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武器毁伤效应报告

归档日期:06-29       文本归类:毁伤效应      文章编辑:爱尚语录

  武器毁伤效应报告_工学_高等教育_教育专区。本文首先从微观角度介绍了核武器的物理学基础知识,包括原子核的基本结构、核反应、原子核的裂变与聚变等。接着介绍了、氢弹、中子弹等几种主要核武器的基本结构和特征。本文从微观到宏观角度详细阐述了核武器的内涵和外延,并总结了普通民众在遇到核爆炸时的自救自助措施,具有很重要的现实指导意义。

  核武器原理及核爆炸防护与急救措施 摘要 本文首先从微观角度介绍了核武器的物理学基础知识,包括原子核的基本结构、核 反应、原子核的裂变与聚变等。接着介绍了、氢弹、中子弹等几种主要核武器的基本 结构和特征。 引出核武器的基本原理和结构特征后, 从宏观角度介绍了核武器的五种主要爆 炸方式,并详细说明空中核爆炸、高空核爆炸、地面核爆炸、地下核爆炸与水下核爆炸的适 用条件及杀伤威力。接着从核爆炸的杀伤能力的角度出发,介绍冲击波、光辐射、早期核辐 射、放射性沾染、核爆电磁脉冲五个重要的造成杀伤破坏因素,最后给出五种爆炸杀伤破坏 因素的防护措施, 并介绍了普通民众在遇到核爆炸之后的个人防护与逃生指南。 本文从微观 到宏观角度详细阐述了核武器的内涵和外延, 并总结了普通民众在遇到核爆炸时的自救自助 措施,具有很重要的现实指导意义。 关键词 1.简介 原子核 核武器 杀伤半径 冲击波 光辐射 核爆电磁脉冲 核爆炸防护 1896 年法国物理学家贝可勒尔发现天然放射性现象,进一步研究表明使得感光胶片感 光的根源是硫酸钾铀(KUSO4)原子内部释放出一种肉眼见不到的射线 年,新西兰物 理学家卢瑟福利用元素 Po 放出的 ? 粒子( He )作为子弹去轰击氮原子,产生了 O 原 子,成功完成了热人类历史上第一次人工核反应。1932 年英国考克拉夫和瓦尔顿等物理学 家发明了高压倍增器,这是人类历史上第一次在加速器上实现核反应。20 世纪 30 年代,原 子核研究都还主要集中于核反应条件的控制之上。1939 年爱因斯坦牵头向美国政府建议研 制,很快美国政府开启了“曼哈顿计划” ,1945 年研制成功三颗。其中两颗原 子弹在日本的广岛和长崎爆炸, 结束了第二次世界大战。 苏联和美国分别于 1952 年 11 月和 1953 年 3 月宣布氢弹研制成功。 核武器是指利用自持核裂变和核聚变反应或者是两者兼有的瞬间释放出的巨大的能量, 产生爆炸作用, 造成大规模杀伤或者破坏效果的武器的总称。 我们常说的核武器主要是原子 弹、氢弹、特殊性核武器(比如中子弹、电磁脉冲弹、冲击波弹)等。 关于核武器还要明确一个重要的定义——TNT 当量和比威力。核武器的威力是指核爆炸 时释放的总能量,通常用“梯恩梯” (TNT)当量(简称当量)来表示。它的含义是指爆炸时 放出的能量相当于多少吨 TNT 烈性炸药爆炸时放出的能量。每公斤 TNT 炸药爆炸时可产生 420 万焦耳的能量,1 吨 TNT 相等于 4.2 千兆焦耳。按照核武器的爆炸威力来看,我们可以 给核武器进行以下分类: ? 特大威力核武器:100 万吨以上当量; ? 大威力核武器:10—100 万吨当量之间; ? 中等威力核武器:1—10 万吨当量之间; ? 小威力核武器:0.1—1 万吨当量之间; ? 特小威力的核武器:小于 0.1 万吨当量。 其中,中等威力的核武器称为战略型核武器,小威力、特小威力的核武器称为战术型核 武器,战术型核武器越来越受到各国的关注,并有派上战争用场的趋势。 所谓威力比是指每公斤重的核子弹所产生的爆炸威力, 即爆炸的总当量与核武器重量之 比,它是核武的一项极其重要的指标,从威力比的大小,可以看出核武小型化的水平,目前 俄、 美两国在百万吨当量以上的核子武器, 它的威力比水平约为每公斤弹头达到 2500~5000 212 4 吨当量, 20 万吨~100 万吨当量的核武威力比水平大约为每公斤弹头约 2200~2500 吨当量。 本文组织结构如下: 第二部分介绍核武器的物理学基础知识; 第三部分介绍几种主要核 武器的结构;第四部分介绍核爆炸的爆炸方式;第五部分杀伤破坏因素;核爆炸的防护与平 民应对核爆炸的急救自救方法将于第五部分介绍;最后总结全文。 2.核武器的物理学基础 核武器的出现是核物理学上一系列重大发现和发展的直接结果。 核武器的研究和制造是 以近代物理学对物质基本结构的探索成果和核物理学对原子核一系列性质的研究成果为基 础的。