Электромагнитный импульс

При ядерных взрывах в атмосфере возникают мощные электромагнитные поля с волнами от 1 до 1000 м и более. В силу кратковременности существования таких полей их принято называть электромагнитным импульсом. Хотя оно и не оказывает никакого прямого влияния на человека, воздействие ЭМИ повреждает электронную аппаратуру: поражающее действие обусловлено возникновением электрических напряжений и токов в проводах, кабелях воздушных и подземных линий связи, сигнализации электропередач, антеннах радиостанций, это приводит к пробоям изоляции и выходу из строя электроприборов — полупроводниковые приборы, различные электронные блоки, трансформаторные подстанции и т. д. В отличие от полупроводников, электронные лампы не подвержены воздействию сильной радиации и электромагнитных полей. Помимо этого большое количество ионов, возникшее после взрыва, препятствует распространению радиоволн и работе радиолокационных станций.

Сила ЭМИ меняется в зависимости от высоты взрыва: в диапазоне 4-30 км он относительно слаб, сильнее при взрыве ниже 4 км, и особенно силён при высоте подрыва более 30 км.

Одновременно с ЭМИ возникают радиоволны, распространяющиеся на большие расстояния.

Проникающая радиация

Проникающей радиацией ядерного взрыва называют поток гамма-излучения и нейтронов испускаемых из зоны и облака ядерного взрыва. Источниками проникающей радиации являются ядерные реакции протекающие в эпицентре в момент взрыва и радиоактивный распад осколков (продуктов) деления в облаке взрыва.

Время действия проникающей радиации на наземные объекты составляет 15-25 сек. и определяется временем подъема облака взрыва на такую высоту (2-3 км.), при которой гамма-нейтронное излучение, поглощаясь толщей воздуха, практически, не достигает поверхности земли. Радиус поражения проникающей радиации при взрывах в атмосфере меньше, чем радиусы поражения от светового излучения и ударной волны, поскольку она сильно поглощается атмосферой. Проникающая радиация поражает людей только на расстоянии 2-3 км от места взрыва, даже для больших по мощности зарядов.

Поражающее действие проникающей радиации уменьшается:

- по мере удаления от эпицентра ядерного взрыва

- за преградами из материалов, поглощающих и рассеивающих гамма-излучение и нейтроны.

Проникающая радиация может вызывать обратимые и необратимые изменения в материалах, электронных, оптических и других приборах за счет нарушения кристаллической решетки вещества и других физико-химических процессов под воздействием ионизирующих излучений.

Поражение человека будет рассмотрено ниже.

Защитой от проникающей радиации служат различные материалы, ослабляющие гамма-излучение и поток нейтронов. Ее уровень снижается в 10 раз после прохождения 11 см стали, либо 35 см бетона, либо 50 см грунта/кирпичной кладки, либо 1 м древесины.

Радиоактивное заражение

Радиоактивное загрязнение местности возникает в результате выпадения РВ на поверхность земли из радиоактивного облака вместе с осадками. Радиоактивные облака возникают в результате ядерных взрывов, разрушения ядерных реакторов, АЭС и т. д.

Местность в экстремальных ситуациях считается загрязненной, если уровень радиоактивного излучения на высоте 70 см от поверхности земли не меньше 0,5 Р/ч.

Источниками радиоактивного загрязнения местности (РЗМ) являются:

продукты деления ядерного горючего (урана, плутония). В этом случае имеют место - и -излучения;

не разделившаяся часть горючего при ядерном взрыве, так как в реакции деления взрывного характера принимает участие примерно 20 % горючего. Оставшаяся часть горючего загрязняет территорию и является источником -излучений;

наведенная активность в почве. Под воздействием нейтронного потока в грунте образуется ряд радиоактивных изотопов: алюминий-28, натрий-24, магний-24, которые при своем распаде выделяют - и -излучения.

Рассмотрим образование РЗМ в случае аварии, разрушения АЭС, ядерных реакторов.

