Ydinräjähdyksen säteilyvaikutukset

Ydinräjähdyksen säteilyvaikutukset ovat ydinpommin alkusäteilyn ja laskeuman tappavia, sairastuttavia ja muita vaikutuksia, jotka voivat ulottua satojen kilometrien päähän räjähdyspaikasta. Ydinaseen säteily tulee alkusäteilynä ja jälkisäteilynä. Jälkisäteily ilmenee radioaktiivisena laskeumana, joka voi ulottua satojen, jopa tuhansien kilometrien päähän räjähdyspaikasta. == Mittayksiköistä == Säteilyannoksen yksikkö on sievert SvEsimerkkejä säteilyannoksista STUK. 1 sievert on 1000 millisievertiä ja 1000000 mikrosievertiä. Vanhoihin yksikköihin verrattuna 1 sievert on 100 remiä (rem) ja 1 sievert on 100 röntgeniä (R)Koivukoski 2003. s 76. Säteilyannoksen nopeus eli annosnopeus ilmoittaa, kuinka voimakasta senhetkinen säteily on. Annosnopeuden yksikkö on sievert tunnissa eli Sv/h. Vanhoja annosnopeuden yksikköjä ovat rad/h joka on 0.01 Sv/h ja R/h joka on myös 0.01 Sv/h. Imeytyneen säteilyannoksen yksikkö on gray Gy. Se on energiatiheytenä mitattuna 1 J/g. Gamma- ja beetasäteilylle voidaan käytännössä yleensä olettaa, että 1 sievert vastaa 1 Grayta. Yleensä tässä yhteydessä säteilystä puhuttaessa puhutaan gammasäteilystä, mutta alfa- ja neutronisäteilylle käytetään kerrointa 10, jolloin esimerkiksi neutronisäteilylle 1 Gy on 10 SvKoivukoski 2003. s 17. Vanha imeytyneen säteilyannoksen yksikkö on rad, joka on 0,01 GyExplained: rad, rem, sieverts, becquerels A guide to terminology about radiation exposure MIT NEWS, David L. Chandler, MIT News OfficeMarch 28, 2011. Aktiivisuuden yksikkö on becquerel Bq. Vanha aktiivisuuden yksikkö on curie Ci. 1 curie on 37 gigabecquerelia. Aineiden aktiivisuuksia ilmoitetaan esimerkiksi yksiköissä Bq/kg, Bq/m2 tai Bq/m3. Tšernobylin aikaan Suomeen tuli enimmillään paikoin noin 80 kbq/m2 laskeuma, mikä vastaa noin 5 mikroSv/tunnissa. Säteily oli enimmillään 0-20 kertaa normaalia taustasäteilyä voimkkaampaa. === Ekvivalenttiannos === Ekvivalenttiannosta mitataan SI- yksiköissä sievertillä, lyhenne Sv. Säteilysairaus saattaa syntyä, jos ihminen saa säteilyä 0,35 Sv. Kuolemat alkavat, jos annos ylittää 1,5 Sv. Monesti käytetään säteilysairaudelle 0,5 Sv ja joitakuita tappavalle 2 Sv. Ekvivalenttiannoksen osalta yli 6 sievertiä (Sv) saattaa tappaa, ja yli 8 Sv tappaa alle 1–4 viikossaHow to survive a nuclear fallout: Experts reveal the basics of living in a world riddled with radiation and the simple way to tell if you've been exposed. Annosnopeuden osalta yli 1 mikrosievertiä tunnissa vaatii suojautumistaGeiger Counter guide for testing the environment, goods, and food for Radioactive Contamination! Peter Daley. === Imeytynyt säteily === Yleisesti ottaen yli 2 grayta (Gy) ihmiseen imeytynyttä säteilyä saattaa tappaa. 