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.
Säteilyannoksen yksikkö on sievert Sv. 1 sievert on 1000 millisievertiä ja 1000000 mikrosievertiä.
Vanhoihin yksikköihin verrattuna 1 sievert on 100 remiä (rem) ja 1 sievert on 100 röntgeniä (R).
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 Sv. Vanha imeytyneen säteilyannoksen yksikkö on rad, joka on 0,01 Gy.
Aktiivisuuden yksikkö on becquerel Bq. Vanha aktiivisuuden yksikkö on curie Ci. 1 curie on 37 gigabecquerelia. Aineiden aktiivisuuksia ilmoitetaan esimerkiksi yksiköissä Bq/kg, Bq/m tai Bq/m. Tšernobylin aikaan Suomeen tuli enimmillään paikoin noin 80 kbq/m laskeuma, mikä vastaa noin 5 mikroSv/tunnissa. Säteily oli enimmillään 0-20 kertaa normaalia taustasäteilyä voimkkaampaa.
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 viikossa. Annosnopeuden osalta yli 1 mikrosievertiä tunnissa vaatii suojautumista.
Yleisesti ottaen yli 2 grayta (Gy) ihmiseen imeytynyttä säteilyä saattaa tappaa. 50 % kuolee, jos annos on noin 5 Gy. 7 Gy tappaa varmasti. 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.
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 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 säteellä ja monet suojattomat saavat usein tappavia 3. asteen palovammoja 10,7 km päässä räjähdyspisteestä. Yhden kilotonnin räjähteellä 35 kPa paine ulottuu 0,46 km päähän ja 3. asteen palovammat 0,5 km päähän. Mutta 50-80 % tappava 5 Sv alkusäteily ulottuu 840 m päähän ja säteilysairautta aiheuttava 0,15 Sv säteily 1,49 km päähän.
Varhaislaskeuma
**Lähilaskeuma
**Kaukolaskeuma
*Myöhäislaskeuma
Kraatteria ei synny, jos räjäytyskorkeus on yli formula_1 metriä, ja laskeuma vähenee, jos räjäytyskorkeus on yli formula_2 metriä.
Ydinräjähdyksen pilven yläreunan korkeus on formula_3 metriä. Niinpä kilotonnin pilvi nousee 3 km ja megatonnin pilvi 23 km korkeuteen. Toisten kaavojen mukaan pilven yläreunan korkeus H 10 minuuttia räjähdyksen jälkeen on alle 20 kilotonnin räjähteellä formula_4 ja alareunan korkeus formula_5
Pilven yläreunan korkeus yli 20 kilotonnin räjähteellä olisi formula_6 ja alareunan korkeus formula_7. 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 formula_8.
Yhden megatonnin pilvi vakautuu noin 10 minuutissa.
Radioaktiivinen aines häviää ajan mukana. Jotkut aineet pysyvät radioaktiivisina kymmeniä tuhansia vuosia, toiset lyhyemmän ajan. Ydinräjähteen tuottama radioaktiivinen aines menettää radioaktiivisuuttaan keskimäärin nopeudella formula_9 jossa formula_10 on annosnopeus tunti räjähdyksen jälkeen, formula_11 annosnopeus hetkellä formula_12 tuntia, formula_13 aika. 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 osaansa.
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.
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 %. Ilmassa leijuessaan hiukkaset menettävät radioaktiivisuuttaan ja tiheä hiukkaspilvi hajaantuu. Toisaalta hiukkaset kulkeutuvat tuulen mukana yhä kauemmas vaaraa aiheuttamaan.
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 kg. Ydinräjähdyksessä ilmaan vapautuu
formula_14
jossa formula_15 aktiivisusu curieta, formula_16 ilmaistaan kilotonneina, formula_17 fission osuus, formula_18 kerroin.
formula_17 voi olla esim formula_20 ja formula_21
Tämän mukaan yhden megatonnin räjähdys voi vapauttaa ilmekehään enintään 530 miljardia curieta jälkisäteilyä.
