Проникающая радиация — это один из вредных факторов, связанных с ядерным оружием. Она включает в себя гамма-излучение и поток нейтронов, которые испускаются в окружающую среду в результате ядерного взрыва. Дополнительно к гамма-излучению и потоку нейтронов, также выделяются ионизирующие излучения в виде альфа- и бета-частиц, но их воздействием на людей и материалы можно пренебречь из-за их небольшой проникающей способности. Продолжительность воздействия проникающей радиации не превышает 10–15 секунд после взрыва.
Основные параметры, характеризующие ионизирующие излучения, включают дозу и мощность дозы излучения, а также поток и плотность потока частиц.
Экспозиционная доза излучения используется для оценки ионизирующей способности гамма-лучей. Единицей экспозиционной дозы гамма-излучения является кулон на килограмм (кл/кг). В соответствии со стандартом, кулон на килограмм — это экспозиционная доза рентгеновского и гамма-излучений, при которой каждый знаковый ион производит в воздухе один кулон электричества для каждого килограмма сухого атмосферного воздуха. В практике часто используется несистемная единица измерения — рентген (р). Рентген — это доза гамма-излучения, которая при поглощении в 1 см³ сухого воздуха образует 2,083 миллиарда ионов.
Единицей мощности экспозиционной дозы является ампер на килограмм (А/кг), рентген в секунду (р/с) и рентген в час (р/ч). Ампер на килограмм определяет мощность экспозиционной дозы, при которой сухой атмосферный воздух получает экспозиционную дозу в одну секунду в виде кулона на килограмм. Например, 1 Р/с=2,58-10-4 А/кг; 1 А/кг=3876 Р/с или 1 А/кг»3900 Р/с= =14-10е Р/ч; 1 Р/ч=7,167-Ю»8 А/кг.
Процесс ионизации атомов нейтронами отличается от процесса ионизации гамма-лучами. Поток нейтронов измеряется в количестве нейтронов на квадратный метр поверхности (нейтрон/м²), а плотность потока — в нейтронах в единицу времени на квадратный метр поверхности (нейтрон/(м²*с)).
Степень воздействия радиации в основном зависит от поглощенной дозы. Международная система измерения «СИ» определяет грей (Гр) как единицу измерения поглощенной дозы любого ионизирующего излучения, но в практике также используется внесистемная единица — рад. Грей равен поглощенной дозе излучения, которая соответствует энергии 1 джоуля ионизирующего излучения, переданной 1 кг вещества.
Для типичного ядерного взрыва одно радио соответствует потоку нейтронов (с энергией более 200 электрон-вольт) порядка 5–14 нейтронов/м². Таким образом, 1 Гр = 1 Дж/кг = 100 рад = 10 000 эрг/г.
Гамма-излучение и нейтроны, проникая в среду, ионизируют атомы и изменяют физическую структуру вещества. При ионизации атомов и молекул клеток живой ткани происходит нарушение химических связей и разрушение жизненно важных веществ, что может привести к их гибели или потере способности к нормальной деятельности.
Воздействие проникающей радиации на людей и животных может вызвать лучевую болезнь. Степень поражения зависит от экспозиционной дозы излучения, продолжительности воздействия, площади тела, подверженной облучению, и общего состояния организма. Экспозиционная доза до 50–80 рентгенов (0,013–0,02 кл/кг), полученная в первые четверо суток, обычно не приводит к поражению и потере работоспособности у людей, за исключением некоторых изменений в составе крови. Экспозиционная доза 200–300 рентгенов, полученная за короткое время (до четырех суток), может вызвать средней степени радиационное поражение, но такая же доза, полученная в течение нескольких месяцев, обычно не приводит к заболеваниям. За это время здоровый человек способен частично восстановить погибшие клетки организма, образуя новые.
При определении допустимых доз излучения учитывается, что облучение может быть однократным или многократным. Однократным считается облучение, полученное в течение первых четырех суток, в то время как облучение, полученное в более длительный период времени, является многократным. В случае однократного облучения организма человека в зависимости от полученной экспозиционной дозы выделяют четыре степени лучевой болезни.
Лучевая болезнь первой (легкой) степени возникает при общей экспозиционной дозе излучения 100–200 рентгенов (0,026–0,05 Кл/кг). Скрытый период может длиться две–три недели, после чего появляются недомогание, общая слабость, чувство тяжести в голове, стеснение в груди, усиленное потоотделение. Возможно периодическое повышение температуры. Количество лейкоцитов в крови снижается. Лучевая болезнь первой степени в большинстве случаев полностью излечима.
Лучевая болезнь второй (средней) степени возникает при общей экспозиционной дозе излучения 200–400 рентгенов (0,05–0,1 Кл/кг). Скрытый период длится около недели. Лучевая болезнь проявляется в более серьезных недомоганиях, расстройстве функций нервной системы, головных болях, головокружениях. Вначале может возникнуть рвота и понос, а также повышение температуры. Количество лейкоцитов в крови, особенно лимфоцитов, снижается на более чем половину. Благодаря активному лечению выздоровление обычно наступает через 1,5–2 месяца. В некоторых случаях возможны смертельные исходы — до 20%.
