Bài giảng y học quân sự bài 27 đại cương về vũ khí hạt nhân

nguyên lý giải phóng năng lượng của nó dựa trên cơ sở dùng phản ứng phân hạch, phản ứng nhiệt hạch và hiện tượng phân rã phóng xạ của chất nổ hạt nhân.. - Khi nổ, vũ khí hạt nhân giải ph

BÀI 27 ĐẠI CƯƠNG VỀ VŨ KHÍ HẠT NHÂN

I KHÁI NIỆM VỀ VŨ KHÍ HẠT NHÂN

1.1 Định nghĩa

- Vũ khí hạt nhân là loại vũ khí hủy diệt lớn nguyên lý giải phóng năng lượng của nó dựa trên cơ sở dùng phản ứng phân hạch, phản ứng nhiệt hạch và hiện tượng phân rã phóng xạ của chất nổ hạt nhân

- Khi nổ, vũ khí hạt nhân giải phóng ra năng lượng lớn và tạo ra 5 nhân tố

phá hoại : sóng nổ, bức xạ quang, bức xạ xuyên, bức xạ dư (chất phóng xạ) và xung điện từ

- Vũ khí hạt nhân khác với vũ khí thông thường là khi nổ vũ khí hạt nhân có

sự hụt khối lượng và khối lượng bị hụt chuyển thành năng lượng theo định luật: m

= c.v nên năng lượng tỏa ra lớn gấp hàng triệu lần so với năng lượng khi nổ vũ khí thông thường(nhiệt độ cao khoảng 30 triệu 0C gấp 100 ngàn lần vũ khí thông thường, áp lực khoảng 20 tỷ atmotphe gấp 6000 lần vũ khí thông thường)

- Vũ khí hạt nhân bao gồm:

 Vũ khí hạt nhân loại nổ (bom, đầu đạn hạt nhân, mìn…)

 Vũ khí hạt nhân loại không nổ (chất phóng xạ chiến đấu)

- Vũ khí hạt nhân được chế tạo dưới nhiều dạng: bom, đầu đạn tên lửa, đạn pháo, ngư lôi, mìn…

1.2 Đương lượng nổ của vũ khí hạt nhân (ký hiệu là q)

- Đương lượng nổ của vũ khí hạt nhân là số năng lượng giải phóng do vũ khí hạt nhân nổ, được biểu thị bằng số lượng thuốc nổ trinitrotoluen (TNT) Số lượng thuốc nổ này khi cho nổ sẽ giải phóng ra một năng lượng tương đương với năng lượng của vụ nổ hạt nhân

- Đương lượng nổ thường được biểu thị bằng kiloton (KT) hoặc mêgaton (MT)

(1KT = 1.000 T; 1MT = 1.000 KT = 1.000.000 T)

Ví dụ: Quả bom nguyên tử Mỹ ném xuống Hirohima của Nhật Bản ngày

6/8/1945 có đương lượng nổ là 20 KT, có nghĩa là khi quả bom đó nổ, nó sẽ giải phóng ra một năng lượng tương đương với năng lượng giải phóng của 20 nghìn tấn thuốc nổ TNT

1.3 Phân loại vũ khí hạt nhân

1.3.1 Theo nguyên lý cấu tạo:

- Vũ khí hạt nhân (theo nguyên lý chia tách nhân để tạo năng lượng) còn gọi

là vũ khí nguyên tử, vũ khí A, vũ khí 1F (một pha)

- Vũ khí nhiệt hạch (theo nguyên lý kết hợp nhân để tạo năng lượng) còn gọi

là vũ khí khinh khí, vũ khí H, vũ khí 2F (hai pha)

- Vũ khí hỗn hợp theo nguyên lý chia tách nhân + kết hợp nhân còn gọi là vũ khí 3F (có 3 pha chia tách + kết hợp + chia tách nhân)