Vaarallisen laskeumasektorin kärjen etäisyys alatuuleen räjähdyspaikasta saadaan kaavalla
formula_22.
Tässä formula_23 on tuulen nopeus yksikössä km/h (3,6·m/s) ja formula_24 räjähdysvoima kilotonneina. Tällä vaarallisella alueella säteilyn annosnopeus on on yli 1 mSv/h.
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.
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 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 etäisyydellä 5-10 % olisi saattanut kuolla. Tällä alueella tuli neljässä vuorokaudessa ainakin 5 Sv. Noin 350 km päässä säteily ei olisi ollut enää tappavaa. 1Sv tuli vielä noin 460 km päästä alatuuleen, 16 tunnin kuluttua räjähdyksestä. Pilvi ehti 250 km päähän noin 8 tunnissa.
Teoreettiset laskeumaellipsit: 1 megatonnin räjähdys, navakka tuuli 7 m/s puhaltaa samaan suuntaan, ei sateita.
Muutamassa päivässä suojattoman tappava alue on tällöin noin 200x60 km, noin 7 020 km. Ihmisiä kuolee vielä alun annosnopeudella 300 mSv/h, jonka ellipsi ulottuu 260x60 km alueelle. Säteilysairaus tulee vielä 825x77 km alueella, jolla tulee 70 mSv/h. Paljon kauempana tarvitaan suojautumista syöpäriskin takia.
300 msv/h annosnopeus, mikä vastaa noin 1,5 Sv kokonaisannosta, juuri ja juuri tappava, 7 m/s tuuli, fission osuus 100%, pintaräjähdys
Voima Pituus km Leveys kmTuulen nopeuden vaikutus 1 Mt maanpintaräjähdys, fissio 100%, 300 Sv/h juuri ja juuri tappava kokonaisannos
Nopeus Pituus Jos laskeuma on on 93 km 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 päässä on saman logiikan mukaan 2 Sv/h, koska sen voimakkuus on 1000/(3,8), jossa 1,2 on keskimääräinen puoliintumiseksponentti, kantaluku aika ja jaeattva alkuperäinen annosnopeus.
Laskeuman maksimiannos saadaan etäisyydellä
formula_25
Jossa Dm on tuhansia jalkoja, s tuulen nopeus solmua ja W kilotonneja.
Toisaalta maksimiannos Rm on
formula_26
Laskeuman huippu saavutetaan hetkellä
formula_27, jossa
formula_28 on keskimäärin 2, jos lakseuma kertyy keskimääräistä vauhtia.
laskeuma kestää vielä huipun jälkeen
formula_29.
formula_30 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. formula_28 voi olla välillä 1,25-3,5, ja formula_30 välillä 1,5-7.
Viipymisaika on aika, joka kuvaa laskeuman vähenemistä
formula_33
jossa T on viipymisaika ja h sienipilven pilven alarajan korkeus 10 minuutin kuluttua räjähdyksestä. Tämä aika on 1 magatonnin räjähteellä noin 3,8 tuntia.
Nukemapin teoreettisia kaavoja 1 Sv/h annosnopeutta vastaava etäisyys alatuuleen, räjähdyksessä 100% fissiota
codice_1
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
codice_2
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.
codice_3
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
codice_4
jossa dW_1_10 on etäisyys, jossa alun annosnopeus vähenee alatuuleen mentäessä 1/10 osaansa,Y räjähdysvoima kt.
Glasstonen laskeumaellipsejä, kun tuulen nopeus on 6,7 m/s ja räjähdysvoima 1 Mt
1 Sv/h ellipsin pituus
formula_34
ja leveys
formula_35
ja 1 Sv/h paikallislaskeuman leveys
formula_36
Tuulen nopeuden vaikutus
Tässä
u_mph=15.0 ja f_skale=1.0
muita Glasstonen 1977 ellipsejä