因此在讨论到核武器的结构原理、爆炸性能等一系列问题的时候,经常会用到一些关 于核物理的基础知识。为此,本部分介绍一些关于核物理的基本概念和术语,为后文介绍核 武器其他知识奠定基础。 2.1 原子的基本结构 原子由原子核和围绕原子核运动的电子构成。原子核带正电荷,电子是带单位负电 荷 e 的微粒,围绕原子核运动的电子数目正好等于原子核内所拥有的正电荷总数。原子 核外的电子不能任意地绕核运动,它们只能占据一些容许的轨道(或能级) 。电子在各 个能级上的实际排列方式叫做原子的电子组态, 每一个电子组态对应一个原子系统的能 量,其中能量最低的态叫做基态,能量比它高的态叫做激发态。原子的跃迁过程是指从 一个能量状态过渡到另一个能量状态,伴随着原子的跃迁过程是辐射的发射和吸收。 图 2-1 原子基本结构示意图 如图 2-1 所示,原子核由质子和中子组成,它处在原子的中心部位。质子和中子统 称为核子。质子带正电荷 ?e ,由 Z 个质子的原子核所带的电荷为 ? Ze 。中子为电中性 粒子, 不带电。 就原子而言, 原子核中的质子数 Z 与它外围的电子书 e 相等, 正负相抵, 因而原子对外不呈现电性。任何原子核都可以用两个数来表征:核子数(又称质量数) A 与质子数(又称电荷数) Z ,而相应的中子数 n ? A ? Z 。 原子的质量有绝对质量和相对质量两种表示方式,考虑到原子太轻,一般用相对质 量来表示。1960 年国际物理学会议和 1961 年国际化学会议通过决议,用碳原子 12 6C 的 1/12 作为原子质量单位,以符号 u 来标记。所谓相对质量就是相对于原子质量单位 u 的 质量。 1u 等于核电荷数为 6、质量数为 12 的中型碳原子 12 6 C 质量的 1/12 。 图 2-2 12 6 C 原子结构示意图 用原子质量单位 u 来标记原子的质量有一个突出的邮电,那就是任何原子的质量都 接近于一个正整数值, 这个整数值叫做原子的质量数 A 。 由于中子 n 的质量 mn 和质子 p 的质量 mp 差不多相等,且都接近于 1u : mn ? 1.008665u mp ? 1.007276u 所以在核物理中,原子核中的核子数也就是原子的质量数。电子的质量 me 很小,只有 ,因此可以算出质子的质量与电子的质量之比为 9.109534 ?10?28 g(0.00054858u) mp me ? 1836 。我们可以说原子核集中了原子 99.95% 以上的质量。 原子中电子壳层的大小决定了原子的大小。由于电子轨道具有波动性,其分布没有 明确的边界。 通常把分子和晶体中距离最小的两个相同原子的中心间距离的一半作为原 ( 1 ~ 2) ?10?10 m 之间。 子的半径。 不同原子的大小相差并不太大, 大多数原子的半径都在 原子核的半径只有几个 fm ,相差 5 个量级,可见原子核的半径不到原子半径的万分之 8 3 一,原子核内部结构非常致密, 12 6 C 原子核的密度大约为 2.4 ? 10 t/cm 。 2.2 核素 具有特定质子数 Z 和中子数 n 的原子核称为核素。 目前已经知道的核素大约有 2000 个,其中天然存在的只有 300 多个,人工制造的放射性核素有 1600 多个,这总共大约 2000 多个核素就是原子核物理学所研究的全部对象。 像元素周期表一样,可以用核素图来直观展示核素的分布情况。如下图 2-3 所示, 横坐标代表质子数,纵坐标代表中子数。 图 2-3 核素图 核素除了可以分为稳定核素和放射性核素以外,某些性质相近的核素还可以归纳为 另外几类: ? 同位素:具有相同的原子序数 Z ,但质量数 A 不同的一类核素。比如氕氘氚 234 2 3 U 与 238 U 。 (1 1 H、 1 H、 1H ) 、 ? ? ? 同中子异位素:具有相同的中子数 n ,但质子数 Z 不同的一类核素。 同量异位素:质量数 A 相同,但 Z 不同,从而 n 不同的核素。 同质异能素:质子数、中子数均相同,而能量状态不同的核素叫同质异能素, 85m 91m 113m 用质量数后加一个 m 表示,如 Kr、 Nb、 In 表示处于亚稳态的 Kr、Nb、In 核素。 2.3 原子核的衰变 核素图上用黑方块表示的稳定核素形成了一条窄带,在这条稳定带两侧,中子数或 质子数过多或偏少的核素都是不稳定核素,不稳定核素会自发地蜕变,变成为另一种核 素, 同时放出各种射线。 这种现象叫放射性衰变, 放射性衰变的类型主要包括 ? 衰变、 ? 衰变、 ? 衰变三种。 1. ? 衰变 ? 衰变是指原子核放出 ? 