50 % kuolee, jos annos on noin 5 Gy. 7 Gy tappaa varmastiGlobalSecurity.org: Nuclear Weapon Radiation Effects. Jos säteily saadaan 30 päivässä, 1 Gy aiheuttaa säteilysairauden. 2 Gy aiheuttaa vakavan sairauden, johon voi kuolla. 3 Gy tappaa yli 50 % 30 päivässä. 10 Gy tappaa kaikki päivien sisällä.Map of the day: A chilling Cold War legacy == Alkusäteily == Alkusäteily on merkittävä vain pienillä kilotonniluokan räjähteillä, jos niiden painevaikutukselta kyetään suojautumaan. Yli 100 kt räjähteellä kuumuus ja paine tappavat kauempana kuin alkusäteily. Tällöin alkusäteilyn vaikutus peittyy paineaallon ja kuumuuden alle. Yhden megatonnin pintaräjähdys aiheuttaa sairastuttavan 150 millisievertin säteilyn 3,35 km:n päässä, ja muutamassa tunnissa-muutamassa viikossa ilman hoitoa 50-90 % tappavan 5 Sv säteilyn. Vertailun vuoksi noin 50 % kuolee yli 35 kPa:n painevaikutuksen aiheuttamiin rakennusten sortumisin ym. 4,58 km:n säteellä ja monet suojattomat saavat usein tappavia 3. asteen palovammoja 10,7 km:n päässä räjähdyspisteestä. Yhden kilotonnin räjähteellä 35 kPa paine ulottuu 0,46 km:n päähän ja 3. asteen palovammat 0,5 km:n päähän. Mutta 50-80 % tappava 5 Sv alkusäteily ulottuu 840 m:n päähän ja säteilysairautta aiheuttava 0,15 Sv säteily 1,49 km:n päähän. == Jälkisäteily == Varhaislaskeuma **Lähilaskeuma **Kaukolaskeuma *Myöhäislaskeuma == Tulipallo, sienipilvi == Kraatteria ei synny, jos räjäytyskorkeus on yli 7/Y^{0,33} metriä, ja laskeuma vähenee, jos räjäytyskorkeus on yli 55/Y^{0,4} metriä. Ydinräjähdyksen pilven yläreunan korkeus on 3000*Y^{1/4} metriä. Niinpä kilotonnin pilvi nousee 3 km ja megatonnin pilvi 23 km:n korkeuteen. Toisten kaavojen mukaan pilven yläreunan korkeus H 10 minuuttia räjähdyksen jälkeen on alle 20 kilotonnin räjähteellä H = 3,365*10^{0,38} ja alareunan korkeus h = 1,76 *Y^{0,477} Pilven yläreunan korkeus yli 20 kilotonnin räjähteellä olisi H > 6,6703*Y^{0,177} ja alareunan korkeus h=4,4501Y^{0,159}. Sienipilven lakin alarajan korkeus on noin 2/3 koko korkeudesta. Pilven säde on 1 kt räjähteellä 1 km, 1 Mt räjähteellä 15 km. Niinpä pilven säteen yhtälö on 0,97*Y^{0,42}. Yhden megatonnin pilvi vakautuu noin 10 minuutissa. == 7-10-sääntö == Radioaktiivinen aines häviää ajan mukana. Jotkut aineet pysyvät radioaktiivisina kymmeniä tuhansia vuosia, toiset lyhyemmän ajan. Ydinräjähteen tuottama radioaktiivinen aines menettää radioaktiivisuuttaan keskimäärin nopeudella R_t=R_1 *t^{-1,2} jossa R_1 on annosnopeus tunti räjähdyksen jälkeen, T_t annosnopeus hetkellä T tuntia, t aika.Koivukoski 2003, s 74 Yhtälö on parin viikon sisään 25 %:n tarkka, ja puolen vuoden sisään 50 % tarkka. Yli puolen vuoden jaksolle kaavaa ei pitäisi käyttää. Jos kyseinen yhtälö ratkaistaan, huomataan radioaktiivisuuden heikkenevän 7-kertaisessa