Zagrożenie masowego rażenia

Broń jądrowa wywoływała niegdyś strach, a nawet panikę, później pozostawała nieco w cieniu swoich sióstr - broni chemicznej i biologiczne, oraz ataków terrorystycznych, ostatnio powróciła zaś do świadomości ludzi na skutek możliwości jej użycia przez Rosję. Powstała w latach 40. XX wieku i użyta jedynie dwa razy, przyjęła na siebie rolę gwaranta wzajemnego zniszczenia w przypadku pełnoskalowego konfliktu. Co nam grozi, gdyby została użyta? Z szerokiego spektrum zagrożeń CBRNE jest to litera N. 

Historyczne użycie

Pierwsza eksplozja jądrowa nastąpiła 16 lipca 1945r. (ładunek Gadget podczas testu Trinity
na poligonie w okolicach Alamogordo - USA). Dwie następne to już użycie bojowe - w Hiroszimie (bomba Little Boy, 6 sierpnia 1945r., 90 tys. ofiar) oraz Nagasaki (bomba Fat Man, 9 sierpnia 1945r., 70 tys. ofiar). Szokująca była nie tyle liczba ofiar (nalot dywanowy środkami zapalającymi na Tokio zgładził110 tys. ludzi), co fakt, że dokonała tego jedna bomba zrzucona przez jeden samolot. Ujawniły się szczególne cechy broni jądrowej - wielka moc, występowanie promieniowania jonizującego podczas wybuchu i promieniotwórcze skażenie terenu. Od tamtej pory przeprowadzono około 2000 prób jądrowych. Miały one na celu rozwój konstrukcji, stworzenie broni termojądrowej, zbadanie czynników rażenia oraz stworzenie środków i metod obrony przed nimi. Trwał także intensywny rozwój środków przenoszenia. Ludzkość osiągnęła maksymalną liczbę głowic jądrowych w 1986 r.-ponad 70 tys. ładunków. Dziś broń jądrową posiada dziewięć państw. 

Moce ładunków określa się w tzw. równoważniku trotylowym i wyraża w kT ekwiwalentu TNT (kilotonach - tysiącach ton) lub MT ekwiwalentu TNT (megatonach - milionach ton). Określa on ilość energii zawartej
w określonej masie trotylu, która wyzwala się przy zdetonowaniu porównywanego ładunku jądrowego. Jedna tona trotylu odpowiada energii 4,184 GJ. Broń jądrową dzieli się według mocy ładunku na tę o małej mocy (do 10 kt TNT), mocy średniej (10-100 kt TNT), dużej (100 - 1000kt TNT) i wielkiej (powyżej 1000 kt TNT). Siła wybuchu saletry amonowej w Bejrucie w 2020r. szacowana jest na 1 kT TNT. 

Dynamika okołowybuchowa

Konstrukcje ładunków jądrowych muszą zapewnić utrzymanie stanu podkrytycznego przed wybuchem: szybkie, praktycznie skokowe stworzenie stanu nadkrytycznego przy minimalnym oddziaływaniu neutronów z rozszczepień samorzutnych oraz zapobieganie ekspansji materiału tak długo, aby większość uległa rozszczepieniu. Opracowano trzy konstrukcje ładunków jądrowych. Mają one jedną fazę zadziałania - rozszczepienie.

I - konstrukcja typu działo artyleryjskie. Zapalnik detonuje chemiczny ładunek wybuchowy, który popycha nabój z uranu do uranowej tarczy, tworząc masę krytyczną. Źródło neutronów inicjuje reakcję rozszczepienia. Ładunki takie mają prostą konstrukcję, ale mają też szereg wad. Z uwagi na długi czas załączania można użyć jedynie uranu U-235 (i prawdopodobnie U-233), z małą liczbą samorzutnych rozpadów-w przeciwieństwie do plutonu Pu-239. Wymagana jest duża ilość materiału rozszczepialnego, a ładunek na małą wydajność, wynoszącą 1,4% (reakcja zachodzi w około 700 g materiału, reszta, tj. 60 kg, ulega rozproszeniu m.in. jako skażenie promieniotwórcze). Bomba o takiej konstrukcji, o nazwie Little Boy i mocy około 16 kT TNT, została zrzucona na Hiroszimę. 