粒子即 4 氦核( 4 He )的衰变。通式为: 2. ? 衰变 ? 衰变可细分为 ? ? 、 ? ? 、轨道电子俘获三种衰变 公式如下 ? ? ? A ? X ? Z? 1Y+e +Ve 放出电子和反中微子,核武器中的重要聚变材料 氚就是 ? ? 放射性的。 ? A A ? Z X ? Z ?1Y+e +Ve 放出正电子同时放中微子( e 表示正电子,Ve 表示 A Z A Z X? A? 4 Z ?2 4 Y+ 2 He 中微子) A Z A ? X+ei ? ? Z ? 1Y+Ve ( ei 表示第 i 壳层电子) 天然放射性核素的 ? 衰变主要是 ? ? 衰变。 3. ? 衰变 原子核从激发态通过发射 ? 光子跃迁到较低能态的过程称为 ? 衰变。在 ? 跃迁 中原子核放射性衰变的重要规律之一是放射性原子核的数目随时间按指数规 律减少。初始时刻有放射性原子核 N0 个,而在 t 时刻衰减成为 N 个,则 N ? N0e??t ( ? 是衰变常数) 。 2.4 原子核反应 稳定原子核存在的事实说明,原子核内部存在强相互作用,也就是核力。核力是短 程力,只有在距离 10?15 m 或者更近时才能其作用。核力比电磁力大 10 量级,比 ( 1 fm) 2 万有引力大 10 量级。 原子核由质子和中子组成,但原子核的质量并不等于组成原子核的核子质量之和。 所有核素的原子核质量都比组成它的核子质量总和要小, 这个质量之差称为原子核的质 2 量亏损。按照著名的爱因斯坦质能关系式 E ? mc ,分立的核子结合成原子核时,亏损 的质量瞬间转换成能量释放出来。这也正是核武器之所以具有巨大威力的能量来源。 由于原子核与原子核或原子核与粒子(如中子 n、? 光子等)相互作用而导致原子 核发生变化的现象叫做原子核反应。原子核反应一般可表示为: 38 A? a ? B ?b A 表示靶核, a 表示入射粒子, B 为生成核, b 为出射粒子。 核武器物理中所涉及到的原子核反应主要包括以下几种: 1. 中子核反应:中子是中性粒子,与核之间不存在所谓的“库伦势垒” ,能量很 低的慢中子就能引起核反应。比如 235 U ? n ? 裂变碎片 ? ( 1 ~ 3)n ? 能量 D + D ? n ? 3 He + 3.25MeV D + D ? p + T + 4.03MeV T + D ? n + 4 He + 17.6MeV 3 2. 带电粒子核反应:如重要的聚变反应: He + D ? p + 4 He + 18.3MeV 2.5 裂变与聚变 原子核的裂变指重原子核分裂成为两个(在少数情况下,可分裂成为 3 个或更多) 234 235 质量相近的碎片的现象。 核武器中使用的裂变材料主要是铀和钚。 天然铀是 U 、 U 、 238 U 三种同位素的混合物,其主要成分是 238 U 。地壳中铀的含量高达百万分之四,比 金银都高,但是天然铀矿中铀的丰度太低,需要经过水治方法精制成天然铀的化合物, 然后再利用气体扩散法、离心法或者是喷嘴分离法等进行同位素分离。钚是通过在核反 238 应堆中用慢中子轰击 U 的方法而人工生产的。 目前所有的商用反应堆都增殖钚作为副 239 产品。钚的物理性质和化学性质与铀非常相似。在核武器中最常见的同位素是 Pu 。 239 Pu 裂变性能好,临界质量小,所以其核性能比 235 U 好,选用 239 Pu 作为的核 239 材料可以使得核武器具有当量大,体积质量小等突出优点,但是 Pu 的生产成本相对 较高、化学毒性大、有很强的α放射性核一定的 ? 放射性。 易裂变原子核一次裂变平均放出大约 200MeV 左右的能量和 2.5-3 个中子,这为核 能的利用提供了必要条件。但是只有新产生的中子引发其他的易裂变核发生裂变,从而 形成一个自动持续的反应链,才能使得核反应持续下去。这种现象称为链式反应,图 2-4 是链式反应示意图。 图 2-4 链式反应示意图。 依据每次裂变反应产生能引起下一级核裂变反应的平均初级中子数目,链式裂变反 应又可以分为平均自持链式裂变反应(平均数目为 1) 、发散型链式裂变反应(平均数 目大于 1)和收敛型链式裂变反应(平均数目小于 1)三种情况。核反应堆是自持链式 裂变反应,裂变核武器是发散型链式裂变反应。 原子核的聚变反应是指由两个较轻的原子核结合成一个较重原子核的反应过程。轻 核聚变反应有很多种,但从地球上的资源来说,最有意义的是如下几种反应。 D + D ? n ? 3 He + 3.25MeV D + D ? p + T + 4.03MeV T + D ? n + 4 He + 17.6MeV 3 He + D ? p + 4 He + 18.3MeV 6D ? 