусы кольца, содержащего 50% тел (соответственно, 90%, 95%, 99%), или любым другим способом описать статистические свойства решения."
(на самом деле, они получаются достаточно хорошими, т.е. разброс - оказывается сильно меньше, чем студент ожидает из "пальцевых соображений").
Ну, поскольку решение это - дело а) муторное и б) не раз и не одним поколением студентов проделанное - мы углубляться в эту задчу не будем, а просто возьмём из этих самых "до нас украденных" решений длины термализации (замедления до теплового равновесия) нейтронов в некоторых средах.
Итого, имеем:
Термализация 14 МЭв в воздухе при н.у. (293 кельвина, 1013 гектопаскалей/760 мм. рт.ст. (уровень моря), относительная влажность 60%) - 220 метров
Термализация 2 МЭв в воздухе при н.у. - 120 метров
Термализация 2 МЭв в протиевой (лёгкой) воде - 31 см
Термализация 14 МЭв в протиевой воде - 92 см (тут прирост расстояния - неэкспоненциален из-за аномального спада сечения рассеяния на ворододе при энергиях > 100 КЭв)
А что нейтроны умеют делать, когда они уже замедлились?
Ну, кто не отразился - тот поглотился. В нулевом/сфероконном приближении (если не затрагивать свойства самого ядра и не крохоборствовать в области резонансов) сечение взаимодействия нейтрона с ядром обратно пропорционально его скорости (и, соответственно, в нерелятивистской области - корню квадратному из его энергии. Но мы уже постановили, что релятивистские нейтроны - это тот "импорт", который мы не рассматриваем). Посему, как только нейтрон замедлился "до тепла" - он начинает куда-то диффундировать, с некоторой вероятностью на очередном шаге поглощаясь (причём - в тепловой области эта вероятность сильно выше, чем при замедлении). Если мы решим "пьяную задачу" и для этого случая - то получим длину диффузии теплового нейтрона в данном веществе.
Опять-таки - всё до нас украдено решено, посему лезем в таблицы и
Имеем
Диффузия в протиевой воде - ~ 3 см
Диффузия в воздухе при н.у. - 27 м
После пристального вглядывания в данную цифирь и воспоминания описанного в предыдущем посте течения взрыва - имеем полное право заключить, что
а) Максимальное расстояние, которое нейтрон способен пробежать в той или иной среде от мощности взрыва практически (см. прим. ниже) не зависит (потому как энергия одна и та же, меняется только количество нейтронов), а зависит только от типа заряда (т.е. от энергии нейтронов: для одноступенчатой, чисто атомной бонбы это 2 МЭв, для теллеровой "сосиски" с реакцией D+D - это 2,5 МЭв, для "сухой" термоядерной бомбы с D+T - это 14 МЭв) и от состояния и состава окружающей среды.
Примечание. Если отойти от сфероконного нулевого приближения, то за счёт того, что при мощных взрывах первые же замедляющиеся нейтроны весьма сильно прогревают слой окружающей среды, непосредственно к данной бонбе прилегающий, а следующие порции нейтронов на этом слое замедляются из-за этого несколько менее эффективно - то длина пробега всё-таки с ростом мощности увеличивается, но - сильно медленнее, чем упомянутый/выведенный выше "лучевой" корень кубический из эквивалента.
Примечание 2. Если отойти от сфероконного приближения ещё дальше - придётся учитывать ещё и запаздывающий нейтроны. Но вторая ступень (синтез) их не даёт по определению, а плутоний первой ступени - даёт втрое меньше, чем уран (т.е. всего 0,21%). Поэтому и напакостить они могут минимум на три порядка (а для особо мощных зарядов, типа АН602 - и на все пять) меньше, чем мгновенные, хотя действительно, излучаются уже изрядно расползшимся облаком (в промежутке от четверти секунды до минуты после взрыва).
б) Для воздуха при н.у. максимальный пробег нейтронов от атомной бонбы составляет примерно 150 метров (120+27), от "сухой" водородной - 250 м. (220+27).