II - urządzenie implozyjne.Wykorzystuje ono zjawisko kompresji materiału rozszczepialnego zapomocą detonacji otaczającego go materiału wybuchowego. Skompresowany materiał uzyskuje masę krytyczną, a rozruchowe źródło neutronów inicjuje w odpowiednim momencie reakcję rozszczepienia. Taką konstrukcję miały ładunki Gadget (20kT TNT) oraz Fat Man (22kT TNT). Wydajność metody implozyjnej wynoszącą 17% można było zwiększyć do 24%,  stosując reflektor neutronów z U-238. 

III - ładunek ze wzmacniaczem termojądrowym (busterem).Zawiera 1g trytu. Działanie bustera polega na dostarczeniu dodatkowego impulsu neutronów na początku reakcji rozszczepienia. Zwiększa to wydajność do ponad 50% i dzięki temu można zrezygnować z masywnego reflektora neuronów oraz zastosować mniejszą ilość drogich materiałów rozszczepialnych. To z kolei pozwala na budowę ładunków o znacznie mniejszych masach, wymiarach i o większej mocy.

Konstrukcja ładunków termojądrowych (wodorowych) jest oparta o konfigurację Tellera-Ulama (Stanisław Ulam - polski i po przyjęciu obywatelstwa USA amerykański matematyk, współtwórca broni termojądrowej). Pierwszy człon zadziałania to ładunek jądrowy implozyjny z busterem. Ogromna temperatura wybuchu stwarza warunki do syntezy lekkich pierwiastków znajdujących się w drugim członie. Jest to działanie dwufazowe (rozszczepienie-synteza). Podczas syntezy powstają neutrony o bardzo dużych energiach, umożliwiających rozszczepienie U-238 (uranu naturalnego). Dzięki temu możliwe jest stworzenie broni trójfazowej wielkiej mocy (rozszczepienie-synteza-rozszczepienie),  przez otoczenie ładunku dwufazowego płaszczem z uranu U-238. Zwiększa to siłę wybuchu o ponad 100%. Gdyby największy zdetonowany w historii ładunek o mocy 58 MT TNT (Car Bomba - ZSRR, 1961r.) miał płaszcz, to moc obliczona teoretycznie osiągnęłaby niewyobrażalne ponad 100 MT TNT. Na przeszkodzie stanął brak odpowiednio dużego poligonu do przeprowadzenia takiej próby. Dla odmiany dążono również do miniaturyzacji- najlżejszą głowicę skonstruowano w USA. Była to głowica W-54 zastosowana w pocisku M388 Davy Crockett o masie 23 kgi energii wybuchu „zaledwie” 10 T TNT.

Ładunkineutronowe.Są odmianą ładunków termojądrowych, w których dzięki specjalnej konstrukcji kosztem innych czynników rażenia uzyskano strumień silny wysokoenergetycznych neutronów. W porównaniu do klasycznych konstrukcji w mniejszym stopniu niszczą infrastrukturę oraz powodują dużo mniejsze skażenie terenu, ale mają większy promień rażenia promieniowaniem jonizującym. Tego typu głowice występowały głównie jako broń o małej mocy i taktycznym zasięgu. W większości zostały z różnych powodówwycofane.

Materiały rozszczepialne.Najczęściej stosuje się izotopy uranu U-235 oraz plutonu Pu-239, rzadziej U-233, które są rozszczepialne neutronami o dowolnej energii.Wymagana jest zawartość tego izotopu co najmniej ponad 90%,a w naturalnym uranie wynosi ona zaledwie 0,7% Niezbędny jest proces wzbogacenia. Odbywa się on w tzw. wirówkach lub stosowane są techniki laserowe. Dla porównania -paliwo jądrowe dla reaktorów energetycznych PWR jest wzbogacone w około 3-5%, a reaktory CANDU oraz MAGNOX mogły pracować na uranie naturalnym. Po procesie wzbogacania powstaje uran wzbogacony oraz zubożony. Ten ostatni dzięki dużej gęstości znalazł również zastosowanie militarne w pancerzachczołgów, głowicach penetracyjnychpocisków oraz osłonach przed promieniowaniem gamma. Masa krytyczna, czyli masa pierwiastka o określonym wzbogaceniu, w której może rozwinąć się reakcja łańcuchowa, wynosi przykładowo 15 kg 100% izotopu U-235, przy zastosowaniu reflektora neutronów z berylu. Reflektor zawraca neutrony do układu, przez co masa krytyczna jest mniejsza. Dla izotopu plutonu Pu-239 z takim samym reflektorem jest to zaledwie 4 kg. Pluton bojowy jest wytwarzany w reaktorach na skutek bombardowania izotopu U-238 neutronami. 