2n + 2p + 2 4 He + 43.15MeV 上述 4 个反应仅仅使用 6 个 D 核就可以获得 43.15MeV 的能量, 平均每个核子放能 235 3.6MeV ,相当于 U 裂变放能的 4 倍以上。因而轻核聚变反应比重核裂变更高效。氘 和氚是核武器中最重要的核聚变材料。氘可以由重水电解提取,而生产重水的原料就是 天然水,因此可以获得大量氘核资源。聚变反应时,原子核需要具备很大的初始能量去 冲破库仑斥力,才能互相撞击形成轻核。为了使原子核具有很大的初始能量,可以给核 8 8 系统提供 10 ℃ 以上的高温或者给核系统提供 10 atm 以上的压力, 爆炸爆心处可 7 10 以达到大约 10 ℃的高温和 10 atm 的压力, 能基本满足聚变反应条件。 现有各国服役的 核武器大都采取“氢弹带上”的结构形式,的爆炸来提供初始条件,从而 因此氢弹的爆炸。 3.核武器的基本结构 按照核装置的原理结构划分,可以分为、氢弹和特殊性能核弹。后者包括中 子弹、冲击波弹、感生放射性弹、核爆激励 X 射线激光器、核爆激励 ? 射线激光器、核 爆激励高功率微波武器等。本节主要介绍、氢弹和中子弹的结构。 3.1 的基本结构 枪式结构原理 枪式是靠几块均为次临界状态的核材料迅速合拢到一起,从而达到超临界状 态的。典型的枪式的结构如图 3-1 所示。 图 3-1 枪式结构示意图 “枪式”将两块半球形的小于临界体积的裂变物质分开一定距离放置,中子源位于 中间。 在核装药的球面上包覆了一层坚固的能反射中子的材料, 其作用是将过早跑出来的中 子反射回去,以提高链式反应的速度。在中子反射层的外面是高速炸药、传爆药和雷管,再 将雷管与起爆控制器相连接。 起爆控制器自动地起爆炸药。 两个半球形裂变物质在炸药的轰 击下迅速压缩成一个扁球形, 达到超临界状态。 中子源放出大量的中子使链式反应迅速进行, 并在极短的时间内释放出极大的能量。枪式的结构非常简单,工艺要求也相对较低, 缺点是所需核材料的质量多,核材料的利用率低,一般低于 10% 。 内爆式的结构原理 内爆式是靠高能炸药的爆炸强烈压缩核材料,使其密度升高从而达到超临界 状态的。内爆式的典型结构如图 3-2 所示。 图 3-2 内爆式结构示意图 内爆式的外型比较短粗,核装药不像枪式那样只有两块,而是许多块,它们 对称的分布在以中子源为中心的球面上,很像一个有皮块拼接的足球.在每块核装药的外面 装有中子反射层,再外面是高爆速炸药、 传爆药和雷管.所有雷管都与起爆控制器相连.当起爆 控制器按照预定的起爆时间发出的起爆指令时,所有雷管便同时引爆传爆药,所有炸药块同 时向里爆轰.每块核装药在炸药的爆轰下,受到压缩,并以很大速度向球心的中子源运动.核装 药在高速向球心靠拢时,相互碰撞,产生的高压使核装药在球心处达到高超临界.同时,球心的 中子源射出大量中子,链式反应开始,向外膨胀.在内外力量的夹击下,核装药体积达到最小,密 度最高,链式反应激烈进行,在不到几微秒的时间内,放出巨大能量,温度可达 3 ?107 ~ 4 ?107 ℃,压力高达数百亿个大气压(1 个标准大气压=101325 帕),其杀伤威力远在 枪式之上。 助爆式的结构原理 所谓的助爆技术,就是在裂变材料的中心形成一个较小的聚变反应,依靠聚 变反应所提供的高温、高压条件和大量中子增大裂变爆炸的威力。这种技术目前大量应 用于先进的核武器当中。 按照装置中心聚变材料的状态不同,助爆式又分为“气体助爆”和“固体助 爆”两种形式。所谓的气体助爆指的是聚变材料在武器中以氘、氚的形式存在,而固体 助爆则是指聚变材料在武器中以某种固态化合物的形式存在。 3.2 氢弹的基本结构 氚和氘是最容易发生聚变反应的核素,所以一般的氢弹都选用氘和氚作为核燃料。 按照武器中氚氘材料物理状态的不同,氢弹可以分为湿式氢弹和干式氢弹两种。 “湿式”氢弹 图 4-2 所示为湿式氢弹的结构原理图。在氢弹弹壳里装有液态的氚和氘(湿式氢弹 由此而得名) ,这是氢弹的聚变核装药,另外还有三块互相分开的铀或钚块,它们是原 子弹的核装药,此外还有高能炸药和引爆装置。 图 4-2 湿式”氢弹结构示意图 当雷管引起高能炸药爆炸时,就将分开的铀(钚)块推到了一起,达到临界质量(枪 式! ) ,产生爆炸,爆炸产生的高温和高压环境又为轻核的聚变反应创造了 前提条件。由于高温和高压,氚和氘的核外电子都离开原子核跑掉了,成为一团由原子 核和自由电子所组成的气体 (等离子体) , 此时氚和氘以高速互相碰撞, 产生聚变反应, 放出大量的能量,形成了氢弹爆炸。 