в) По вполне очевидным причинам (уменьшение плотности среды) пробег в воздухе увеличивается с понижением давления, т.е. если мы бомбим не находящуюся на уровне моря Хиросиму, а устраиваем взрыв в километре над верхушкой Эвереста (10 км), то максимальный пробег нейтронов увеличивается обратно пропорционально давлению, т.е. вдвое на каждые 5 км высоты, т.е. для всей заказанной высоты - вчетверо.
г) Наличие в воздухе свободной воды, особенно в виде всяческих гидрометеоров (облаков и прочего тумана, а также - дождей и града) - достаточно ощутимо снижает этот самый пробег (и до кучи - повышает эффективность преобразования излучения в ударную волну, по очевидным причинам).
Примечание 3. Армия - не лаборатория, и в условиях современных боевых действий сплошь и рядом встречаются такие ситуации, когда "путём изящных вычислений // решив систему уравнений // искать усилие дельта ку // чтоб изготовиться к прыжку" ((ц)... Подмигивающий ) - бывает банально некогда (например, в тех случаях, когда в какой-нить особо неудобной лощинке скопился абсолютно неуместный с Вашей т.з. батальон танков вероятного противника, а у Вас - только ...ну, допустим, "Мста" и пара специзделий в оранжевых пеналах, и ситуацию надо порешать за ближайшие 180 секунд, пока эти танки не взялись за то, что они замышляют). Для этих случаев существует самая грубая оценка, которая справедлива не менее, чем в 95% сочетаний заряда и условий окружающей среды (хотя минимум в 50% случаев запасы, заложенные в ней - вполне можно и поуменьшить). Звучит она так: основная активация грунта происходит а) в первые миллисекунды после взрыва, и б) не далее 500 метров от его центра (не эпицентра, а трёхмерного центра, т.е. того места, где была бомба). Если грунт в этот четырёхмерный объём не попал - три порядка активации отыграны.
д) Для обычной воды этот пробег не может превышать 1 (одного) метра ни при каких условиях.
Ладно, с нейтронами в первом приближении разобрались, осталось посмотреть, что там будет с веществом, которое их в итоге поглотит.
А вот тут мы вспоминаем школьную химию в том её моменте, который касается периодической системы, строения атома, всяческих орбиталей, оболочек и прочего рядом лежащего добра. А конкретнее - нас интересует понятие "оболочки". Если присмотреться к строению ядра попристальнее - то оно представляет собой отнюдь не кучку произвольным образом слепленных протонов-нейтронов, а устроено полностью аналогично атому с его оболочками (как там говаривал Гермес Трижды Величайший: "что вверху, то и внизу, как в малом - так и в большом", так ЕМНИП?). Правда из-за того, что за их образование отвечает не электромагнитное взаимодействие с его простым, понятным и со школы привычным ньютоновским потенциалом (f ~1/r2), а сильное (оно же ядерное), описываемое вполне мозголомным потенциалом Юкавы со всеми его экспонентами от радиуса, на этот же радиус делёнными - чиселки там получаются немножко другими (да ещё и разными для протонных и нейтронных оболочек - по причине наличия у первых заряда), но общую идею это не меняет, и факт того, что полностью заполненная оболочка - является крайне устойчивой (как у инертных газов, которые инертны (т.е. крайне неохотно вступают в химические реакции) именно по этой причине) - тоже. В физике ядра с полностью заполненной протонной или нейтронной оболочками - называются "магическими" (а, соответственно, с обеими (и протонной, и нейтронной) полностью заполненными - "дважды магическими"). Такие ядра крайне неохотно активируются и вообще - вступают в какие-л. реакции - полный аналог инертных газов. Из того, что нам может пригодиться при рассмотрении - к ним относятся гелий-4 (точнее - его ядро, альфа-частица, в которой заполнены первые оболочки из двух протонов и двух нейтронов), кислород-16 (полные вторые оболочки, по 8 частиц каждого типа), кальций-40 (по 20 нуклонов), и свинец-208 (82 протона и 126 нейтронов). При всех дальнейших расчётах активируемость этих ядер можно рассмтривать в самую последнюю очередь (потому как тот же кислород конечно активировать можно, но соовтествующие сечения в самых благоприянных условиях будут в районе единиц миллибарн, т.е. порядка на три меньше, чем у всякого азота и водорода). Для остальных же ядер способность к активации растёт примерно пропорционально номеру элемента, массе, и.т.д (плюс есть ещё некие быстропеременные осцилляции "реакционной способности" в связи с чётностью/нечётностью числа нуклонов разных типов - но это всё в те же учебники, что в первой части, либо "по запросу"), но для вящей уверенности такие вещи обычно смотрятся по таблице сечений разных реакций (а заодно - по ним же смотрим, как быстро и на что именно распадается получившийся изотоп и что он при этом излучает).
