RODZAJE WYBUCHÓW JĄDROWYCH

Zależnie od miejsca, w którym nastąpił wybuch jądrowych rozróżnia się:

• wybuchy powietrzne (na wysokości od kilkuset do kilku tysięcy metrów nad ziemią);
• powierzchniowe (na powierzchni ziemi i wody lub na wysokości kilkudziesięciu metrów);
• podziemne i podwodne (na głębokości do kilkuset metrów).

Zjawiska bezpośrednio związane z wybuchem jądrowym, takie jak podmuch, wstrząs, promieniowanie cieplne i jądrowe, zmieniają się w zależności od położenia punktu wybuchu w stosunku do powierzchni ziemi. Wybuchy te różnią się między sobą sposobem działania porażającego. Najsilniejsze działanie porażające mają wybuchy powietrzne. W wybuchach naziemnych znaczna część wydzielającej się energii zostaje zużyta na rozrzucenie ziemi, w skutek czego zmniejsza się promień działania wybuchu. W wybuchach podziemnych wyzwolona energia zostaje zużyta na stopienie skały, a rozprzestrzenianie się powstających substancji promieniotwórczych następuje w niewielkim stopniu. Podobnie rzecz się ma w przypadku wybuchów podwodnych, w których większość powstałej energii zużywa się na ogrzanie mas wody, co znacznie zmniejsza skutki wybuchu na powierzchni[3].

Wybuch jądrowy, jak już wcześniej zostało powiedziane, zachodzi w wyniku rozszczepienia uranu, co prowadzi do wydzielenia olbrzymich ilości energii, w bardzo krótkim czasie ok. 10-6s, w niewielkiej objętości materii. W rezultacie produkty rozczepienia, obudowa i inne części broni oraz otaczające powietrze zostają ogrzane do nadzwyczaj wysokiej temperatury tzn. kilku milionów stopni. W wyniku tak wysokiej temperatury w czasie wybuchu jądrowego wszystkie materiały przechodzą w fazę gazową. Ponieważ objętość początkowa gazów powstających w chwili wybuchu ograniczona jest wielkością bomby, powstaje ogromne ciśnienie kilku miliardów atmosfer. W pierwszej fazie po wybuchu bomby tworzy się ognista kula niezwykle gorących gazów, o ogromnym ciśnieniu. Kula ta bardzo szybko rozszerza się, przy czym zmniejsza się jej temperatura, ciśnienie a tym samym i jasność świecenia. W skład kuli ognistej wchodzą radioaktywne produkty rozczepienia uranu lub plutonu, oraz różne składniki bomby.

Kula unosząc się do góry, pociągając za sobą ziemię i pył, tworząc tzw. komin wybuchu. Jednocześnie kula ochładza się, jej pary ulegają kondensacji i zmienia się ona w chmurę promieniotwórczą, która składa się głównie z bardzo małych cząstek radioaktywnych produktów rozszczepienia i materiałów bomby, kropel wody, oraz większych cząstek kurzu i gruzu uniesionego przez prąd wstępujący. Po osiągnięciu poziomu, na którym gęstość chmury jest taka sama jak gęstość otaczającego ją powietrza, lub po osiągnięciu dolnej warstwy stratosfery, część chmury dzięki zmniejszeniu prędkości wznoszenia zaczyna rozszerzać się poziomo i chmura wraz z kominem przybiera charakterystyczny kształt grzyba. Rozmiary i wysokość chmury zależą od mocy wybuchu. Dla najsilniejszych wybuchów jądrowych o mocy milionów ton TNT wierzchołek chmury sięga stratosfery. Po kilkunastu sekundach od chwili wybuchu powstaje fala wysokiego ciśnienia, która rozwija się na zewnątrz kuli ognistej, jest to fala uderzeniowa. Front fali zwany czołem fali uderzeniowej przesuwa się gwałtownie w kierunku zewnętrznym kuli ognistej zachowując się jak ruchoma ściana silnie sprężonego powietrza. Fala uderzeniowa padając na powierzchnie ziemi ulega odbiciu. W przypadku wybuchu powierzchniowego, fala padająca i fala odbita nakładają się natychmiast, tworząc półkoliste czoło fali uderzeniowej tzw. falę Moha. Względny wzrost ciśnienia w stosunku do normalnego ciśnienia atmosferycznego na czole fali Moha jest na ogół około dwukrotnie większy niż ciśnienie na czole padającej fali uderzeniowej. [2,3].