湿式氢弹存在以下两个缺点:氚和氘在常温和常压下都是气态,密度很小,只有在 低温或高压条件下才能成为液体, 因此必须放在笨重的冷藏容器中, 增大了氢弹的体积。 此外氚的成本非常高,半衰期则比较短,致使武器价格昂贵,且无法长久储存。 干式氢弹 由于湿式氢弹具有明显的不足,所以人们又致力于寻找替代液态氘和氚的热核材料。 无须冷藏的固态化合物 6 LiD 是一种理想的热核材料, 6 Li 可以在中子的作用下发生造 氚反应: n ? 6 Li ? T ? 4 He ? 4.78 MeV 反应生成的氚又可以与氘进行以下的聚变反应: T + D ? n + 4 He +17.6 MeV 因此使用 6 LiD 可以降低氢弹体积和重量从而减低了成本。 图 4-2 是一枚典型的干式氢弹结构原理图。 干式氢弹的爆炸过程为:在引爆信号的作用下,高能炸药首先爆炸,压缩为与装置 中心部位的裂变材料铀或钚,使其达到超临界状态,形成链式反应;反应释放出大量的 能量,压缩位于其外部的聚变材料 6 LiD ,由于这时相当于在 6 LiD 材料的内部爆炸了一 颗,爆心处产生了上百亿个大气压和数千万度的高温,因而 6 LiD 的密度大大提 高,进而发生了上述的两个轻核反应,形成猛烈的氢弹爆炸。 三相氢弹 上面所说的两种氢弹,其核爆过程都是只包括裂变和聚变两个阶段,所以一般称之 238 为“两相弹” 。三相弹与两相弹的区别就在于三相弹内加入了大量的可裂变装药 U 。 238 U 原子核需要在能量大于 1.4 MeV 的中子引发下才能发生裂变放能反应, 而在一 般的情况下,裂变中子的能量仅为 1 MeV 的量级,所以中不能用 U 作为裂变 材料,因为它不能形成链式反应。但是在氢弹中,大量的 D、T 反应放出了大量的高能 238 中子,这些中子的能量足以使得 U 裂变放能。 238 在氢弹中加入 U 材料后,既可以提高氢弹的力学性能,延缓系统的瓦解时间,争 取更多的核反应时间,又可以在高能中子的作用下发生裂变放能反应。这种氢弹的核反 应过程包括裂变-聚变-裂变三个反应过程,所以称之为“三相弹” 。 “三相弹”的爆炸过程为:在引爆信号的作用下,(钚弹)首先发生裂变反 应,释放出大量能量;爆炸造成的高温高压环境引起 6 LiD 的反应;反应放出大 238 量的高能中子,又引起 U 的裂变放能反应。三种反应相互促进,从而释放出巨大的能 量,完成氢弹的爆炸过程。 238 3.3 中子弹 中子弹是小型化的氢弹,但又不是简单的氢弹按比例的缩小。为了获得强大的中子 射流,减少冲击波与光辐射等效应所占的比例,中子弹在结构、选材上也有其独特的一 面: 235 1. 裂变扳机,为了有利于小型化,中子弹的裂变扳机一般不使用 U 核材料,而 239 是使用高纯度的、裂变性能更好、临界质量更小的 Pu 核材料。 9 9 238 2. 用 Be 作为中子反射层而不是传统的钢或 U 等材料。 Be 作为中子反射层可 以有效地减少中子弹的体积和质量,可以增大中子产额,降低核爆炸火球的温 度,从而减少冲击波、光辐射效应,提高中子射流的效应。 3. 热核装料采用高密度的 D、T 混合物。 可以避免 6 Li 造氚反应吸收中子,带来的 中子射流减小的现象。 图 4-3 中子弹结构示意图 4.核爆炸方式 核爆炸同常规炸药爆炸一样,都是在有限体积内瞬时释放出大量能量的过程,只不 过前者释放的能量更大、能量密度更高而已。 按照爆炸的方式区分,核爆炸通常可以分为空中爆炸、地面爆炸、地下爆炸、水面 爆炸和水下爆炸。其中,空中爆炸又可以分为低空爆炸、中空爆炸、高空爆炸和超高空 爆炸。空中核爆炸发生后,先是产生发光火球,继而产生蘑菇云,这是核爆炸的典型景 象。 核武器在距地面一定高度的空中爆炸时,高温高压的爆轰产物迅猛向四周膨胀,并 以射线辐射加热周围的冷空气,形成具有极高温度的热空气团。这个热空气团称为高温 火球。火球一面向外发出光辐射,一面迅速膨胀。当温度下降到 3?105 K 时形成向四周 运动的冲击波。冲击波形成后,火球内部的温度分布是表面低、向内逐渐升高,火球里 面有一个温度均匀的高温核。冲击波阵面温度降低到略高于 2000 K 时,冲击波脱离火 球,并按力学规律向外传播,而后其波阵面不再发光。 火球熄灭后形成上升的烟云。由于冲击波在爆心投影点附近地面的反射和负压力的 抽吸作用使得地面掀起巨大尘柱,上升的尘柱和烟云相衔接,形成高大的蘑菇状烟云, 简称蘑菇云。 空中核爆炸 距地面一定高度上(小于 30 KM )发生的核爆炸。