Итого:
Гелий (наработавшийся при взрыве), кислород-16 (присутствующий и в почве, и в воздухе и в воде), кальций-40 (пятый по массе элемент любой почвы, а конкретно сороковой - 97% из него) и свинец (из деталей бонбы) - не рассматриваем вообще по причине их дважды магичности.
Дальше - глядим по таблицам:
Водород: поглощает нейтроны заметно, но не слишком активно (0,27 барн), в результате - имеем вполне стабильный дейтерий (которого, кстати, в любой воде и так один атом на 5,5 тыс, так что его загрязнением и считать-то нельзя).
Дейтерий: поглощает нейтроны и преобразуется в бета-активный тритий. Но во первых он делает это крайне лениво (сечение поглощения по тепловым нейтронам - ЕМНИП 570 микробарн, т.е. 0,00057 барна), а во вторых - его в нормальных условиях достаточно мало. Поэтому тритиевую грязь, возникающую за счёт активации окружающей среды - имеет смысл учитывать разве что только при особо мощных зарядах, рвущихся в воде (во всех остальных случаях основным источником трития будут являться "огарки" второй ступени самого заряда).
Углерод: подвержен только реакции срыва и только 13-й, причём её порог - выше, чем максимум энергии нейтронов синтеза. То бишь, в наших условиях стабилен.
Азот: Поглощает нейтроны достаточно активно (1,75 барн), поглотив - тут же сплёвывает протон и превращается в углерод-14, который ничего, кроме гемора археологам доставить не может.
Кислород: шестнадцатый по очевидным причинам непокобелим, семнадцатый (которого в воздухе 0,04%) - ловит своим сечением в 0,4 барна нейтрон - и тут же альфа-распадается в тот же углерод-14.
Фтор с неоном: не учитываем (в самом опасном случае - единицы миллибарн и секунды полураспада для продуктов, т.е. перестают "светиться" раньше, чем успевают выпасть в осадок ("to make fallout", ежели наглоязычно говорить)).
Натрий: тут хуже. 0,54 барна и 15 часов распада. Но ввиду относительно короткого времени - колебёт мало (и использовать в качестве теплоносителя в тех же БНках - не слишком мешает).
Магний, алюминий, кремний: миллибарны и минуты. См. фтор и неон.
Хлор: 35-й с сечением поглощения 0,2 барна и распадом в серу с периодом в 87 дней - основной источник хлорного гемора, 37-й - микробарны и минуты.
Аргон: 36-го - мало в природной смеси, 40-й - пол-барна и два часа. Т.е. - существенен разве что в первые сутки.
Калий: опасен только 41-й, которого в природной смеси 7%. 1,3 барна и 12,5 часов.
Кальций: опасен только 44-й, которого в природной смеси 2%. 0,7 барна, 164 дня.
Скандий: теоретически - жоППа с двумя большими буквами. 22 барна и 85 дней. Одно счастье, что рассеянный и концентрацию выше среднемировой в 10 грамм на тонну - надо очень долго искать.
Титан, ванадий: во первых редки, во вторых - миллибарны и минуты.
Хром: опасен только хром-50 (4% в естественной смеси, 16 барн, 28 дней). Ergo, Урал - не бомбить!
Марганец: 13 барн, 2,5 часа. При применении специбоеприпасов в окрестностях Чиатури - соблюдать особую осторожность (ну или неделю сразу после - не соваться в зону поражения! ).