ajassa kymmenenteen osaansaKoivukoski 2003, s 109. Niinpä 1 Sv/h annosnopeus pienenee parissa viikossa annosnopeuteen 1/1000 Sv/h, eli arvoon 1 mSv/h. Näin koska 7 tunnin päästä on 0,1 Sv/h, 7*7=49 tunnin päästä 0,01 Sv/h ja 7*7*7=543 tunnin päästä 0,001 Sv/h. Käytännössä kaavassa käytetty eksponentti voi olla 1,2:n sijasta vaikkapa -0,9 - -2,0. Noin puolen vuoden päästä hajoaminen kiihtyy, ja eksponentti on -2,6. == Hiukkasten laskeutumisaika == Yli 400 mikrometrin hiukkaset putoavat pilvestä jo sen nousuvaiheessa. 40-400 mikrometrin hiukkaset synnyttävät varhaislaskeuman, koska ne leijuvat pitkään ilmassa. Noin 50 % syntyneistä radioaktiivista aineista laskeutuu maahan 16 tunnin kuluessa räjähdyksestä. 24 tunnin kuluessa on laskeutunut maahan 50-80 %Koivukoski 2003. s 72-73. Ilmassa leijuessaan hiukkaset menettävät radioaktiivisuuttaan ja tiheä hiukkaspilvi hajaantuu. Toisaalta hiukkaset kulkeutuvat tuulen mukana yhä kauemmas vaaraa aiheuttamaan. == Vapautunut aktiivisuus == 1 Mt pintaräjäytys jossa fission osuus on 50 % höyrystää noin miljardi kiloa maata. Lisäksi suunnilleen 1000 kg aseen ainetta höyrystyy. Fissiotuotteita syntyy 30 kg ja aktivoitumistuotteita 50 kgKoivukoski 2003, s. 45. Ydinräjähdyksessä ilmaan vapautuuFallout Model for the Robust Nuclear Earth Penetrator Blake Purnell A=530*1E6*W Ff*Fr jossa A aktiivisusu curieta, W ilmaistaan kilotonneina, Ff fission osuus, Fr kerroin. Ff voi olla esim. 1/2 ja Fr 1/2 Tämän mukaan yhden megatonnin räjähdys voi vapauttaa ilmakehään enintään 530 miljardia curieta jälkisäteilyä. == Vaarallisen laskeuman kärki == Vaarallisen laskeumasektorin kärjen etäisyys alatuuleen räjähdyspaikasta saadaan kaavalla L = 1,164 \cdot Y^{0.473} \cdot u^{0.506}. Tässä u on tuulen nopeus yksikössä km/h (3,6·m/s) ja Y räjähdysvoima kilotonneinaKoivukoski 2003, s 78. Tällä vaarallisella alueella säteilyn annosnopeus on yli 1 mSv/hKoivukoski 2003, s 123. == Annosnopeus ja annos == Jos ensimmäisen tunnin annosnopeus kerrotaan neljällä- viidellä saadaan pitkän ajan annos, jos säteily heikkenee 7-10-säännön mukaan, eli eksponentti on 1,2. Niinpä ensimmäisen tunnin annosnopeus 0,1 Sv/h tuottaa vuodessa-parissa noin 0,5 Sv annoksen. == Laskeumaellipsit == Amerikkalaiset räjäyttivät vuonna 1954 Bikinin alueella 15 megatonnin räjähteen. Noin 0,02-0,5 millimetrin kalkkihiukkaset kulkeutuivat tuulen mukana 450x100 km alueelle. Noin 225x30 km alueella säteily oli tappavaa. Tälle alueelle tuli neljässä vuorokaudessa yli 15 Sv. Noin 250 km:n etäisyydellä noin puolet olisivat voineet kuolla yli 10 Sv säteilyyn. Tällä etäisyydellä lumisadetta muistuttava laskeuma alkoi noin 8 tunnin kuluttua räjähdyksestä, jatkuen tuntikausia. 