爆炸瞬间先出现强烈明亮的闪 光,之后形成不断增大和发光的火球。冲击波经过地面反射回到火球后使火球变形,呈 上圆下扁的“馒头”状,最后,从地面升起的尘柱和烟云共同形成高大的蘑菇云。 高空核爆炸 在距地面高度大于 30 KM 外的核爆炸,火球大体上是一个竖直椭球,其膨胀、上 升速度和最大半径都比空中核爆炸时大的多。当爆炸高度大于 100 KM 时,因核爆炸 X 射线 KM 的高度形成发光暗淡的“圆饼” 。 地面核爆炸 与空中核爆炸基本相似,地面核爆炸的特点是:火球呈半球形,烟云与尘柱一开始 就连接在一起上升,并向四周抛出大量碎石,形成弹坑。 地下核爆炸 在地面以下有一定埋设深度处的爆炸称为地下核爆炸。在地下核爆炸的情况下,爆 炸能量使得爆源附近的岩石介质迅速熔化和气化而形成高温高压气球。 高温高压气球迅 速向外膨胀,推动周围介质,形成空腔,并在介质中形成向外扩展的冲击波和应力波, 冲击波压缩介质并推动它向外运动。爆炸产生的冲击波效应是主要的研究对象。 水下核爆炸 在一定水深中发生的核爆炸称为水下核爆炸,水下核爆炸也会形成火球,但规模要 比空中核爆炸小,发光时间也短得多。火球熄灭后在水中形成猛烈膨胀的气球,引起水 中冲击波,气球上升到水面时,抛射出大量蒸汽,同时有大量水涌入,形成巨大水柱。 水柱下沉时,形成由水滴组成的云雾,从爆心投影点向周围快速运动,而在投影点上空 产生的云团随风飘移,会造成持续的大雨。 5.核爆炸的杀伤破坏因素 核爆炸的杀伤破坏因素包括冲击波、光辐射、早期核辐射、核爆电磁脉冲和放射性 污染。前四者都只在爆炸后几十秒钟的短时间内起作用,后者能持续几十天甚至更长时 间。在大气层核爆炸的情况下,裂变武器的爆炸能量中冲击波约占 50% ,光辐射约占 35% ,早期核辐射约占 5% ,放射性污染中的剩余核辐射约占 10% ,核电磁脉冲仅占 0.1% 左右;对于主要为聚变反应的核武器,剩余核辐射所占的比例则少得多。 裂变弹和中子弹爆炸时各种能量的分配如图 5-1 所示。 图 5-1 中子弹头与裂变弹头爆炸时的能量分配 5.1 冲击波 爆炸时产生极高的温度和几百亿个大气压,形成高温高压的火球,在这种高压力的 作用下,火球必然猛烈地向外膨胀,急剧地挤压周围的空气,并推动其向前运动,使它 以极快的速度向四周扩散而形成冲击波。 冲击波的典型结构如图 5-2 所示 图 5-2 冲击波的典型结构图 冲击波形成后,便从爆心处开始以超音速向四周传播,开始时可以达到每秒数公里 以上, 随着距离爆心越远, 传播速度逐渐降低, 最后接近声速, 冲击波也就逐渐消失了。 冲击波的超压是指当冲击波通过某区域时,该区域超过正常大气压的那部分压力。 当冲击波阵面到达的那一瞬间,气流速度最大,这种高速空气流产生一种冲击压力,称 为冲击波动压。 冲击波对人员或物体都具有较大的杀伤破坏作用。超压可以造成人员的肺、肠道、 耳鼓膜等脏器损伤,如肺出血、肺水肿、耳鼓膜出血或破裂等。动压可以将人吹倒或抛 掷到空中,从而造成死亡或损伤。由于受冲击波的作用,建筑物、工事等破坏倒塌,也 会对人员造成损伤,这与外科创伤基本相同。 冲击波对物体的破坏通常以迎着冲击波的一面最重,侧面较轻。因而迎面大的物体 更容易受到破坏,而迎风面小的物体破坏就比较轻。半地下建筑物就比地面建筑物少遭 受破坏,地下建筑物就可以避免破坏,圆形或流线型的建筑物也少遭受破坏。 5.2 光辐射 核爆炸时,在爆炸反应区内可产生几千万摄氏度的高温,即可发出淡蓝色而耀眼的 闪光,紧接着形成一个炽热而明亮的火球。在整个发光过程中,火球的表面温度最高可 达 9000℃以上,近似或超过了太阳的表面温度,并像太阳一样,从火球表面发射出强 烈的光和热,这就是光辐射。当火球表面温度下降到 1500 ~ 2000℃ 以下时,火球便停 止发光,变成烟云团,光辐射也就结束了。 光辐射的性质和太阳光相似,它由可见光、红外线、紫外线等组成,以光速直线的 向四周传播。光辐射照到物体上时,一部分被吸收,一部分被反射,只有被物体吸收的 那部分能量才会对物体起破坏作用。物体吸收辐射后,温度变会升高,当温度达到物体 的熔点或燃点时,物体就会融化或点燃。 光辐射能引起人员的直接烧伤和间接烧伤,直接烧伤是指光辐射直接照射到人体上 引起的烧伤,间接烧伤是指建筑物、工事、服装着火后,由火焰引起的人员烧伤。光辐 射对物体的破坏也很严重,它能引起依然物燃烧,或者使某些物质熔化。在城市中易燃 物品较多,光辐射可以造成大面积火灾。比如,日本建筑多木制结构,美国在广岛投掷 “小男孩”后引起了城市大火。 