核与化学损伤/核武器的四种杀伤因素

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核武器与化学武器损伤

核武器与化学武器损伤目录

核爆炸瞬间产生的巨大能量,形成光辐射、冲击波、早期核辐射和放射性沾染四种杀伤破坏因素。前三种因素的作用时间,均在爆炸的几秒至几十秒之内,故称为瞬时杀伤因素(instantaneous killing factor)。放射性沾染的作用时间长,可持续几天,几周或更长时间,以其放射性危害人员健康,因此称为剩余核辐射(recidual unclear radiation)。此外,由核爆炸释放的γ射线,使空气分子电离,形成核电磁脉冲(nuclear electro-magnetic pulse),它的作用时间不到一秒钟。主要是破坏或干扰电子和电气设备,尚未发现对人畜有杀伤作用。
  在30km高度以下大气层中的核爆炸,上述四种杀伤破坏因素在爆炸总量所占比例大致为:光辐射35%,冲击波50%,早期核辐射5%,放射性沾染10%。但由于核武器种类、当量和爆炸环境的不同,能量分配的比例会有很大的差异。例如中子弹的早期核辐射(主要是高能中子)的能量比例可高达40%~80%,其它杀伤因素的能量比例则显著降低。
  一、光辐射
  (一)光辐射的形成
  光辐射(light radiation)是核爆炸瞬间产生的几千万度的高温火球,向四周辐射的光和热、光辐射也称热辐射(thermal radiaion)。


(二)光辐射的主要性质
  1.能量释放:光辐射能量释放有两个脉冲。第一脉冲为闪光阶段,持续时间极短,所释放的能量仅为光辐射总能量的1%~2%,主要是紫外线。这阶段不会引起皮肤损伤,但有可能引起视力障碍。第二脉冲为火球阶段,持续时间可达几秒至几十秒,所释放的能量占光辐射总量的98%~99%,主要是红外线和可见光,是光辐射杀伤破坏作用的主要阶段。
  2.光冲量:光冲量(radiant exposure)是徇衡量光辐射杀伤破坏作用的主要参数。光冲量是指火球在整个发光的时间内,投射到与光辐射传播方向相垂直的单位面积上的能量,单位是焦耳.每平方米或焦耳.每平方厘米(J.m-2、J.cm-2)。
  3.光辐射的传播:光辐射具有普遍光的特性,在大气中是以光速(3×108m.s-1)呈直线传播。传播中,受到大气中各种介质的反射散射和吸收、强度逐渐被削减,但能透过透明物体发生作用。
  二、冲击波
  (一)冲击波的形成
  核爆炸形成的高温高压火球,猛烈向外膨胀,压缩周围的空气层,形成一个球形的空气密度极高的压缩区。随着压缩压的迅速向外运动,其后形成一个球形的低于正常大气压的稀疏区。两个区域紧密相连,在介质中迅速传播,形成了核爆炸的冲击波(blast wave)(图2-5)。
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图2-5 冲击波形成及运行模式图
  (二)冲击波的主要性质
  1.冲击波的压力:冲击波的压力有超压(overpressure)、动压(dynamic pressure)以及负压(underpressure,negative pressure)三种。压缩区内超过正常大气压的那部分压力称为超压;高速气流运动所产生的冲击压力称为动压。波阵面上的超压和动压最大,分别称为超压峰值和动压峰值。以单位面积所承受的压力表示,其单位是帕斯卡(简称帕,符号Pa,1Pa=1N.m2,1kPa=7.501mmHg)。稀疏区内低于正常大气压的那部分压力称为负压。冲击波的杀伤破坏作用主要是由超压和动压造成的,而负压的作用较小。
  2.冲击波的传播:冲击波传播的规律与声波相同。压力越大,传播越快,最初速度可达每秒数公里。以后随着传播距离渐远,压力渐小,则速度渐慢,当压力降至正常大气压时,冲击波就变成声波而消失。
  3.冲击波的作用时间:冲击波到达某一距离所需的时间,称为冲击波的到达时间。冲击波到达某一点,压力从开始上升至达峰值所需的时间,称为压力上升时间。超压持续作用的时间,称为正压作用时间。压力上升时间越短,正压作用时间越长,则杀伤破坏作用就越强,反之则越弱。
  三、早期核辐射
  (一)早期核辐射的形成
  早期核辐射(initial unclear radiation)是核爆炸特有的一种杀伤因素,又称贯穿辐射(penetrating radiation),是核爆炸后最初十几秒钟内产生的γ射线和中子流。
  (二)早期核辐射的主要性质
  1.传播速度快:γ射线以光速传播;中子传播速度由其能量决定,最大可接近光速。
  2.作用时间短:核裂变和聚变中子以及氮俘获产生的γ射线。作用时间不到半秒钟;裂变碎片γ射线,因碎片多为半衰期短,衰变快,又随火球、烟云上升,因此不论当量大小,早期核辐射对地面目标的作用,时间多为十几秒钟以内。
  3.能发生散射:早期核辐射最初基本上呈直线传播,但在传播过程中与介质相碰撞可发生散射,运动方向呈杂乱地射向目标物。
  4.贯穿能力强,但能被介质减弱:早期核辐射的贯穿能力强,但在通过各种介质时均会不同程度地被吸收而减弱,各种物质对早期核辐射的减弱能力通常用物质的半减弱层表示。半减弱层是指早期核辐射减弱一半所需的物质的层厚度。从表2-2中可见14cm厚的土层,能将早期核辐射减弱50%。另外不同物质对不同种类射线的减弱能力是不同的。
表2-2 某些物质对早期核辐射的半减弱层


