Подводный ядерный взрыв

Подводный ядерный взрыв—ядерный взрыввводена некоторой глубине. Такие взрывы могут применяться для поражения подводных и надводных целей, гидротехнических сооружений и других объектов.
Приведённая высота (глубина) заряда в метрах на тонны тротилового эквивалента в кубическом корне (в скобках пример для взрыва мощностью 1 мегатонна):
Возможен также переходный случай между подводным иназемным ядерным взрывом, при котором образуется подводная донная воронка и происходит выброс воды и грунта:
При подводном взрыве тепловая волна уходит от заряда не далее нескольких метров (до 0,032 м/тили 3,2 м для 1 Мт). На этом расстоянии образуется подводная ударная волна. Первоначально фронт ударной волны одновременно является и границей пузыря, но через несколько метров расширения она перестаёт испарять воду и от пузыря отрывается.
Световое излучение при подводном взрыве не имеет никакого значения и может быть даже не замечено — вода хорошо поглощает свет и тепло.
Подводная ударная волна является очень эффективным поражающим фактором для военных плавсредств (корабли и особенно подводные лодки), поскольку водная среда почти без потерь проводит колебания и ударная волна сохраняет разрушительную энергию на больших расстояниях. Радиус разрушений прочных надводных кораблей у низкого воздушного и неглубокого подводного взрыва примерно одинаков, но подводные лодки в погружённом состоянии уязвимы только подводному взрыву. Выход ударной волны на поверхность сопровождается несколькими явлениями.
В районе эпицентра, из-за отражения волны от границы вода-воздух, разогнавшийся отражённой волной поверхностный слой толщиной до нескольких десятков см отрывается с явлениемкавитациии образует купол из брызг.
Дальше района эпицентра ударная волна проявляет себя в виде тёмного круга на поверхности, называемого «слик» (slick) или «гладь» — явление разглаживания мелких волн и ряби ударной волной. После прохода ударной волны в подводной толще можно видеть ещё одно проявление кавитации из-за растяжения воды и появления множества пузырьков в виде светлого кольцеобразного облака и отдельных кратковременных всполохов вокруг, называемое «белая вспышка» и «треск»; явление сродни появлению купола в эпицентре, но здесь вода не подбрасывается, а сдвигается в стороны.
Оставшийся под водой парогазовый пузырь продолжает расширение, в зависимости от глубины судьба его может быть различной.
Если глубина взрыва велика (сотни метров), а мощность относительно мала (десятки килотонн), то пузырь не успевает расшириться до поверхности и начинает схлопывание. Сжатие объясняется тем, что последняя стадия расширения идёт не от внутреннего давления, а по инерции и давление внутри пузыря становится меньше давления окружающей воды. Сжатие снизу идёт быстрее из-за более высокого там давления: внутрь пузыря устремляется сходящийся конусом поток воды (кумулятивный эффект). Поток налетает на верхнюю стенку, образует внутри пузыря водяной столб и сферический пузырь обращается во вращающееся кольцо (наподобие торообразного облака воздушного взрыва). В сжатом состоянии пузырь имеет небольшоелобовое сопротивлениеи быстро всплывает.
Последняя стадия сжатия также происходит по инерции и давление в пузыре становится намного больше окружающего: кольцеобразный пузырь сжимается до предела и скачком начинает обратное расширение. Скачок между сжатием и расширением настолько короток, что напоминает второй взрыв и вызывает повторный гидравлический удар. Парогазовое кольцо из-за обтекания водой приобретает почкообразную форму, при максимальном расширении всплытие почти прекращается. Таких колебаний в бесконечной идеальной несжимаемой жидкости могло бы быть бесконечно много, но в реальности наблюдается около десяти, а чаще всего, если размер пузыря не намного меньше глубины, не более 3–4 пульсаций. Во время сжатий вихреобразная парогазовая масса разбивается на отдельные пузыри.
При каждой пульсации пузырь теряет энергию, которая расходуется в основном на гидравлические удары. При первом расширении в пузыре остаётся 41 % (остальное уходит с ударной волной и тепловыми потерями), при втором 20 %, при третьем только 7 % энергии взрыва. Из всех гидравлических ударов главное значение имеет первая ударная волна, так как следующий удар имеет импульс давления в 5–6 раз слабее, третий в 15–18 раз меньше. Повторные удары могут наносить решающее разрушение только в том случае, если всплывающий пузырь во время скачка окажется рядом с целью (напр. подводной лодкой).
Явления при выходе пузыря на поверхность зависят от того, на какой стадии это происходит. Если маломощный взрыв был очень глубоко, то кольцеобразный вихрь окончательно распадается, скопление пузырьков всплывает долго, теряет по пути энергию и на поверхности появляется только гора пены. Однако при достаточно мощном взрыве (несколько килотонн и более) и не слишком большой глубине (до сотен метров) в воздух поверх купола выбрасывается весьма эффектное явление — взрывной султан, фонтан или водяной столб (последнее название не всегда применимо).
Султан состоит из нескольких последовательных выбросов воды, которые выдувает выходящий на поверхность пузырь, причём первые центральные выбросы самые быстрые, а последующие окраинные всё более медленные из-за падения давления в пузыре.
Форма и размеры султана могут быть различными. Если пузырь выходит на поверхность во время первого, второго и т. д. максимального расширения, то султан получается размашистым и округлым, но от пульсации к пульсации он может быть только меньше. Если пузырь прорывается в момент сжатия и быстрого всплытия, то выстреливаемый большим давлением поток образует высокий и узкий столб.