Лучевая болезнь третьей (тяжелой) степени возникает при общей дозе экспозиции 400–600 рентген (0,1–0,15 Кл/кг). Скрытый период — до нескольких часов. Характеризуется тяжелым общим состоянием, сильными головными болями, рвотой, поносом с кровянистым стулом, иногда потерей сознания или резким возбуждением, кровоизлияниями в слизистые оболочки и кожу, некрозом слизистых оболочек в области десен. Количество лейкоцитов, а затем эритроцитов и тромбоцитов резко уменьшается. Вследствие ослабления защитных сил организма возникают различные инфекционные осложнения. Без лечения болезнь в 20–70% случаев приводит к смерти, чаще всего — от инфекционных осложнений или кровотечений.
При облучении дозой экспозиции свыше 600 рентген (0,15 Кл/кг) возникает крайне тяжелая четвертая степень лучевой болезни, которая без лечения обычно приводит к смерти в течение двух недель.
При взрывах ядерных боеприпасов средней и большой мощности зоны поражения от проникающей радиации незначительно меньше зон поражения ударной волной и световым излучением. Однако для боеприпасов малой мощности зоны поражения от проникающей радиации превосходят зоны поражения ударной волной и световым излучением.
Радиационные повреждения вызваны воздействием проникающей радиации при наземных и воздушных ядерных взрывах. Плотность потоков (дозы) проникающей радиации на тех расстояниях, где ударная волна разрушает здания, сооружения, оборудование и другие элементы производства, в большинстве случаев является безопасной для объектов. Однако с увеличением высоты взрыва все большее значение в поражении объектов приобретает проникающая радиация. При взрывах на больших высотах и в космосе основным фактором поражения становится импульс проникающей радиации.
Проникающая радиация может вызывать обратимые и необратимые изменения в различных материалах, элементах радиотехнической, электротехнической, оптической и другой аппаратуре. В космическом пространстве такие повреждения могут наблюдаться на расстояниях десятков и сотен километров от центра взрывов мегатонных боеприпасов.
Необратимые изменения в материалах вызваны нарушениями структуры кристаллической решетки вещества вследствие возникновения дефектов (в неорганических и полупроводниковых материалах), а также в результате прохождения различных физико-химических процессов. Такими процессами являются: радиационный нагрев, окислительные химические реакции, деструкция и «сшивание» молекул в полимерных материалах, газовыделения и образование пылеобразных продуктов, которые могут вызвать вторичные факторы воздействия (взрывы в замкнутых объемах, запыление отдельных деталей приборов и т. д.).
Обратимые изменения, как правило, связаны с ионизацией материалов и окружающей среды. Они проявляются в увеличении концентрации носителей тока, что приводит к утечке тока, снижению сопротивления в изоляционных, полупроводниковых и проводящих материалах, а также в газовых промежутках. Обратимые изменения в материалах, элементах и аппаратуре в целом возникают при дозах экспозиции 1000 рентген/сек. Проводимость воздушных промежутков и диэлектрических материалов существенно увеличивается при дозах 10 000 рентген/сек и выше.
Проникающая радиация ослабляется при прохождении через различные материалы. Степень ослабления зависит от свойств материалов и толщины защитного слоя. Нейтроны ослабляются, в основном, за счет столкновения с ядрами атомов, а гамма-кванты взаимодействуют с электронами атомов. Защитные свойства материала оцениваются по слою половинного ослабления, при прохождении которого интенсивность гамма-лучей или нейтронов уменьшается в два раза.
При использовании нескольких слоев различных материалов в защитной конструкции, например грунта, бетона и дерева, степень ослабления для каждого слоя отдельно рассчитывается, а затем результаты перемножаются.
Защитные сооружения гражданской обороны надежно обеспечивают защиту людей от проникающей радиации. Расчет защитных свойств этих сооружений основан на гамма-излучении, так как доза гамма-излучения значительно выше дозы нейтронного излучения, а слои половинного ослабления для строительных материалов приблизительно одинаковы.
На объектах, где присутствует электронная, электротехническая и оптическая аппаратура, необходимо предусмотреть меры по защите от воздействия проникающей радиации. Увеличение радиационной стойкости аппаратуры может быть достигнуто:
— Применением радиационно-стойких материалов и элементов;
— Созданием схем мало-критичных к изменениям электрических параметров элементов, компенсирующих и отводящих дополнительные токи, выключающих отдельные блоки и элементы на период воздействия ионизирующих излучений;
— Увеличением расстояний между элементами, находящимися под электрической нагрузкой, снижением рабочих напряжений на них;
— Регулированием тепловых, электрических и других нагрузок;
— Применением различного рода заливок, не проводящих ток при облучении;
— Размещением на объектах специальных защитных экранов или использованием элементов конструкций объекта для ослабления действий ионизирующих излучений на менее радиационно-стойкие детали.