Materiały termojądrowe. W urządzeniach termojądrowych wykorzystuje się pierwiastki lekkie - izotopy wodoru (deuter i tryt). Wytwarzane są one podczas wybuchu z deuterku litu wzbogaconego w izotop Li-6. 

Czynniki rażenia broni jądrowej.Są zależne od mocy ładunku oraz czynników środowiskowych. Najbardziej niszczące czynnikito fala uderzeniowa oraz promieniowanie cieplne. Oprócz nich występuje także promieniowanie jonizujące oraz promieniotwórcze skażenia terenu. Dodatkowo obecny jest impuls elektromagnetyczny. Wybuch wywołany reakcjami jądrowymi wydziela ogromną ilość energii w małej objętości. Początkowo energia jest emitowana w postaci promieniowania X i absorbowana przez otaczające powietrze, które ogrzewając się, tworzy kulę zjonizowanej materii nazywaną kulą ognistą  (jej maksymalna średnica zależy od mocy ładunku dla 20 kT TNT - 200m, dla 1 MT TNT - 2200 m). Kula stygnąc, przemieszcza się ku górze i tworzy charakterystyczny grzyb.

Fala uderzeniowa. Silne podgrzanie powietrza powoduje jego ruch we wszystkich kierunkach od kuli ognistej. Powoduje to powstanie bardzo silnych wiatrów podmuchu oraz strefy nadciśnienia. Czas trwania wiatru podmuchu jest stosunkowo krótki, lecz jego szybkość jest bardzo duża - wynosi setki m/s. Wyróżnia się dwa rodzaje oddziaływania fali uderzeniowej na ludzi. Bezpośrednie spowodowane jest uderzeniem fali o powierzchnię ciała i powstaniem nadciśnienia, które przemieszcza się do wnętrza. Najbardziej wrażliwe są narządy zawierające dużą ilość płynów lub gazów (płuca, jelita, mózg). Znaczne szkody wyrządzane są również w mięśniach i kościach. Pękanie błon bębenkowych jest częste, ale nie zagraża życiu. Działanie pośrednie spowodowane jest odłamkami różnych obiektów, szkła, gruzu oraz uderzeń o przeszkody związane z przemieszczeniem całego ciała, nieraz na duże odległości. Ciało ludzkie ma przy tym większą odporność na działanie nadciśnienia niż elementy konstrukcji i budynki. 

Przy wybuchu ładunku 20 kT strefa nadciśnienia 70 kPa będzie występowała w odległości 1200 m, 30 kPa -  2 km, a 7 kPa - 6 km. Dwukrotne zwiększenie promienia rażenia fali uderzeniowej wymaga, ośmiokrotnego zwiększenia mocy ładunku, a uzyskanie trzykrotnie większej strefy rażenia możliwe jest po zwiększeniu mocy 27 razy. 

Promieniowanie cieplne.Spowodowane jest przez ogromną temperaturę kuli ognistej (nawet 300 tys. K) iemitowane przez kilka (ładunki małej mocy) do kilkunastu (ładunki dużej mocy)sekund po wybuchu.Rozpatrując jego rażące działanie, posługujemy się impulsem świetlnym wyrażonym w kJ/m². Jest on zależny od ilości energii wypromieniowanej przez kulę ognistą, odległości od epicentrum wybuchu, warunków atmosferycznych i wysokości wybuchu. Wywoływać będzie oparzenia skóry ludzi i zwierząt oraz oparzenia siatkówki oka i tzw. ślepotę błysku, czyli czasową utratę wzroku. Oparzenia oczu będą występowały na większych odległościach niż oparzenia skóry, a niebezpieczeństwo będzie większe nocą, w ciemnościach, gdy oczy w naturalny sposób sąszerzej otwarte. Na stopień oparzeń skóry duży wpływ będzie miało ubranie - jego kolor, grubość, stopień okrycia ciała i łatwopalność. Oparzenia od pożarów będą stanowiły dużą część wszystkich oparzeń. W przypadku ładunku o mocy 20 kT TNT pożary będą występować w odległościach do 3 km. Duża część zostanie ugaszona przez falę uderzeniową po około 7 sekundach. Zniszczenia materiałów będą znaczne. Dla ładunków o mocy rzędu kilkunastu MT TNT i więcej zasięgi będą dużo większe - sama kula ognista będzie miała nawet kilka kilometrów średnicy. 