Особый случай представляет выход пузыря во время первого ускоренного расширения, когда газы неглубокого взрыва ещё не остыли. Немедленно после взрыва появляется очень высокий и относительно узкий султан, похожий на кубок. Светящиеся газы прорываются сквозь него, создают достаточно мощную воздушную ударную волну и образуют капустообразное облако (облако султана).
В районе эпицентра быстро растущий султан может быть поражающим фактором и наносить кораблю разрушения, сравнимые с подводной ударной волной; при неглубоком ядерном взрыве потоки воды и пара ломают и разносят судно на мелкие части.
Обратное падение водяного столба вряд ли утопит оказавшийся рядом корабль, поскольку оно больше напоминает обильный душ или своеобразный мелкий ливень, чем монолитный водопад. Султан хоть и выглядит внушительно и массивно, его стенки состоят из летящей мелкокапельной взвеси (вроде водяной пыли изпульверизатора) и имеют среднюю плотность 60–80 кг/м³. Тем не менее эта капельная взвесь спускается очень быстро: со скоростью 10–25 м/с— гораздо быстрее падения отдельной мелкой капли. Это явление быстрого осаждения скопленияаэрозольныхчастиц, когда плотное скопление падает вместе со вмещающим его воздухом как единое целое. По такому же принципу падает с горы сухаялавина, намного быстрее падения одной снежинки.
Значительная часть брызг не могут сразу вернуться в море, так как вмещающий их воздух отражается от поверхности и растекаются во все стороны: у самого основания султана из падающих брызг накапливается кольцо из капель и тумана, называемоебазисной волной.
Туманно-капельная волна в форме лепёшки высотой до нескольких сотен метров обладает хорошейтекучестьюи от первоначального импульса движется достаточно быстро во все стороны от эпицентра. Через 2–3 минуты она отрывается от поверхности и становится облаком, поведение которого целиком определяется погодой и ветром, а через 5–10 минут, пройдя несколько километров, она практически исчезает.
Базисная волна есть продолжение султана и изначально представляет собой плотную турбулентную воздушно-капельную смесь. Прямая физическая опасность для человека в ней есть, но она не настолько велика, как может показаться в эффектных документальных фильмах испытаний: как во время мокрого ветра cбурунами, некоторое время будет трудно дышать и ориентироваться, может сбить с ног и сбросить с палубы. Но так как это ядерный взрыв, базисная волна может иметь изрядную радиоактивность.
Интенсивность излучения воздушно-капельного потока наиболее велика при неглубоких ядерных взрывах, когда в султан вбрасываются свежие продукты детонации и в базисной волне остаётся около 10 % осколков деления: до 0,3–1 Гр/с или до 30–100 рентген в секунду сразу после взрыва. С увеличением глубины выход радиоактивности падает из-за вымывания остатков заряда из пузыря при его пульсациях, минимальным он будет при выбросе султана во время сжатия парогазового объёма. Радиационное воздействие базисной волны имеет две особенности:
Расширение пузыря подводного взрыва вызывает волны поверхности воды, похожие нацунами. Для корабля они опасны только в непосредственной близости от эпицентра, где и без них достаточно факторов для затопления судна и гибели команды. А вот людям на побережье эти волны могут угрожать на таких расстояниях, где ударная волна вызвала бы только дребезжание стёкол (см. пример).
Проведение ядерных подводных взрывов на малой глубине (в ходе операции «Hardtack» на атоллеЭниветок, испытания Wahoo и Umbrella, одной из задач испытаний была оценка радиоактивных загрязнений таких взрывов и оценка возможностей дезактивации кораблей после них) показало, что подводные ядерные взрывы, в сравнении с наземными, сопровождаются значительно меньшим надводным радиационным загрязнением - как по интенсивности, так и по площади - за счет поглощения радиоактивных частиц водой и быстрым выпадением дождей с выброшенным взрывом радиоактивным материалом. В ходе операции суда после испытания Wahoo были быстро дезактивированы и приняли участие в испытании Umbrella.
При глубоководных ядерных взрывах снижение выброса радионуклидов в атмосферу и, соответственно, радиоактивное загрязнение снижается еще существеннее: так, при взрыве ядерного устройства мощностью 30 Кт на глубине 610 метров (Операция «Wigwam», в пятистах милях к юго-западу отСан-Диего, Калифорния), выброс радиоактивных веществ в атмосферу оказался в 100 раз меньше, чем при наземных или низковысотных ядерных взрывах такой же мощности. Кроме поглощения радиоактивных частиц водой снижению выброса радионуклидов способствует снижениенаведенной взрывом радиоактивности: в отличие от наземных взрывов подавляющая часть нейтронного потока взрыва поглощается водой, при этом образуются стабильные нерадиоактивные изотопы водорода и кислорода -дейтерийиO.
Неглубокий подводный взрыв — один из самых эффектных видов ядерного взрыва, к тому же случайный наблюдатель может увидеть взрывные эффекты в непосредственной близости с расстояния в несколько километров, не потеряв при этом зрение и не сильно пострадав от ударной волны. Смертельно опасные «сюрпризы» придут к нему только через несколько минут в виде радиоактивного тумана с дождём и волн типацунами.
Посмотрим на действие подводного взрыва 100 кт на глубине около 50 м. Он соответствует приведённой глубине 1 м/т, для которой есть достаточно информации: взрыв Бэйкер 23 кт на глубине 27 м (Операция «Перекрёстки»в 1946 г., США) ииспытание торпеды Т-5 в 1955 году3,5 кт на глубине 12 м (полигон наНовой Земле, СССР). Подобным образом будут выглядеть взрывы 1 кт на глубине 10 м, 1 Мт на глубине 100 м, 100 Мт на глубине около 500 м и т. д., отличаясь размерами последствий.