Железо: 54-е: (6% в естественной смеси): три барна, три года, основной источник наводок "по железу", 58-е (0,3%) 1 барн, 45 дней - мелкая неприятность уже спустя полгода.
Всё, что тяжелее - встречается в почве относительно редко, посему рассматривается "по желанию".
Итого, основное внимание надо обращать прежде всего на калий с кальцием и железо, во вторую очередь - натрий и редкости типа хрома с марганцем, всё остальное - ну очень особые случаи.
А теперь - переходим к тактике (точнее, к зависимости "грязи" от способа применения спецбоеприпаса).
Начнём с моря (посколько "специфически морской" вариант - ровно один). Засадив боеприпас должной мощности в ближайшую дельта-окрестность какой-нить АУГ - следим ровно за тем, чтобы в момент подрыва его окружало не меньше метра воды.
По части результатов: имеем мощнейшую подводную ударную волну, в результате которой наблюдаем ...хм-м... "однобортный пароход" ((ц) В. Катаев, "Кондуит и Швамбрания") в N экземплярах, выполняющий маневр срочного погружения, и одну или несколько ПЛ охранения, наоборот, выполняющих маневр аварийного всплытия. В качестве дополнительного бонуса при правильно выбранной конфигурации дна - имеем шикарнейшее цунами, которое вполне способно устроить "мокрую уборку" прибрежных пунктов базирования вероятного противника. По части грязи: практически не имеем углерода, повышенное относительно других методов применения количество трития (однако, в случае термоядерных зарядов - гарантированно меньшее того, что получим из "огарков" самой бонбы), и основную грязь в виде натрия (которого в морской воде аж почти полтора грамма на литр), активность которой, впрочем, за следующую за взрывом неделю - снижается без мелочи в четыре тыщи раз.
Едва ли не самый "чистый" изо всех возможных способов ...хм-м... локального применения ЯЗ, но распространение "грязи" - полностью неконтролируемо (она, в отличии от остальных методов применения - не оседает).
Следующий тип - высотный. Наводок от почвы - нет по определению, в атмосфере (когда до неё нейтроны таки долетят) - генерится углерод, половина грязи - улетает нахрен в дальний космос, то, что осталось - оседает месяцами/годами, и поэтому - равномерно по всему земному шару.
Воздушный подрыв. Таковым считаем всё, в чём грунт не попадает не в плазменный шарик, а именно в зону активации (например, подрыв АН602 на высоте километр - несомненно возушный, даром, что ...надцать квадратных километров подстилающих, попавших в огненный шар - будут выжжены плазмой до состояния меркурианского ландшафта, а вот подрыв пары-тройки килотонн, забабаханных снежинским ВНИИТФом (который им. ак. Забабахина) в конструктив 155-мм снаряда для той же "Мсты" на высоте 150-200 метров - безусловно наземный, даром, что огненного шара там практически вообще не будет). Основная грязь - от самой бомбы, практически всё, что наводится - интересно только археологам (углерод-14).
Наземный взрыв. "Наведённой" грязи достаточно, чтобы исказить даже закон спада активности следа (более подробно об этом - чутка попозже), причём, в отличии от, например, подземного - она не лежит, а разносится вместе с пылью. Самый похабный по этой части изо всех возможных вариантов.
Подземный. Теоретически - ещё грязнее, чем наземный, но практически - вся грязь вплавлена в остекловавшийся грунт и экранирована неостекловавшимся, а посему, если её руками не трогать - то опасности практически не представляет.
Ну и до кучи, ради общности - "грязная бомба", т.е Чернобыль или преднамеренно распылённые террористами ошмётки ТВЭЛов. Опасна не столько "грязностью" (на кило веса активность у этого добра будет всё-таки поменьше, чем у останков бомбы), сколько чрезвычайно медленным спадом активности (потому как наиболее активные изотопы распадаются задолго до того, как террористы до этого добра доберутся).
Ладно, отбомбились... А как себя ведут осадки, выпавшие при различных способах применения ЯЗ?