1.3.2 Theo đương lượng nổ: (theo phân loại của Liên Xô cũ)

 Vũ khí hạt nhân cực nhỏ 1 KT

 Vũ khí hạt nhân loại vừa 2 – 15 KT

 Vũ khí hạt nhân loại nhỏ 15 – 100 KT

 Vũ khí hạt nhân loại nhỏ 100 – 500 KT

 Vũ khí hạt nhân loại cực lớn 500 KT

1.3.3 Theo mục đích quân sự:

 Vũ khí hạt nhân thực sự chiến thuật 1 KT

 Vũ khí hạt nhân chiến thuật 1 – 100 KT

 Vũ khí hạt nhân chiến lược 100 KT

1.3.4 Theo hình dạng vũ khí:

Có bom hạt nhân, đầu đạn tên lửa hạt nhân, đạn pháo hạt nhân, mìn hạt nhân…

1.3.5 Theo chất nổ hạt nhân:

Có bom Urani, bom Plutoni, bom Cobalt, bom khinh khí…

1.3.6 Theo tính chất nổ:

 Vũ khí hạt nhân loại không nổ: chất phóng xạ chiến đấu

1.4 Phương tiện đưa vũ khí hạt nhân tới mục tiêu

Hiện nay có nhiều phương tiện có thể đưa vũ khí hạt nhân tới mục tiêu như súng cối, đại bác, tên lửa, máy bay, vệ tinh…

1.5 Nguyên lý cấu tạo vũ khí hạt nhân

1.5.1 Vũ khí phân hạch:

Năng lượng tỏa ra của vũ khí phân hạch dựa vào năng lượng do phản ứng phân hạch nguyên tử Urani – 235, Plutoni 239… Muốn thực hiện được phản ứng phân hạch cần ba điều kiện cơ bản:

* Phải có chất nổ hạt nhân (ở đây là Urani – 235) thuần khiết

* Hệ số nơtron phải lớn hơn 1 (số nơtron hiệu dụng tính trung bình của một lần phản ứng)

* Chất nổ hạt nhân phải đạt khối lượng tới hạn (khối lượng chất nổ hạt nhân tối thiểu cần thiết để vũ khí hạt nhân gây được phản ứng phân hạch)

- Lúc vũ khí hạt nhân chưa nổ, chất nổ hạt nhân chia thành 2 mảnh bán cầu, mỗi mảnh ở dưới khối lượng tới hạn khi vũ khí hạt nhân nổ, thuốc nổ TNT cháy tạo áp suất lớn đẩy hại khối bán cầu chất nổ hạt nhân áp sát vào nhau làm cho khối lượng chất nổ hạt nhân bây giờ có khối lượng trên tới hạn và bom lập tức nổ

SƠ ĐỒ CẤU TẠO VŨ KHÍ HẠT NHÂN PHÂN HẠCH

1.5.2 Vũ khí nhiệt hạch:

- Năng lượng giải phóng ra của vũ khí nhiệt hạch là do việc thực hiện hai phản ứng hạt nhân liên tiếp hai pha: pha chia tách nhân và pha kết hợp nhân

- Phản ứng kết hợp nhân là phản ứng chính tạo nên năng lượng của vũ khí nhiệt hạch, còn phản ứng chia tách nhân (phân hạch) là phản ứng tạo ra nhiệt độ cao, dùng làm mồi nổ để thực hiện phản ứng kết hợp nhân

- Điều kiện duy nhất để thực hiện phản ứng kết hợp nhân là có nhiệt độ cao hàng chục triệu độ Muốn có nhiệt độ thì phải dùng mồi nổ tạo nhiệt độ cao, là phản ứng nhiệt hạch, lớn hơn nhiều so với năng lượng của phản ứng phân hạch

- Nguyên lý hoạt động: Kíp nổ hoạt động, mồi nổ A hoạt động tạo nhiệt độ cao làm cho đơtêri và triti kết hợp với nhau thành hạt nhân hêli và giải phóng năng lượng lớn