Ядерные реакторы и АЭС являются потенциально опасными для окружающей среды, а поэтому при проектировании таких объектов предусматривается решение вопросов безопасности обслуживающего персонала и населения. Особенностью аварии на АЭС, ядерных реакторах является то, что процесс деления ядерного топлива, используемого в ядерных реакторах, продолжается длительное время. Поэтому в случае разрушения реактора в атмосферу могут длительное время поступать РВ. Подъем РВ осуществляется на незначительную высоту (800–1000 м), что объясняется небольшой мощностью теплового взрыва ядерного реактора (порядка 0,04 кт). На этой высоте и в течение длительного времени ветер меняет свое направление много раз, а поэтому ярко выраженного, как при ядерном взрыве, следа радиоактивного облака нет. РВ соединяется с дождевыми облаками и перемещается вместе с ними. Из дождевых облаков РВ выпадают вместе с осадками. В результате этого загрязненные территории могут быть значительными по своим размерам и находиться на очень больших расстояниях от места аварии, как это было в результате аварии на Чернобыльской АЭС.

Связь между дозой облучения за время до полного распада Д и уровнем радиации P(t)_зар за время заражения t_зар выражается соотношением

Д_ = 5 P(t)_зар t_зар.

В идеальном случае на равнинной местности при равномерном ветре одного направления радиоактивный след имеет форму эллипса и условно делится на зоны загрязнения, границы которых характеризуются дозой излучения, полученной человеком за время от момента образования следа до полного радиоактивного распада вещества Д или уровнем радиации на 1 ч после аварии (рис. 4).

Рис. 4. Распределение уровней радиации по следу радиоактивного облака 1,2 - след и ось облака, 3,4- уровни радиации вдоль и на ширине следа

При аварии, разрушении АЭС, ядерных реакторов загрязненная территория по уровням радиации делится на 5 зон:

М — зона слабого РЗМ с уровнем радиации на 1 ч после аварии Р₁ = 0,025–0,1 Р/ч;

А — зона умеренного загрязнения с уровнями радиации на границах зоны Р₁ = 0,1–1,0 Р/ч;

Б — зона среднего загрязнения с уровнями радиации на границах зоны Р₁ = 1,0–3,0 Р/ч;

В — зона опасного загрязнения с уровнями радиации на границах зоны Р₁ = 3,0–10,0 Р/ч;

Г — зона чрезмерно опасного загрязнения с уровнями радиации на внешней границе зоны Р₁ = 10,0 Р/ч.

С течением времени из-за естественного распада РВ уровни радиации на следе радиоактивного облака уменьшаются по экспоненциальному закону:

(1)

где P₀ — уровень радиации в момент времени t₀ после аварии на АЭС, ядерных реакторах и т. д.; P(t) — уровень радиации в момент времени t, т. е. времени измерения уровня радиации или времени начала работ в зоне РЗМ; n — показатель степени, характеризующий величину спада уровня радиации и зависящий от изотопного состава радионуклидов и продолжительности их жизни. Так при ядерном взрыве n = 1,2, а при аварии, разрушении АЭС, ядерных реакторов n = 0,4–0,5 (рис. 5).

Рис. 5. Изменение уровня радиации во времени

Для ядерного взрыва уровень радиации через 7 ч после взрыва уменьшается в 10 раз, через 2 суток — в 100 раз и через 7 недель — в 1000 раз. Уменьшение же уровня радиации в результате аварии на АЭС, ядерных реакторах происходит существенно медленнее.

Оценка дозы облучения. Зная уровень радиоактивного загрязнения местности P(t), т. е. уровень радиации на момент времени измерения или начала работ на загрязненной территории, можно определить дозу облучения Д_обл, которую получит человек за интервал времени от начала облучения (время начала работ в зоне, время входа в зону) до конца облучения (время выхода из зоны, время конца работы в зоне).

Для определения дозы облучения можно воспользоваться выражением

(2)

После интегрирования

(3)

Если в (3) подставить P₀ из (1): и , то доза облучения человека при нахождении в зоне радиоактивного загрязнения

В случае ядерного взрыва, когда показатель степени n = 1,2, выражение для определения дозы облучения имеет вид

Д_обл = 5(P_нt_н - P_кt_к),

а с учетом коэффициента ослабления K_осл, вносимого зданиями, сооружениями, выражение (3) примет вид

Если же будем рассматривать облучение человека, находящегося на РЗМ в результате аварии, разрушения АЭС, ядерных реакторов, и показатель степени n = 0,4 по данным после аварии на ЧАЭС выражение для определения дозы облучения примет вид

Д_обл = 1,7(P_кt_к -  P_нt_н).