300 km:n etäisyydellä 5-10 % olisi saattanut kuolla. Tällä alueella tuli neljässä vuorokaudessa ainakin 5 Sv. Noin 350 km:n päässä säteily ei olisi ollut enää tappavaa. 1 Sv tuli vielä noin 460 km:n päästä alatuuleen, 16 tunnin kuluttua räjähdyksestä. Pilvi ehti 250 km:n päähän noin 8 tunnissa. Teoreettiset laskeumaellipsit: 1 megatonnin räjähdys, navakka tuuli 7 m/sNukemap 1000 kt Harney, Robert Inaccurate Prediction of Nuclear Weapons Effects and Possible Adverse Influences on Nuclear Terrorism Preparedness puhaltaa samaan suuntaan, ei sateita. Muutamassa päivässä suojattoman tappava alue on tällöin noin 200x60 km, noin 7 020 km2. Ihmisiä kuolee vielä alun annosnopeudella 300 mSv/h, jonka ellipsi ulottuu 260x60 km alueelle. Säteilysairaus tulee vielä 825x77 km alueella, jolla tulee 70 mSv/hNukemap by Alex Wellerstein. Paljon kauempana tarvitaan suojautumista syöpäriskin takia. Annosnopeus (Sv/h) Pituus km alatuuleen Leveys km Vaikutus terveyteen 10 92,8 12,8 Kuolema keskimäärin minuuteissa 3 149 28,3 Kuolema keskim. muutamassa tunnissa 1 201 42,5 Kuolema keskim. muutamassa päivässä 0,3 257 58 Äkillinen säteilysairaus muutamassa päivässä (annos <1,2 Sv) 0,1 (100 mSv/h) 308 72,2 Luultavasti ei säteilysairautta (<0,5 Sv) 0,03 (100 mSv/h) 365 87,7 Luultavasti ei säteilysairautta (<0,15 Sv/h) 0,01 (10 mSv/h) 416 102 Ei säteilysairautta, kohonnut syöpäriski (<0,05 Sv), syöpäriskin lisäys 0,4 % 30 vuodessa 300 mSv/h annosnopeus, mikä vastaa noin 1,5 Sv kokonaisannosta, juuri ja juuri tappava, 7 m/s tuuli, fission osuus 100 %, pintaräjähdysNukemap Voima Pituus km Leveys km #1 kt 17,9 km 1,41 km #3 28,1 1,92 #10 kt 46 3,1 #30 kt 70,2 6,14 #100 kt 112 14,4 #300 kt 167 27,2 #1 Mt 257 58 #3 Mt 377 80 #10 Mt 569 131 #30 Mt 824 172 #100 Mt 1230 266 Tuulen nopeuden vaikutus 1 Mt maanpintaräjähdys, fissio 100%, 300 mSv/h juuri ja juuri tappava kokonaisannos Nopeus Pituus #1,3 m/s 154 km #3,5 m/s 188 km #5 m/s 223 km #7 m/s 257 km #10 m/s 291 km #14 m/s 321 km #20 m/s 385 km == Laskeuman kaavoja == ===Laskeuman saapumisaika ja teoreettinen yläraja=== Jos laskeuma on 93 km:n päässä 6,7 m/s (24 km/h) tuulella 10 Sv/h, se alkaa teoriassa 3,8 tunnin kuluttua räjähdyksestä. Laskeuman teoreettinen yläraja 180 km:n päässä on saman logiikan mukaan 2 Sv/h, koska sen voimakkuus on 1000/(3,81,2), jossa 1,2 on keskimääräinen puoliintumiseksponentti, kantaluku aika ja jaeattva alkuperäinen annosnopeus. === Millä etäisyydellä suurin annos === Laskeuman maksimiannos saadaan etäisyydellä D_max=0,256*pow(s,0,58)*pow(W,0,42) Jossa Dm on tuhansia jalkoja, s tuulen nopeus solmua ja W kilotonnejaA theory for close-in fallout Albert D Anderson, Journal of meteorology, August 1961, Wol 18 No 4, s.411 . Toisaalta maksimiannos Rm on Rm=6400*pow(s,0.718)*pow(W,0.233) ===Laskeuman kesto=== Laskeuman huippu saavutetaan