SƠ ĐỒ CẤU TẠO VŨ KHÍ HẠT NHÂN NHIỆT HẠCH

1.5.3 Vũ khí hỗn hợp

Cấu trúc giống như vũ khí nhiệt hạch, nhưng khác là vỏ bom không phải là kim loại thường là Urani – 238 Khi bom nổ, sau khi phản ứng kết hợp thực hiện sẽ phóng ra những nơtron cực nhanh (có năng lượng rất lớn khoảng 14 MeV), những nơtron này có đủ khả năng phá vỡ Urani – 238 thực hiện phản ứng phân hạch một lần nữa Năng lượng giải phóng của vũ khí hỗn hợp chủ yếu là do phản ứng phân hạch Urani – 238

1.5.4 Vũ khí nơtron

Cấu trúc giống như vũ khí nhiệt hạch, nhưng có thiết kế đặc biệt để sao có yếu tố sát thương chủ yếu là nơtron Muốn vậy thì vũ khí nơtron, năng lượng giải phóng của mồi nổ A phải nhỏ, bên ngoài chất nổ nhiệt hạch là một lớp chất nổ hạt nhân Urani – 238 và có vỏ bom cực mỏng để tránh cản trở nguồn nơtron phóng ra ngoài

Hiện nay còn có nhiều loại vũ khí hạt nhân khác như VKHN – 35, vũ khí xung điện…

1.6 Hình thức và cảnh tượng nổ

Có 5 hình thức nổ:

1.6.1 Nổ vũ trụ: Là nổ ở độ cao 150km trở lên

Mục đích: cho nổ ở độ cao này để phá các phương tiện bay

Cảnh tượng nổ vũ trụ: nếu thời tiết tốt, ta nhìn thấy quả cầu lửa và cực quang nhân tạo

1.6.2 Nổ trên cao: (ký hiệu là C) nổ ở độ cao 65 km xuống tới 16 km

Mục đích: là phá hủy phương tiện bay trong tầng bình lưu và trung lưu của khí quyển

Cảnh tượng nổ: với điều kiện khí tượng tốt có thể nhìn thấy quả cầu lửa tròn, sáng chói, lan rộng và bốc cao rồi tan thành mây phóng xạ tỏa tán đi Nếu nổ ở độ cao tương đối thấp có thể nghe thấy tiếng nổ

Cảnh tượng nổ trên cao

1.6.3 Nổ trong không khí: (ký hiệu là K) nổ từ độ cao 16 km xuống đến độ

cao cách mặt đất khoảng cách bằng bán kính cầu lửa

Mục đích: tiêu diệt các mục tiêu ở mặt đất và dưới mặt đất

Cảnh tượng nổ:

Xuất hiện chớp sáng chói, sau đó nghe thấy tiếng nổ đanh, cầu lửa xuất hiện to nhanh, bốc lên cao, biến thành đám mây phóng xạ hình tán nấm Từ mặt đất dưới vùng nổ bụi, đất, đá…bị cuốn lên thành cột bụi giống như thân và chân nấm, kết hợp với tán nấm, hình thành một cây nấm khổng lồ gọi là “Nấm mây nguyên tử”

Cảnh tượng nổ trong không khí

1.6.4 Nổ ở mặt đất, mặt nước: (ký hiệu là Đ và N)

Nổ ở độ cao nhỏ hơn bán kính cầu lửa

Mục đích: phá hoại những mục tiêu kiên cố

Cảnh tượng nổ:

Vùng nổ hình thành bán cầu lửa hoặc cầu lửa dẹt ở phía dưới, ở mặt đất tạo thành một hố hình phễu, đất xung quanh hố rạn nứt, có phủ lớp xỉ phóng xạ Nếu nổ mặt nước, nước sôi lên dữ dội hình thành những đợt sóng cao và vỗ mạnh như sóng thần

Cảnh tượng nổ mặt đất

1.6.5 Nổ dưới đất, dưới nước: (ký hiệu là DĐ và DN) là nổ sâu trong nước,

trong lòng đất vài mét đến vài nghìn mét

Mục đích: để tiêu diệt các công trình đặc biệt kiên cố ở dưới đất, để tiêu diệt các mục tiêu trên mặt nước, dưới nước phá hủy quân cảng, đê đập