辐射 半减弱层(cm)
土壤 混凝土 木材
γ射线 14.0 10.0 30.0 20.0 3.2
中子 13.8 10.3 11.7 5.0 4.7

5.产生感生放射性:土壤、兵器、含盐食品及药品中某些稳定性核素的原子核,俘获慢中子形成放射性核素。这种放射性核素称为感生放射性核素,这种放射性叫感生放射性。
  6.早期核辐射量:通常以吸收剂量表示,单位是戈瑞(Gy),中子量有时用中子通量表示,中子通量是指单位面积(m-2或cm-2)上的中子数。
  四、放射性沾染
  (一)放射性沾染的形成
  核爆炸时产生的大量放射性核素,在高温下气化,分散于火球内,当火球冷却成烟云时,与烟云中微尘以及由地面上升的尘土凝对成放射性微粒。受重力作用向地面沉降,称放射性落下灰(radioactive fallout),简称落下灰。由此造成空气、地面、水源、各种物体和人体的沾染称为放射性沾染(radioactive contamination)。
  (二)放射性沾染的主要性质
  1.组成成分:放射性落下灰由核裂变产物、感生放射性核素和未裂变的核装料三部分组成。落下灰主要发射β、γ射线。
  2.理化特性
   (1)状态:落下灰粒子呈球形或椭圆形微粒,粒内放射性物质分布均匀。颜色与爆区土壤有关,可呈黑色、灰色或其它颜色。粒径大小与爆炸方式有关,地爆的粒径较大,自几微米至几毫米;空爆的粒径较小,仅为几微米至几十微米。
   (2)溶解度:溶解度与落下灰的粒径大小,放化成分以及溶剂的酸碱度有关。水中溶解度较低,仅为10%左右。在酸性溶液中溶解度较高,如在0.1N的盐酸溶液中溶解度为35%~60%。
   (3)比活度:落下灰的比活度,随其粒子径的增大而减小。爆后1小时的落下灰,地爆的比活度为107~1010Bq.g-1
  3.落下灰的衰变规律:试验证明,在爆后1~5000小时内,地面辐射级(即剂量率)的衰变可用“六倍规律”粗略计算,即时间每增加6倍,辐射级降至原来的1/10。如某处爆后1小时辐射级为80cGy.h-1;爆后6小时降到8cGy.h-1;爆后36小时降到0.8cGy.h-1
  4.放射性沾染量
  (1)地面沾染:用距地面0.7~1m高度的辐射级表示,单位是戈瑞(或厘戈瑞)每小时(Gy.h-1、cGy.h-1)。
  通常将0.5cGy.h-1的地域定为沾染边界。将地面沾染的严重程度划分为四级:0.5~10cGy.h-1的地域为轻微沾染区;10~50cGy.h-1的地域为中等沾染区;50~100cGy.h-1的地域为严重沾染区;大于100cGy.h-1的地域为极严重沾染区。(2)人体或物体表面沾染:用单位面积上的放射性活度表示,单位是贝可.每平方米或贝可.每平方厘米(Bq.m-2、Bq.cm-2)。
  (3)物质污染:用比活度表示,单位是贝可.每千克或贝克.每克(Bq.kg-1、Bq.g-1)。
  (4)空气或液体污染:用放射性浓度表示,单位是贝可.每升或贝可.每毫升(Bq.L-1、Bq.ml-1)。

32 核武器概述 | 核武器的杀伤作用 32
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