В общем виде с учетом коэффициента ослабления K_осл

Особенности ядерного взрыва. При ядерном взрыве используется энергия, выделяемая при цепных ядерных реакциях деления атомов тяжелых элементов (изотопов урана и плутония) или при термоядерных реакциях синтеза атомов легких элементов (изотопов водорода — дейтерия и трития) в более тяжелые элементы. Ядерный взрыв, как упомянуто выше, сопровождается мощной ударной волной, на которую расходуется примерно 50 % всей энергии взрыва, световым излучением, на которое расходуется примерно 35 % энергии взрыва, проникающей радиацией, на которую расходуется примерно 5 % энергии взрыва, радиоактивным загрязнением местности — это примерно 10 % всей энергии взрыва и электромагнитным импульсом, на создание которого расходуются доли процента всей энергии взрыва.

По характеру протекающих реакций ядерные боеприпасы делятся на атомные (ядерные), термоядерные (водородные), комбинированные (3-фазные) и нейтронные.

По мощности ядерные боеприпасы в зависимости от мощности тротилового эквивалента делятся на боеприпасы сверхмалой мощности (мощностью до 1 кт), малой мощности (1–10 кт), средней мощности (10–100 кт), большой мощности (100 кт–1 Мт) и сверхбольшой мощности (свыше 1 Мт).

Особенностью взрыва нейтронного боеприпаса малой или сверхмалой мощности является расход энергии на создание нейтронного потока во много раз большего, чем при водородном или ядерном взрывах. Нейтронный поток поражает живые организмы и элементы радиоэлектронной аппаратуры.

Основные виды ионизирующих излучений. Основными видами ионизирующих излучений являются -, -, -излучения и нейтроны.

-частицы представляют собой ядра атомов гелия ив своем составе имеют два нейтрона и два протона. Энергия от 4 до 10 МэВ, пробег в воздухе 3–11 см, в биологической среде 30–130 мкм. Обладают высокой ионизирующей способностью. Проходя через вещество -частицы взаимодействуют с электронами и ионизируют атомы и молекулы. Проникающая способность -частиц невелика, так как они задерживаются кожным покровом, листом бумаги и т. п. Опасность облучения наступает в тех случаях, когда -частицы поступают внутрь организма с воздухом, водой, пищей.

-частицы представляют собой поток электронов или протонов с энергией от 0,01 до 20 МэВ. Длина пробега этих частиц в воздухе достигает десятков метров, а в биологической среде до 1 см. Следовательно, проникающая способность у -частиц выше, чем у -частиц той же энергии. Взаимодействуя с веществом среды распространения,-частицы проходят вблизи ядер атомов. Под влиянием положительного заряда атомного ядра отрицательно заряженные -частицы тормозятся и теряют часть своей энергии, которая и излучается в виде рентгеновского излучения.

-кванты представляют собой поток корпускул лучистой энергии, не имеющих заряда, но обладающих значительной массой и энергией от 0,01 до 10 МэВ. Ионизирующая способность в тысячи раз меньше, чем у -частиц той же энергии, но -излучения обладают огромной проникающей способностью. Существует три вида взаимодействия -квантов с веществом: фотоэлектрический эффект, когда -квант передает всю свою энергию электрону атома, что позволяет разорвать связь электрона с ядром. В результате появляется свободный электрон и положительно заряженный атом, т. е. происходит процесс ионизации вещества; комптоновское рассеяние, когда -квант передает часть своей энергии электрону, изменяет свое направление и взаимодействует с электронами других атомов. В результате такого взаимодействия появляются свободные электроны и положительно заряженные атомы; образование электронно-позитронных пар, когда -квант, взаимодействуя с полем ядра, передает ему часть своей энергии и в результате образуется электронная пара — позитрон ⁺ и электрон ^.

Итак, при взаимодействии -квантов с атомами вещества, т. е. с электронами или полем ядра, происходит ионизация вещества.