Cảnh tượng nổ: Không có cầu lửa, nghe tiếng nổ trầm, đất rung chuyển Mặt đất ở nơi bom nổ bị phá vỡ, đất bắn lên tạo thành hố hình nón cụt rỗng lòng, mầu nâu thẫm, hố bom rộng và sâu Nếu nổ dưới nước, tại vùng nổ nước sôi, bốc hơi nóng đỏ, hình thành những đợt sóng khổng lồ, dữ dội cao hàng chục mét, đồng thời một khối nước tung lên cao tạo thành cột nước cao hàng trăm mét và rơi xuống tung tóe thành sương mù phóng xạ, kết hợp với không khí nóng phụt lên nguội dần thành mây phóng xạ

Cảnh tượng nổ dưới đất và dưới nước

II YẾU TỐ SÁT THƯƠNG CỦA VŨ KHÍ HẠT NHÂN

Đặc điểm sát thương của vũ khí hạt nhân:

 Sát thương phá hoại hàng loạt trên diện tích rộng

 Sát thương phá hoại hỗn hợp do tác dụng đồng thời của nhiều nhân tố

 Sát thương phá hoại ngay khi nổ và có thể kéo dài nhiều giờ sau khi nổ

 Sát thương phá hoại trong khu vực nổ và có thể rất xa khu vực nổ

Khi vũ khí hạt nhân nổ, dù đương lượng nổ của bom đạn lớn hay nhỏ, dù cho nổ ở hình thức cao hay thấp, đều có những yếu tố sát thương:

2.1 Sóng nổ (còn gọi là sóng kích động, sóng chấn động, sóng xung kích,

sóng xung động)

Ngay sau khi vũ khí hạt nhân nổ, ta thấy xuất hiện những làn sóng nổ lan truyền ra mọi phía xung quanh môi trường nổ Năng lượng trung bình phân phối cho sóng nổ chiến khoảng 50% tổng số năng lượng của vụ nổ hạt nhân Sóng nổ là yếu tố sát thương chủ yếu, nó được hình thành do sụ giãn nở nhanh chóng khối lượng hơi trong quả cầu lửa, áp lực khối hơi đó đạt tới hàng triệu atmosphe, nó truyền năng lượng đó cho không khí xung quanh dưới dạng sóng nổ Sóng nổ lan truyền trong không khí với vận tốc khoảng 3000m/s lúc đầu tiên, sau đó giảm dần xuống bằng tốc độ sóng âm

2.1.1 Sự truyền năng lượng và sự lan truyền của sóng nổ

- Khi quả cầu nổ còn ở trạng thái đẳng nhiệt, đẳng áp thì sóng nổ chưa hình thành và sự truyền năng lượng từ quả cầu ra môi trường ngoài chủ yếu là bức xạ nhiệt Sau đó quả cầu lửa nở to nhanh chóng, sự truyền năng lượng bằng bức xạ nhiệt giảm đi và sự truyền năng lượng bằng va chạm, bằng động năng của mảnh vỡ hạt nhân dần dần lớn lên và vượt sự truyền nhiệt năng, lúc đó hình thành sóng nổ

- Khi sóng nổ lan truyền tới một điểm nào đó của môi trường xung quanh thì

áp suất nơi đó đột nhiên tăng cao tiến tới cực đại, sau giảm dần Mật độ, nhiệt độ, vận tốc của không khí cũng tăng cao

- Sự truyền lan của sóng nổ không phải là sự dịch chuyển khối không khí từ tâm nổ ra ngoài mà là sự truyền năng lượng từ các phân tử lớp không khí này sang lớp không khí khác Các phân tử không khí chỉ dao động tại chỗ, biên độ rộng ra,

va chạm vào nhau chứ không bị mang đi theo phương truyền sóng

2.1.2 Cấu tạo của sóng nổ

Sóng nổ gồm có mặt sóng Mặt sóng là mặt trước của sóng, nó được xác định bởi các thông số như siêu áp mặt sóng, nhiệt độ mặt sóng và vận tốc không khí mặt sóng Tác động của mặt sóng lớn hay nhỏ là do mặt sóng quyết định