hetkelläKoivulehto 2003, s 78-79 th=a*ta, jossa a on keskimäärin 2, jos laskeuma kertyy keskimääräistä vauhtia. laskeuma kestää vielä huipun jälkeen tp=a*ta+tp. b on keskimäärin noin 3,75 Tällöin jos laskeuma saapuu 4 tunnin kuluttua, laskeuma saavuttaa huippunsa 8 tunnin kuluttua räjähdyksestä, ja kestää suunnilleen hetkeen 11,75 tuntia räjähdyksestä. Laskeuman kesto on näin ollen 7,75 tuntia. a voi olla välillä 1,25-3,5, ja b välillä 1,5-7. === Laskeuman viipymisaika === Viipymisaika on aika, joka kuvaa laskeuman vähenemistä T=0,43*h^{0,8} jossa T on viipymisaika ja h sienipilven pilven alarajan korkeus 10 minuutin kuluttua räjähdyksestä. Tämä aika on 1 magatonnin räjähteellä noin 3,8 tuntia. ===Teoreettisen laskeuman kaavoja=== Nukemapin teoreettisia kaavoja 1 Sv/h annosnopeutta vastaava etäisyys alatuuleen, räjähdyksessä 100 % fissiotaNukemap ja laskema `R_1_Sv=Y^0,25*u^0,25*3,92` jossa R_1:Sv on 1 Sv:tä vastaava etäisyys alatuuleen, Y räjähdysvoima kt ja u tuulen nopeus mailia tunnissa. Annosnopeus vähenee 1/10 osaansa matkalla `dR_1_10=10,7*Y^0,25*u^0,25` jossa dR_1_10 on etäisyys, jossa alun annosnopeus vähenee alatuuleen mentäessä 1/10 osaansa,Y räjähdysvoima kt ja u tuulen nopeus mailia tunnissa. Hyvin likimääräinen kaava annosnopeuden 1 Sv/h ellipsin suurimmalle leveydelle. `W_1Sv=0,46*Y^0,65` jossa W_1Sv on alussa vähintään 1 Sv/h annosnopeuden alueen suurin leveys,Y räjähdysvoima kt ja u tuulen nopeus mailia tunnissa. Kaava likimääräinne. Eksponentti voi olla välillä 0,52-0,66, keskimäärin 0,6. 1/10 käyrien väli 1Sv,0,1 Sv jne välimatka poikittain tuulen suuntaan on `dW_1_10=10,7*Y^0,25` jossa dW_1_10 on etäisyys, jossa alun annosnopeus vähenee alatuuleen mentäessä 1/10 osaansa,Y räjähdysvoima kt. ==Glasstonen laskeumaellipsejä == Glasstonen laskeumaellipsejä, kun tuulen nopeus on 6,7 m/s ja räjähdysvoima 1 Mt 1 Sv/h ellipsin pituus dist_1svh=8.9*1.609*pow(w,0.45) ja leveys width_1svh=1.609*0.38*pow(w,0.60) ja 1 Sv/h paikallislaskeuman leveys width_gs_1svh=0.39*1.609*pow(w,0.42) Tuulen nopeuden vaikutus Tässä u_mph=15.0 ja f_skale=1.0 if (u_mph>15): f_skale=1.0+(u_mph-15.0)/60.0 if (u_mph<15): f_skale=1.0+(u_mph-15.0)/30.0 dist_skaled_1svh=f_skale*dist_1svh muita Glasstonen 1977 ellipsejä width_gs_3svh=0.20*1.609*pow(w,0.48) dist_3svh=4.5*1.609*pow(w,0.45) width_3svh=0.13*1.609*pow(w,0.66) width_gs_300msvh=0.53*1.609*pow(w,0.41) dist_300msvh=16.0*1.609*pow(w,0.45) width_300msvh=1.609*0.76*pow(w,0.56) width_gs_100msvh=0.68*1.609*pow(w,0.41) dist_100msvh=24.0*1.609*pow(w,0.45) width_100msvh=1.4*1.609*pow(w,0.53) dist_30msvh=30.0*1.609*pow(w,0.45) width_30msvh=2.2*1.609*pow(w,0.50) width_gs_30msvh=0.89*1.609*pow(w,0.41) == Katso myös == *Ydinräjähdyksen vaikutukset == Lähteet == Luokka:Ydinaseiden vaikutukset