5.3 早期核辐射 早期核辐射是核武器特有的杀伤破坏因素,也是核武器区别于其他武器的最主要特 征 。它是核武器爆炸时最初几十秒钟内放出的射线,具有较强的穿透能力,能穿透人 体和一定厚度的物体,所以又叫贯穿辐射。早期核辐射主要包括γ射线和中子,γ射线 主要有两个来源:一个是裂变产物放出来的;另外是空气中氮原子核吸收中子后放出来 的。中子主要是核材料在裂变反应时产生的。其次是某些裂变产物的衰变过程中也发射 中子。早期核辐射对人员的杀伤和对物体的破坏,主要是由于它具有很强的穿透能力, 能穿透人体组织和物体内部,使人体组织和物体的分子和原子电离。 早期核辐射对人体的损害程度决定于人员受到照射量的大小,人员在短时期内收到 过量的照射后,会引起急性放射病。早期核辐射对大多数物体都没有破坏作用,但会使 某些物体改变性能或失效。例如使摄像胶片感光,使光学玻璃变暗,使半导体元件改变 电性能,使一些药品失效等。 5.4 放射性沾染 核爆炸时产生大量的放射性物质,在重力的作用下逐渐降落到地面上或悬浮在空气 中,使地面、水面、空气和物体表面受到沾染,由于这种沾染是放射性尘埃造成的,因 此叫放射性沾染。放射性沾染包括早期落下灰和延迟性落下灰。其中早期落下灰造成的 伤害更大一些,早期落下灰主要有三个来源: 1. 裂变产物,这是放射性沾染的主要成分,也是放射性落下灰的主要成分。 2. 感生放射性物质,主要指弹壳、土壤和其他本来没有放射性的物质,在中子的照 射下变成了放射性物质。 3. 未裂变的核装药,指核爆炸时没有来得及进行裂变反应就被炸散了的那部分 235 U 和 239 Pu 等重核材料。 放射性沾染对人体伤害作用的性质与早期核辐射相似,都是由射线引起的损伤。 但是放射性沾染的作用时间要比早期核辐射长的多。早期核辐射对人体的作用 方式只有体外照射一种,但是放射性沾染除了体外照射以外,还有体内照射, 即通过空气、食物、水等途径进入呼吸道或消化道。 5.5 核爆电磁脉冲 核爆炸时的早期核辐射与周围介质相互作用,可以产生许多次级效应,核爆电磁脉 冲就是其中重要的一种。它与天空中打雷时的闪电所发射的电磁波信号类似。电磁脉冲 是一种强度很高、频率宽广的电磁波脉冲信号,它是由核爆炸时爆心周围的电荷和电流 的不均匀分布造成的。 核爆电磁脉冲有以下几个主要特点: 第一, 它的电场强度很高,在距离爆心几公里的范围内,电场强度可以达到每米几 千伏到几十万伏,比雷电至少大 1000 倍以上。 第二, 它所占据的频率范围非常宽广,从极低频率到超高频率,可以把绝大部分电 子设备的工作频段覆盖住,故覆盖率高。 第三, 它的作用范围大,由几百公里到几千公里,如一枚百万 t 的核装置在高空爆 炸,可以在半径 1200 KM 的地面上产生每米数万伏的电磁脉冲场,远远超 过其他四种杀伤破坏因素的作用范围。 第四, 传播速度快,它几乎在核爆炸的同时就以光速向外传播,在核爆炸后的极短 时间里,就能传到很远的地方。 电磁脉冲对人员以及非电子设备都不会造成什么伤害,但是对电子元气件、电子线 路以及电子设备等却可以造成极大的干扰和破坏。其破坏作用可以分为两类:一类是电 子设备功能损坏;另一类是工作干扰。这两种破坏作用对雷达、计算机、飞行中的导弹 等都是非常危险的因素,为此就要对电磁脉冲进行防护。当前各国大力研究的“抗核加 固”工作就是为了解决这些问题的。 6.核爆炸的防护与急救 关于冲击波的防护 虽然冲击波的破坏力很强,但也是可以防护的。 冲击波的动压是沿着地面水平方向传播的。因此,凡是利用能阻挡冲击波传播、或 低于地面的地形地物的背向爆心的一面隐藏起来,都能够减少遭受动压的伤害,就像人 们利用地形地物躲避大风一样。超压则必须躲进密封的工事或地下建筑物才能避免。冲 击波的传播速度比光幅度慢的多,所以看到闪光后立即利用地形地物或进入工事隐藏, 是完全来得及的。 光辐射的防护 核爆炸时,光辐射虽然较强,但作用持续时间不长,还是可以防护的。 光辐射沿着直线传播的,可以被不透明的物体所遮挡。因此,凡是能用挡住光线而又不 易燃烧的物体挡住身体,如躲到土墙、树木、沟渠、土丘、路基等地形背后,都可以减 轻光辐射烧伤,最理想的办法当然是进入带盖的工事及地下掩蔽部内。在野外的人员要 尽快用白布、浅色衣服遮挡住身体的暴露部位,背向爆心迅速卧倒,绝对不要用眼睛直 接看火球。 早期核辐射与放射性沾染的防护 早期核辐射虽然具有很强的穿透能力,能穿透各种物质,但又可以被各种物质所削 弱。对γ射线来说,物质的密度越大,物质越厚, ? 射线通过他们时被削弱的就越多。 中子则不同,轻元素对它有明显的削弱作用。