Dane z tabeli można porównać do stopnia oparzeń w zależności od wartości impulsu świetlnego i określić orientacyjnie zasięgi stref, w których wystąpią ciężkie oparzenia:

- oparzenia I st. -do 170 kJ/m²,

- oparzenia II st. -170-420 kJ/m²,

- oparzenia III st.- 420 -630 kJ/m²,

- powyżej 630 kJ/m² występuje zwęglenie praktycznie całego ciała.

Dokładna analiza jest bardzo trudna, ponieważ istotną rolę odgrywa również czas naświetlania oraz kąt padania promieni. 

Promieniowanie jonizujące.Rozszczepienie materiałów powoduje powstanie promieniowania jonizującego (głównie gamma i neutronowego) oraz produktów rozszczepienia, które są również emiterami promieniowania. Emisja neutronów trwa ułamek sekundy, a promieniowania gamma maksymalnie kilkanaście sekund. Zasięg śmiertelnego promieniowania wynosi około 2,5 km dla mocy 1MT TNT i około 1,2 km dla ładunku 20kT TNT. W takich odległościach efekty działania promieniowania cieplnego i fali uderzeniowej są bardziej śmiertelne dla osób nieukrytych. Ludzieukryci w piwnicach i schronach będą narażeni na mniejsze, nie zawsze śmiertelne, ale wciąż duże dawki. Promieniowanie ulega rozproszeniu i rozchodzisię w różnychkierunkach, nie tylko od centrum wybuchu. Oznacza to, że osoby, które w chwili wybuchu znajdowały się np. za ścianami budynków i przeżyły, były narażone na duże dawki promieniowania i rozwinie się u nich choroba popromienna. W przypadku ładunków neutronowych promień działania letalnego neutronów jest większy niż pozostałych czynników rażenia. Przykładowo dla mocy ładunku 1 kT TNT ludzie otrzymają dawkę śmiertelną w odległości około 2 km, a obszar zniszczeń wyniesie kilkaset metrów. 

Promieniotwórcze skażenie terenu.Po wybuchu powstaje obszar terenu skażonego izotopami promieniotwórczymi. Największe skażenia wystąpią wokół punktu zero i będą odwrotnie proporcjonalne do wysokości wybuchu orazwprost proporcjonalne do jego mocy. Kapelusz charakterystycznego grzyba jądrowego przekształca się w obłok radioaktywny i z wiatrem przemieszcza się na znaczne odległości. Czas opadania cząstek pyłu z obłoku zależy od ich średnicy.

Warunki atmosferyczne mają duży wpływ na zasięg skażenia. Silne opady deszczu zmniejszą tę strefę, lecz jej aktywność na skutek kumulacji izotopów będzie większa. Im większa moc wybuchu, tym wyżej wzniesie się obłok. Według metodyki oceny skażeń ATP-45 przy ładunku o mocy 10 kT TNT uniesiesię na wysokość 9,5 km, a dla 10 MT TNT- 33 km. Z uwagi na wiatry może nastąpić rozerwanie obłoku na kilka części. W ciągu pół godziny po wybuchu osiadają najcięższe cząstki, do 20 godz. wypadają cząstki drobniejsze, nawet wodległości kilkuset kilometrów, a bardzo małe - po wielu miesiącach lub latach i jest to opad globalny.

Skażenia mają trzy źródła: produkty rozszczepienia, niewykorzystana część materiału rozszczepialnego, oraz promieniotwórczość wzbudzona neutronami podczas wybuchu. W wyniku rozszczepienia powstaje około 300 izotopów 36 pierwiastków, które w większości mają dużą aktywność. Na 1 kT TNT mocy ładunku powstaje ich około 60 gi są to izotopy kryptonu, strontu, rubidu, molibdenu, baru, cezu, ksenonu, telluru,  itru, samaru, europu, prometu, neodymu, ceru, jodu i prazeodymu. Większość z nich ma dużą aktywność, przez to ich okres połowicznego półrozpadu jestkrótki. Niestety niektóre, np. Cs-137 oraz stront Sr-90, mają dużo dłuższyokres półrozpadu - odpowiednio 30 i 28 lat. Produkty aktywacji neutronowej to głównie izotopy pierwiastków znajdujących się w glebie - sodu, manganu, krzemu, żelaza i glinu. Aktywacji podlegają również elementy ładunku - powstają radionuklidy kobaltu, żelaza, manganu, cynku, itru i wolframu. Wybuch jądrowy, w którym kula ognista styka się z ziemią (wybuch naziemny i płytki podziemny), wytwarza większą ilość skażeń niż wybuchy powietrzne, szczególnie na dużych wysokościach. Paliwo jądrowe, które nie zdążyło ulec rozszczepieniu, ma najmniejszy wpływ na aktywność opadu promieniotwórczego, lecz okresy półrozpadu ma bardzo długie (Pu-239 24 tys. lat, U-235 700mln lat). Ładunki jądrowe oparte na zasadzie rozszczepienia nazywane są brudnymi, w odróżnieniu od termojądrowych ze względu na fakt, iż produkty syntezy nie są promieniotwórcze. Nie dotyczy to ładunków trójfazowych powodujących bardzo duże skażenia terenu.