Нейтроны представляют собой незаряженные частицы с высокой проникающей способностью и взаимодействуют только с ядрами атомов. Существует три вида взаимодействия нейтронов с ядрами атомов химических элементов: упругое взаимодействие, при котором нейтрон сталкивается с ядром атома, передает ему часть своей энергии, изменяет свое направление движения и смещает ядро со своего места, что нарушает структуру кристаллических веществ — процесс необратимый; неупругое взаимодействие, при котором нейтрон проникает внутрь ядра, передает ему свою энергию и ядро само становится излучателем нового нейтрона с другой энергией, -кванта и -частицы, которые взаимодействуют с другими атомами вещества; захватное взаимодействие, при котором с ядрами атомов взаимодействуют медленные нейтроны. В этом случае ядро поглощает всю энергию нейтрона и излучает два новых нейтрона с другими энергиями, один -квант, один протон и одну -частицу.

Следовательно, при взаимодействии нейтронов с атомами вещества может изменяться структура кристаллических веществ и происходить ионизация вещества.

Радиационная защита. Это уменьшение интенсивности ИИ посредством поглощения излучения экраном. Защитой от ИИ служат экраны из различных материалов, ослабляющих действие -лучей и нейтронов. Степень ослабления ИИ зависит от свойств материала, его толщины и оценивается слоем половинного ослабления, т. е. такого слоя материала, при прохождении которого интенсивность -лучей и нейтронов ослабляется в 2 раза.

Толщина слоя половинного ослабления d_пол для -квантов и нейтронов в см, определяется по формулам:

где 23 — слой половинного ослабления -квантов водой, см; 13 — слой половинного ослабления нейтронов водой, см;  — удельная плотность вещества, г/см³.

Только бетон, грунт, кирпич имеют примерно одинаковый слой половинного ослабления. Данные по половинному ослаблению могут быть получены из таблиц [1, 5].

Как правило, любой экран по своей толщине отличается от толщины слоя половинного ослабления, поэтому для оценки эффективности ослабления ИИ экраном вводится коэффициент ослабления проникающей радиации К_осл, показывающий во сколько раз данный экран ослабляет действие ИИ:

,

где h — толщина экрана, см.

Задаваясь коэффициентом ослабления и зная толщину слоя половинного ослабления, можно вычислить толщину экрана h.

Если экран состоит из нескольких слоев различных материалов, то суммарный коэффициент ослабления

,

где I — число слоев экрана со своими коэффициентами ослабления K_осл i.

Биологическое воздействие ионизирующих излучений на человека. При радиоактивном облучении живых организмов в биологических тканях происходят сложные физические, химические и биологические процессы. Известно, что 75 % общего веса тканей человека составляют вода и углерод. Вода под воздействием ИИ разлагается на водород Н и гидроксильную группу ОН, которые непосредственно или через цепь вторичных превращений образуют продукты с высокой химической активностью: гидратный оксид НО₂ и перекись водорода Н₂О₂. Эти соединения, взаимодействуя с органическими веществами биологической ткани, окисляют и разрушают ее. В результате этого в организме человека нарушается нормальное течение биохимических процессов и обмена веществ, происходит разрушение лейкоцитов, эритроцитов, тромбоцитов и т. д. Все эти процессы могут быть обратимыми и необратимыми. Так, при небольших дозах облучения пораженная ткань через некоторое время восстанавливается, но большие дозы облучения при длительном воздействии могут вызывать в организме человека необратимые процессы и привести к лучевым заболеваниям.

Итак, биологический эффект зависит от суммарной дозы облучения и времени облучения, от вида излучений, от размеров облучаемой поверхности тела и индивидуальных особенностей человека.

Наиболее опасным является однократное внешнее облучение человека, т. е. облучение, которому подвергается организм человека однократно или дробно в течение четырех суток, так как на пятые, шестые сутки организм человека начинает выводить радиоактивные вещества. В результате однократного облучения и в зависимости от суммарной дозы человек может получить лучевую болезнь четырех степеней.

Лучевая болезнь 1-й степени — легкая степень поражения. Наступает при однократном облучении человека суммарной дозой 100–200 бэр. Проявляется через 2–3 ч после облучения в виде несильной тошноты, слабости. Выздоровление (относительное) наступает в 100 % случаев без госпитального лечения.