А это - определяется полуэмпирическим законом Вэя-Вигнера: A ~ t-n, показатель степени в котором - зависит от типа загрязнения. Для наземного взрыва - он равен 1,2, ввиду того, что все изотопы, образовавшиеся в почве за счёт активации нейтронным потоком - достаточно короткоживущие, то бишь, распадаются сравнительно быстро, и, соответственно, перестают вносить свой вклад в общую активность. Для взрыва воздушного - имеем строгую единичку без каких-л десятых, при которой закон вырождается в общеизвестное "правило семёрок": через неделю (семь дней) активность падает в десять раз, через сорок девять дней (семью семь) - в сто, через без мелочи год (7*7*7=343 дня) - в тыщу... Для "грязной бомбы" - ситуация полностью обратная: короткоживущие изотопы в ней либо уже распались (если уж её из реактора достать удалось, не окачурившиь при этом), либо были выжжены нейтронным потоком в момент образования (как выгорает тот же ксенон). Поэтому для такого следа коэффициент в вышеозначенной формУле - всего 0,4 - 0,5 (в зависимости от типа реактора, из которых ВВЭР - один из наиболее грязных (за счёт плутония/америция-241)), то бишь заражение местности от Чернобыля - падает сильно медленнее, чем от бонбы.
Комментарии
Вставить цитату
Dear Diary, I`m ...
Авторизация
Главное меню
-
-
20.06.2010 в 17:14Во первых, ЕДИНСТВЕННЫЙ способ поджига реакции ядерного синтеза, работоспособность которого на настоящий момент экспериментально доказана - это именно радиационная имплозия, причём - не только в бомбе, но и в энергетических ТЯР с динамическим удержанием (тема "Кальмар"). Так что противопоставлять "слойку" и радиационную имплозию - мягко говоря странно...
Во вторых. А чем, собственно "слойка" тогда отличается от схемы Улама-Теллера? А практически ничем, кроме ориентации слоёв урана и дейтерида лития, которые в "слойке" стоят "поперёк" потока излучения, а в схеме Улама-Теллера - "вдоль" (и посему "хвост" второй ступени затеняется её же "носом", и в результате для получения более-менее пристойного съёма мы вынуждены городить всяческие дополнительные имплозирующие кольца и ещё тыщу и одну радость). Мало того, в параллель с тем самым пакетом РДС-6С ("С" - от "Слойка") разрабатывался пакет РДС-6Т ("Труба"), который был практически идентичен с уламовским "классическим супером" (за исключением того, что центральный керн у "трубы" обеспечивал только дополнительную имплозию и посему был полым ("трубой") и выполнялся из урана-238), а у Улама центральный керн дополнительно бустировал вторую ступень и потому выполнялся из урана-235 и был цельным. Единственный реальный бонус, который есть у УТ по сравнению со "слойкой"- это лёгкость её "настройки" на нужный эквивалент (вплоть до того, что к штатовской B-61 Mod.5 придавался комплект дополнительных имплозирующих колец, монтировавшихся в аэродромных условиях и увеличивавший её эквивалент со 150 до 400 КТ).
В третьих. Очевидно, что "грязность" того или иного физпакета определяется отнюдь не направлением слоёв в оном, а во первых и в главных - степенью его нейтроноизбыточности, а во вторых - объёмом активирующихся материалов, расположенных в "сфере досягаемости" второй ступени.
По первому параметру безусловно лидирует не "слойка", а классическая криогенная схема Теллера (что, кстати, доказано экспериментально: несмотря на то, что энергия, выделившаяся при испытаниях Ivy Mike превосходила РДС-6С в 26 раз (10,4 МТ против 400 КТ), суммарный объём выброса был больше почти на три порядка (30-80 мегакюри (по разным оценкам) против ~ 100-120 килокюри), и минимум на полтора порядка превысил даже самые пессимистичные оценки для "Кузькиной матери" (площадка "Сухой нос" (Д-2 СИПНЗ), 30 окт 1961, ФП АН602 58,6 МТ, 0,5-2 мегакюри ). Ибо нехрен одевать имплозирующую систему весом 5,5 тонн из чистейшего 238-го на настолько нейтроноизибыточный заряд (четверть вовлечённой в реакцию массы второй ступени- приходится на выделившиеся нейтроны) как жидкий дейтерий.