Wiele zjawisk i efektów wybuchu powierzchniowego jest podobnych do tych, jakie występują przy wybuchach powietrznych. Istotna różnica między wybuchem powierzchniowym i powietrznym polega na tym, że wybuch powierzchniowy tworzy chmurę radioaktywną zawierającą więcej pyłu. Ten ostatni składa się z cząstek o różnej wielkości, od bardzo małych tworzących się podczas stygnięcia kuli ognistej, do dużych odłamków, które zostały uniesione przez wiatry powierzchniowe. Skład chmury zależy oczywiście od rodzaju terenu i od wielkości jego obszaru zetknięcia się z kulą ognistą.

Wybuchy podwodne również cechują pewne charakterystyczne zjawiska, których rozmiar zależy od wydajności energetycznej bomby oraz obszaru, masy i głębokości wody, na której miał miejsce wybuch. Poniższy opis oparty jest na obserwacjach dokonanych podczas próby BAKER na Bikini w 1946 roku. W doświadczeniu tym wybuch bomby 20-kilotonowej miał miejsce płytko pod wodą. W wybuchu podwodnym bomby jądrowej, tak jak w wybuchach powietrznych czy powierzchniowych również tworzy się ognista kula. Świecenie kuli podczas doświadczenia BAKER było obserwowane przez warstwę wody przez kilka tysięcznych sekundy. Blask ognistej kuli przestał być widoczny z chwilą, gdy kula osiągnęła powierzchnię wody, ponieważ nastąpiło ochłodzenie i rozprężenie się tworzących ją gazów.

W trakcie gwałtownego rozprzestrzeniania się pod wodą gorących gazów powstaje fala uderzeniowa. Ślad tej fali, poruszającej się na zewnątrz od punktu wybuchu, widoczny jest na gładkiej powierzchni wody jako przesuwający się bardzo szybko krąg o białym zabarwieniu. Krąg ten powstaje na skutek tworzenia się na niewielkiej wysokości od powierzchni wody, warstwy emulsji powietrzno-wodnej. Zjawisko to nazywane jest otoczką.

Bezpośrednio po pojawieniu się otoczki, nad punkt wybuchu zostają wyrzucone: słup wody i masa pyłu wodnego tworząc chmurę kondensacyjną w kształcie kopuły. Zjawisko to jest wynikiem odbicia fali uderzeniowej od powierzchni. Wysokość tworzącej się kopuły zależy od energii wybuchu i od punktu wybuchu bomby. W przypadku wybuchów głęboko pod wodą kopuła może być niewidoczna nad powierzchnią wody.

Podczas wybuchu na małej głębokości kula ognista pozostaje nienaruszona aż do chwili wzniesienia się jej do powierzchni wody. Po jej osiągnięciu gazy, zawierające trochę wody, zostają wyrzucone w atmosferę. Z chwilą gdy ciśnienie kuli zmniejsza się woda wypełnia jej wnętrze. W rezultacie tych zjawisk woda wznosi się w postaci pustego w środku cylindra albo komina. Radioaktywne produkty kuli ognistej przenikają środkiem tego słupa, tworząc na szczycie chmurę radioaktywną w kształcie kalafiora. W skład chmury wchodzą produkty rozszczepienia, pozostałości bomby, jak również duże ilości rozpylonej wody. Utworzona chmura radioaktywna ma niesymetryczny kształt, a wysokość jaką osiąga jest mniejsza niż wysokość osiągana przez chmurę radioaktywną po wybuchach powietrznych.

Woda ze słupa wodnego, a także pył wodny opadając wywołują powstanie olbrzymiej fali, całkowicie otaczającej podstawę słupa wodnego, zwanej falą u podstawy. Składa się ona z kropelek wody i jest podobna do chmury pyłu wodnego jaki powstaje u podstawy wysokich wodospadów. Chmura pyłu wodnego, pochodząca z tej fali, szybko wznosi się ku górze i równocześnie porusza się w kierunku poziomym z prędkością początkową powyżej 1.5 km/min. W miarę upływu czasu prędkość poruszania się fali u podstawy coraz bardziej maleje i fala uniesiona wysoko nad powierzchnią wody zaczyna zlewać się z chmurą radioaktywną.

Po kilku minutach chmura pochodząca z fali u podstawy przekształca się w zbiorowisko wielkich chmur typu strato-cumulus, o rozmiarach dochodzących do kilku tysięcy metrów. Z chmur tych mogą powstać średnie, a nawet duże opady deszczowe, przesuwające się w kierunku działania wiatru.