例如 10 ~ 13 cm 厚的坦克装甲可以阻挡 90% 的 ? 射线,对中子则仅仅能阻挡 20%~35% ,而含有大量轻元素的湿土和混凝土却 能很好的防护中子。 38 cm 厚的湿土和 25 cm 厚的混凝土能阻挡 90% 的中子。 因此人员只要隐蔽在有一定厚度的这些物质掩盖的工事内, 就可以避免或减轻早期核辐 射的伤害。 对放射性沾染的防护与对早期核辐射的防护基本类似。为了避免皮肤沾染和体内照 射,可以穿戴防护用具。 电磁脉冲的防护 电磁脉冲对人员以及非电子设备都不会造成什么伤害,但是对电子元气件、电子线 路以及电子设备等却可以造成极大的干扰和破坏。针对电磁脉冲对电子设备的损害,可 采用的防护措施主要包括以下三种: 1. 一是从根本上改进电子元气件的性能,使其在核爆炸环境中也能正常工作。 2. 二是改进电子线路或把电子线路、电子设备屏蔽起来,不受核爆炸的干扰。 3. 三是“回避” ,即得知核爆炸即将发生时,提前关闭电子设备的电源,就像打 雷天要把收音机关上一样。 平民遇到核爆炸时的个人防护 TED 公开课伊文· 雷德莱纳教授的观点 假设有一个一万吨级当量的核弹(比广岛爆炸的“小男孩”核弹小一点)在上图红 色位置正中心处爆炸。模拟实验表明距离爆炸中心 0.5 英里的范围(红色圆形区域)内 所有生命都会立刻死亡,如果位于爆心位置则会在 9000℃的高温下瞬间汽化。距离爆 炸中心 2 公里范围(黄色区域)内有 50% 的概率生存下来,距离爆心八英里立即死亡的 概率在 10%到 20%。 核爆炸发生时千万不要直视爆炸现场,否则会暂时失明或者永久性失明,爆炸发生 时, 为防止肺和耳膜爆裂, 应张开嘴。 爆炸后一条最明显的急救原则是迅速远离爆炸中心。 核弹爆炸后,红色区域温度高达数千度,并且以极高的热能、强烈的辐射以及剧烈的爆 炸等形式迅速从爆炸中心向外扩散。 黄色区域内冲击波会产生一股像龙卷风一般的风暴, 摧毁所有爆炸中心附近的建筑,爆炸后只有 10 到 20 分钟的逃生时间,逃生时间的长短 具体取决于爆炸规模以及距离爆炸中心的距离。不管多远,一定要在升起的蘑菇云带来 的致命强辐射到来之前逃离黄色区域。 爆炸发生一段时间以后,放射性尘埃会逐渐落下,24 小时内将随着盛行风飘散,比 如爆炸区域盛行东北风,那么放射性尘埃将向东北方飘去。如果受害者处于如下图 6-2 黄色箭头所指位置附近,应该立即沿着垂直于风的方向逃离,如果垂直方向不便同行, 可以顺着风向迅速逃离,等到合适区域在沿着垂直风向的方向逃离,注意用浅色物质遮 挡住身体裸露部位,尽可能地用东西盖住自己的皮肤以及口鼻,尽量避免与空气直接接 触。 图 6-2 爆炸示意图 2 如果不能迅速离开,可以寻找合适的避难场所,避难场所是厚墙没窗户少门的隐蔽 体,地下室或者高楼都是可行方案,如果是高楼的话,楼层越高越安全,最好在 10 楼 以上躲避。选择在避难场所中躲避时,至少需要待 48 到 72 小时 ,等待外界告知安全才可 以出来。 图 6-3 核辐射尘埃飘移区域 概括来说,伊文· 雷德莱纳教授的观点主要集中在以下四点: ? 爆炸发生时,切记不要直视爆炸现场,必须张开嘴,以防止肺和耳膜爆裂 ? 爆炸发生后应该迅速远离爆炸现场 ? 蘑菇云升起后,为防止放射性尘埃飘移带来的辐射影响,应沿着垂直于盛行风向的 方向逃离核爆区域,在逃离过程中需要尽可能地用东西盖住自己的皮肤以及口鼻等 暴露部位。 ? 远离核爆区域后,立即换下被污染衣服,冲澡时间不短于 30 Min,尽快去除身上的 放射性污染。 7.结论 本文首先从核武器的基本发展历史开始介绍,引出核武器的定义和相关概念。在介 绍了核武器物理基础知识后,给出了核武器的基本结构,然后详细介绍了空中核爆炸、 高空和爆炸、地面核爆炸、地下核爆炸、水下核爆炸等爆炸方式。之后介绍了冲击波、 光辐射、早期核辐射、放射性沾染、核爆电磁脉冲等杀伤破坏因素的形成原理和破坏作 用。最后根据核爆炸的杀伤破坏因素分别介绍了各种破坏因素的防护措施,并总结了普 通民众在遇到核爆炸时应该采取的防护措施,具有非常重要的现实指导意义,能提高平 民生存概率,减少不必要的伤亡。在论文撰写过程中搜集了大量的资料,通过本论文的 撰写,对核武器的原理及造成的伤害影响有了比较完备的理解,特别是最后一部分关于 平民对核爆炸的急救应对措施的撰写,提高了对核爆炸的防护方法和生存技巧的理解。 参考文献 [1] 郑治仁. 核武器的原理与分代 (一)[M].兵器知识, 8 (2001): 012. 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