Лучевая болезнь 2-й степени — средняя степень поражения. Наступает при дозе облучения 200–400 бэр. Проявляется через 1–2 ч в виде неоднократной рвоты, слабости, недомогания и незначительного повышения температуры тела. Скрытый период (период мнимого благополучия) длится 3–4 недели. Требуется госпитальное лечение. Относительное выздоровление наступает в 100 % случаев, если лечение было организовано своевременно.

Лучевая болезнь 3-й степени — тяжелая степень поражения. Наступает при дозе облучения 400–600 бэр. Проявляется через 20–30 мин. после облучения и выражается в виде многократной рвоты, значительного недомогания, повышения температуры тела до 38 °С. Такое состояние продолжается до двух суток. Скрытый период длится 10–20 суток. С первых дней наблюдается поражение слизистой рта, гипермия тела — приток крови к различным частям тела и слабый ее отток, рвота, сильное расстройство желудка, эритема кожи. Относительное выздоровление наступает у 50–80 % пораженных при лечении в специальных клиниках.

Лучевая болезнь 4-й степени — крайне тяжелая степень поражения. Наступает при суммарной дозе облучения в 600 бэр и более. Проявляется через 20–30 мин. после облучения со всеми признаками 3-й степени, но добавляется жидкий стул и температура тела повышается до 38–39 °С. Такое состояние длится 3–4 суток, затем наступает период мнимого благополучия, который длится 3–4 суток. Выздоровление наступает у 30–50 % пораженных при раннем лечении в специальных клиниках. Считается, что облучение дозой более 600 бэр приводит к летальному исходу.

Чувствительность различных органов человека к облучению неодинакова и самыми чувствительными к облучению являются зародышевые клетки (гонады), красный костный мозг, зобная железа и т. д. Большая чувствительность кроветворных органов к ионизирующему облучению лежит в основе определения лучевой болезни. Уже при однократном облучении человеческого тела дозой в 50 бэр через сутки может резко сократиться число лейкоцитов в крови, а по истечении двух недель после облучения сокращается число эритроцитов.

Большое значение имеют время облучения и мощность дозы. С увеличением мощности дозы облучения поражающее действие ИИ растет. Чем более дробно действие облучения на организм человека, тем меньше его поражающее действие, так как на 5–6 сутки начинается вывод РВ из организма человека.

При внешнем облучении наиболее опасными являются -излучения и поток нейтронов, обладающие высокой проникающей способностью, а при внутреннем облучении — - и -излучения, обладающие наибольшей ионизирующей способностью.

Степень радиационного поражения человека зависит и от размеров облучаемой поверхности. С уменьшением поверхности облучения уменьшается и биохимический эффект. Так, при облучении дозой в 400 бэр участка тела площадью 6 см² заметного поражения не будет, а при облучении такой же дозой всего тела человека в 50 % случаев возможен летальный исход. Далее, степень поражения человека зависит от скорости выведения радионуклидов из организма человека. Если радионуклиды однотипны с нерадиоактивными элементами, которые человек обычно потребляет с пищей, водой (натрий, хлор, калий, кальций и т. д.), то радионуклиды, т. е. радиоактивные натрий (²²Na), хлор (³⁶Cl), калий (³⁹Ка), кальций (⁴⁰Са) и др., не задерживаются на долгое время в организме человека, а замещаются на однотипные нерадиоактивные элементы и выводятся из организма.

Некоторые радионуклиды, попадая в организм человека, распределяются в нем более или менее равномерно, другие же концентрируются в отдельных органах. Так, в костных тканях концентрируются радий, уран, плутоний — источники -излучений, стронций, иттрий — источники -лучей. Эти химические элементы очень трудно выводятся из костной ткани (период полувыведения стронция 50 лет).

Химические элементы, образующие в организме человека легкорастворимые соли, к которым относится цезий — источник -лучей, накапливаются в мягких тканях и достаточно легко выводятся из организма (период полувыведения цезия из организма 70 суток).