Kula ognista utworzona podczas wybuchu podziemnego składa się z niezwykle gorących gazów stanowiących pozostałości bomby oraz cząstki gleby w postaci pary. Gazy te znajdują się pod wysokim ciśnieniem, a rozprężając się, unoszą ze sobą duże ilości ziemi i skał tworząc cylindryczny słup. Ponieważ bardzo duża ilość ziemi zostaje wyrzucona w czasie wybuchu, powstaje po niej krater o bardzo dużych wymiarach. Objętość krateru i ilość ziemi wyrzuconej ku górze siłą wybuchu wzrasta mniej więcej wprost proporcjonalnie do energii bomby.

Kiedy słup ziemi wyrzucony przez wybuch bomby jądrowej pod ziemią zaczyna opadać, w wielu wypadkach wytwarza się rozszerzająca się chmura, złożona z małych cząstek ziemi podobna do tej, która powstaje z fali u podstawy zaobserwowanej w wybuchach podwodnych.

Gwałtowne rozprężanie się kuli ognistej utworzonej w wyniku wybuchu podziemnego, wywołuje powstanie fali uderzeniowej w otaczającym gruncie. Działanie to jest podobne do przeciętnego trzęsienia ziemi. Przyczyną różnic jest nieznaczna odległość źródła wstrząsu od powierzchni ziemi, co jest przyczyną tego, że ciśnienie fali uderzeniowej maleje ze wzrostem odległości dużo szybciej niż ma to miejsce przy trzęsieniu ziemi. Ponadto energia wybuchu jądrowego i czas trwania fali uderzeniowej są mniejsze niż w przypadku trzęsienia ziemi[2].

Od 1963 roku, tj. od chwili podpisania Układu Moskiewskiego obowiązuje zakaz przeprowadzania doświadczalnych prób jądrowych w atmosferze, które to wybuchy są najbardziej niebezpieczne i powodują największe skażenie radiologiczne środowiska. Zakaz ten nie obejmował wybuchów podziemnych, co do których wysunięto szereg projektów pokojowego ich wykorzystania np. do sporządzania podziemnych zbiorników na produkty naftowe (znacznie tańszych niż zbiorniki konwencjonalne), do wykonywania robót ziemnych w wielkiej skali, do uzyskiwania energii cieplnej, odsalania wody morskiej i in.[3].Od tego momentu najwięcej przeprowadzono podziemnych prób jądrowych na głębokościach, przy których dla bomby o określonej mocy zjawiska na powierzchni ziemi podczas wybuchu nie były obserwowane.

Poniższy opis opiera się na obserwacjach poczynionych przy podziemnych próbach jądrowych w skałach bazaltowych na atolu Mururoa i Fangataufa.

Podziemny wybuch jądrowy w ułamku milisekundy generuje intensywne ciepło i wysokie ciśnienie. Skały wulkaniczne w bezpośrednim sąsiedztwie wybuchu zostają stopione i przechodzą w stan pary, tworząc w przybliżeniu sferyczne wydrążenie, a na jego dnie basen stopionej wulkanicznej skały o soczewkowatym kształcie, która stygnąc tworzy przypominającą szkło lawę. Po paru godzinach pokruszona skała sklepienia nad otworem zapada się i powstaje spory otwór-komin wypełniony gruzem a potem wodą. Odparowany materiał z czasem stygnie, kondensuje i przechodzi w stan stały, a promieniotwórcze produkty wybuchu rozkładają się między lawą, gruzem, wodą i gazami, w zależności od swych właściwości chemicznych i lotności. Moc wybuchu, jego głębokość i właściwości termodynamiczne materiałów otoczenia wpływają na wielkość wytworzonego otworu oraz późniejsze tempo stygnięcia[5]. Między innymi korzystną właściwością skał wulkanicznych w których przeprowadzano próby jądrowe jest wysoki stopień odgazowania tych skał, a przemiany chemiczne wywołane temperaturą i promieniowaniem w minimalnym stopniu prowadzą do powstania gazów. W przeciwnym wypadku powstający w wyniku wybuchu otwór mogłyby osiągać olbrzymie rozmiary[6]. W rzeczywistości zaś wybuch jądrowy o mocy 50 kiloton na głębokości 700 m w skale wulkanicznej utworzy otwór o średnicy około 80 m i końcowy otwór-komin wypełniony gruzem o wysokości około 200 m[5].