"Иван" был ОЧЕНЬ чистой бомбой, несмотря на мощу.
Ибо не "несмотря", а благодаря"... При таких мощностях и нейтронных потоках там всё, что могло - перегорало едва ли не в железо, и если его на земле не рвать - то грязи было просто неоткуда взяться (т.е. концентрация оной в пересчёте на мегатонну - была как минимум на порядок ниже).
Кстати, "чистота" АН602 в вышеупомянутом испытании в основном объяснялась тем, что на испытании имплозирующие блоки из 238-го были сняты и заменены свинцовыми массогабаритными макетами (т.е. "отключена" третья ступень - "реакция Джекила-Хайда" ((ц) У. Лоуренс)). Если бы этого не было сделано, то эквивалент поднялся бы всего вдвое, а вот суммарная активность выброса - на порядок как минимум (т.е. практически сравнялась бы с Чернобылем с его 50 мегакюри)...
Активность каждого отдельно взятого изотопа - спадает по обратной экспоненте (то бишь Pt=P0exp(-t|t1/2) ), а отнюдь не по гиперболе, до установления векового равновесия (т.е. - динамического рановесия для всех распадов семейства) - общая активность может не спадать со временем, а наоборот нарастать...
Простейший пример этого - загрязнение плутонием-241. Он с периодом в 13,2 года распадается в америций-241, который несмотря на сильно более длительный период полураспада (458 лет) - сильно гаже (как минимум - потому, что 241Pu основную энергию высвечивает в виде беты с энергией всего-то 21 КЭв (чутка меньше, чем у цветного кинескопа телевизора "Рубин", если кто такой помнит
А "правило семи" (через семь дней - активность вдесятеро меньше, чем через сутки после взрыва, а через семью семь - в сто раз) - это галимая эмпирика, которая работает только в случае средневысотных ЯВ (в случае наземных - возникает туева хуча грязи за счёт активации грунта, распадающаяся сильно по другому закону, нежели смесь осколков деления, а в случае стартосферных - грязь оседает настолько медленно, что размазывается на миллионы квадратных камэ, и никому её толком померить не удаётся).
-
-
20.06.2010 в 17:16Величины эти, ессно, зависят от энергии гамма-квантов, и если рассматривать их значения, приведённые к некоему срденестатистическому для радиоактивных загрязнений, остающихся после ядрёна взрыва спектру - то получим примерно следующее:
Толщина слоя половинного ослабления для:
Урана-238 - 2 мм
Свинца - 10 мм
Стали - 25 мм
Бетона - 65 мм
Хорошо утрамбованного глинистого грунта - 10 см
Воды - 18 см
Древесины хвойных пород естественной сухости (читай - бревенчатой стены) - 29 см
Воздуха при н.у (см. предыдущие посты) - 150 м.
Как этим пользоваться на практике?
Берём имеющийся фон снаружи рассчитываемой биозащиты и желаемый фон внутри оной, делим первое на второе и берём логарифм по основанию два. Домножаем на толщину слоя полуослабления - и получаем минимальную толщину оной защиты.
Ну, например, снаружи имеем границу зоны Г радиационного следа (чрезвычайно опасное заражение, 800 р/ч через час после), внутри - не имеем права превысить 120 мкр/ч (ДНР, доза немедленного реагирования согласно НРБ 76/87). log2(800/120*10-6) = 22,67 Итого, нам надо либо 45 мм обедненного урана, либо 23 см свинца, либо четыре метра воды, либо два с половиной метра хорошо утрамбованного глинистого грунта. Дешевле всего - последний вариант. Чешем репу и с чувством относительной безопасности лезем в погреб...
-
-
20.06.2010 в 17:18Да, ещё... Поглощение гаммы - оч сильно зависит не только от поглощающего вешества, но и от энергии оной, причём неким нетривиальным образом (потому как при разных энергиях и в разных веществах задействуются разные механизмы поглощения). Просто для примера - интересный график:
читать дальше
-
-
20.06.2010 в 18:57-
-
20.06.2010 в 20:13-
-
21.06.2010 в 10:54У Мимохожего очень хорошо получаются научно-популярные ликбезы