Когда речь идет о лучевых болезнях, это значит, что заболевания имеют характерные признаки. Во многих же случаях явного проявления заболевания нет — человек работает, живет на загрязненной местности, облучается и не подозревает об этом, так как излучения могут быть обнаружены только в результате инструментальных измерений. Известно, что после облучения резко сокращается количество лейкоцитов в крови человека, что приводит к сокращению плазменных клеток, вырабатывающих антитела. Антитела обеспечивают защитные реакции организма человека к заболеваниям. Особенно важна роль лейкоцитов в борьбе с раковыми клетками, что значимо на фоне действия образующихся онкогенов – ИИ и соединений тяжелых металлов. Таким образом, снижение лейкоцитов в крови человека приводит к снижению иммунитета человека к различным заболеваниям, в том числе простудного характера.

Далее, ионизирующие излучения могут разрушать генетический код человека, т. е. разрушать систему “записи” наследственной информации в молекулах нуклеиновых кислот. В случае разрыва связей между последовательными нуклеотидами может встретиться случай, когда это не приносит вреда — мало разрывов. Если же таких разрывов много, то молекулы теряют способность к восстановлению нарушенных связей и, следовательно, происходит нарушение генетического кода, т. е. нарушается передача информации потомству, происходят мутации организма. Следует отметить, что мутации происходят не в первом, а во втором, третьем поколениях.

Источником радиоактивного заражения выбросов в атмосферу из аварийного реактора явились продукты цепной реакции. В выбросах было обнаружено 23 основных радионуклида.

В первые минуты после взрыва и образования радиоактивного облака наибольшую угрозу для здоровья людей представляли изотопы так называемых благородных газов (ксеноны), но они быстро рассеиваются в атмосфере, теряя свою активность. Таким образом, радиоактивное заражение не образуется.В последующем воздействуют на людей коротко живущие радиоактивные компоненты, такие как Йод -131(8 суток). Затем воздействуют на организм долгоживущие изотопы, Цезий-137 и Стронций-90 (до 30 лет).

На фоне тугоплавкости большинство радионуклидов, такие как теллур, йод, цезий обладают высокой летучестью. Вот почему аварийные выбросы реакторов всегда обогащены этими радионуклидами, из которых йод и цезий имеют наиболее важное воздействие на организм человека и животный мир. Состав аварийного выброса продуктов деления реактора существенно отличается от состава продуктов ядерного взрыва. При ядерном взрыве преобладают радионуклиды с коротким периодом полураспада. Поэтому на следе радиоактивного облака происходит быстрый спад мощности дозы излучения. При авариях на АЭС характерно радиоактивное загрязнение атмосферы и местности легколетучими радионуклидами (Йод-131, Цезий-137 и Стронций-90), а, во-вторых, Цезий-137 и Стронций-90 обладают длительными периодами полураспада. Поэтому такого резкого уменьшения мощности дозы, как это имеет место на следе ядерного взрыва, не наблюдается.

И еще одна особенность. При ядерном взрыве и образовании следа для людей главную опасность представляет внешнее облучение (90-95% от общей дозы). При аварии на АЭС с выбросом активного материала картина иная. Значительная часть продуктов деления ядерного топлива находится в парообразном и аэрозольном состоянии. Вот почему доза внешнего облучения здесь составляет 15%, а внутреннего – 85%.

Итак, особенностями биологического действия ИИ на организм человека являются:

а) высокая чувствительность организма человека к ИИ, т. е. малые количества поглощенной энергии излучения могут вызвать глубокие биологические изменения в организме человека;

б) имеет место скрытый или инкубационный период проявления действия ИИ — период мнимого благополучия. Это период, когда человек не ощущает, что он уже облучен и заболевает, так как у него отсутствует механизм, регистрирующий облучение;

в) дозы облучения накапливаются в организме человека — кумуляция, и, несмотря на выведение из организма радионуклидов, накопление доз облучения может привести к лучевым заболеваниям;

г) ИИ обладают генетическим эффектом, т. е. оказывают влияние на развитие последующих поколений;

д) различные органы человеческого тела обладают различной чувствительностью к облучению и различные люди реагируют на облучение неодинаково;

е) действие ИИ на организм человека зависит от частоты облучения. Одноразовое облучение в большой дозе вызывает более глубокие изменения в организме человека, чем дробные, т. е. многоразовое облучение той же мощности.