Impuls elektromagnetyczny (electromagnetical pulse EMP).Promieniowanie gamma pojawiające się w trakcie wybuchu jądrowego silnie jonizuje powietrze. Następuje intensywny ruch elektronów na zewnątrz od wybuchu nazywany prądem Comptona. Pole elektryczne osiąga wartości kilkadziesiąt kV/m w ciągu ułamków sekund. Pola te indukują wysokie napięcia we wszystkich urządzeniach elektrycznych, elektronicznych, kablach, transformatorach, izolatorach, komputerach i w podobnej aparaturze, powodując ich zniszczenie na skutek przepięć. W liniach przesyłowych powodują przetężenia i przepięcia. Przy wybuchachna niskich wysokościach oraz naziemnych zasięg EMP nie przekracza zasięgu fali uderzeniowej. Przy wysokości wybuchu 400 km zasięg wynosi około 2000 km we wszystkich kierunkach. Zjonizowana atmosfera powoduje również zakłócenia lub nawet paraliż łączności radiowej przez wiele godzin po wybuchu. Najbardziej odporne na działanie EMP są fale bardzo niskiej (ELF) i bardzo wysokiej (UHF)częstotliwości. Fale ELF wykorzystywane są do łączności  z zanurzonymi okrętami podwodnymi wyposażonymi w rakiety z głowicami jądrowymi. 

Środki przenoszenia. Jako pierwsze skonstruowano bomby jądrowe,następnie opracowano rakiety bazowania morskiego oraz lądowego. Pojawiły się pociski skrzydlate, manewrujące a rakiety strategiczne zaczęły przenosić głowice MIRV (jedna rakieta - kilka głowic). Pełną triadą jądrową (czyli rakietami bazowania lądowego, morskiego oraz lotnictwem strategicznym) dysponują w tej chwili USA i Rosja  W przeszłości również Francja. Opracowano różne systemy antybalistyczne, co z kolei skutkowało opracowaniem rakiet mających je omijać. Mimo prób rozbrojenia i podpisania wielu traktatów rozbrojeniowych rywalizacja, a razem z nią możliwość wzajemnego zniszczenia, trwa nadal. 

Hipotetyczna, jądrowa zagłada

Wybuch powietrzny głowicy rosyjskiego pocisku balistycznego Topol-M o mocy 550 kT TNTna wysokości 1 km.Powyżej 21 km nie będą występowały zniszczenia ani oparzenia ludzi. Jedynie osoby patrzące na kulę ognistą odczują efekty podobne do patrzenia na słońce (olśnienia, krótka ślepota błysku).17-21 km - odczuwalne ciepło na odkrytej skórze, możliwe lekkie uszkodzenia oczu. 12-17 km -50% ludzi ma oparzenia I stopnia.10-12 km - osoby nieukryte doznają poparzeń II stopnia. 5-10 km -u osób nieosłoniętych przedkulą ognistą mogą występować oparzenia nawet III stopnia. Wiele osób będzie narażonych na pożary oraz wdychanie powietrza skażonego pyłem radioaktywnym.2-5 km -nieliczni ludzie znajdujący się w ukryciu (podziemne parkingi, metro) lub za budynkami o bardzo mocnej konstrukcji mają szansę przetrwać wybuch, ale będą narażeni na wysokie dawki promieniowania jonizującego, od 1 Sv do nawet 10 Sv.Strefa o promieniu poniżej 2 km -śmiertelność 100%.Poniżej 800 m - wnętrze kuli ognistej, praktycznie wszystko wewnątrz odparowuje.