2.1.3 Bản chất và thành phần sóng nổ

- Bản chất sóng nổ của vũ khí hạt nhân cũng giống sóng nổ của bom đạn thường, nhưng khác ở chỗ là quy mô lớn hơn, phạm vi phá hoại rộng hơn Sóng nổ bao gồm: sóng tới, sóng phản xạ, sóng kết hợp

* Khi bom nổ trên không, sóng tới là những làn sóng hình cầu đồng tâm lan

ra mọi phía xung quanh tâm nổ Khi sóng tới lan truyền chạm mặt đất, nó nén ép dần và truyền năng lượng cho lớp không khí sát mặt đất làm cho áp suất, nhiệt độ, mật độ không khí tăng đột ngột hình thành sóng phản xạ và có hướng vận động ngược với của sóng tới, mạnh hơn sóng tới từ 2 – 8 lần Sóng phản xạ có vận tốc lớn hơn sóng tới nên sẽ đuổi kịp sóng tới ở khu xa và kết hợp với nhau tạo thành sóng kết hợp, còn gọi là sóng đầu, sóng MACH

- Sóng kết hợp có thể mạnh hơn sóng tới đến 2 – 3 lần

Bản chất và thành phần sóng nổ

2.2 Bức xạ quang

2.2.1 Đặc điểm vật lý

- Bức xạ quang là một yếu tố sát thương gây hiệu ứng nhiệt và ánh sáng của

vụ nổ hạt nhân Năng lượng của bức xạ quang chiếm khoảng 35% tổng số năng lượng của vụ nổ hạt nhân khi nổ trên không Bom đạn thông thường cũng phát sáng và tạo nhiệt độ cao, nhưng cường độ yếu nên không coi là một yếu tố sát thương phá hoại người và vật dụng

- Bức xạ quang được hình thành từ quả cầu lửa Dưới tác dụng của nhiệt độ cao hàng chục triệu độ, các nguyên tử, phân tử của môi trường bị kích thích và phát ra những bức xạ có thể đốt cháy mọi sinh vật, vật chất Những bức xạ này cũng giống như bức xạ mặt trời gồm các sóng điện từ như tia hồng ngoại (IR), ánh sáng nhìn thấy, tia cực tím (UV) Khi bom nổ, lúc đầu tiên (0,1 ms) quả cầu lửa có kích thước nhỏ, ví dụ bom 100KT sau 10-3s có 70 tấn không khí bị nung nóng, sau

10-2s có 8600 tấn, sau 10-1s có 20 tấn không khí bị nung nóng Độ lớn của quả cầu

- Quả cầu lửa càng nổ to thì nhiệt độ bên trong của nó giảm dần Ví dụ sau 0,1 ms đối với bom 20 KT nhiệt độ đo được là 300.0000K, sau 1,5 ms nhiệt độ giảm xuống còn 18000K, nhiệt độ này tương đương với nhiệt độ lúc sóng nổ tách khỏi mặt cầu lửa

Đường kính quả cầu lửa Đương lượng nổ

2.2.2 Các giai đoạn phát triển nhiệt độ ở bề mặt quả cầu lửa:

Giai đoạn mở đầu: rất ngắn khoảng 1.10-6s, lúc đó kích thước cầu lửa rất nhỏ, năng lượng tỏa ra ít, bức xạ quang trong giai đoạn này có tác dụng sát thương không đáng kể

Giai đoạn 1: tính từ khi quả cầu lửa hình thành, nhiệt độ lúc đó từ 50.0000K đến 70.0000K cho đến khi nhiệt độ giảm xuống còn 20000K, thời gian này khoảng 1.10-3s

Giai đoạn 2: ở giai đoạn này nhiệt từ 20000K lại tăng dần lên 80000K, sau giảm xuống 15000K - 17000K thì cầu lửa hết phát sáng

2.2.3 Thời gian phát sáng của cầu lửa:

Các giai đoạn phát triển nhiệt độ

ở bề mặt quả cầu lửa

Phụ thuộc vào đương lượng nổ và chất lượng cải tiến của bom đạn:

- Bom đạn cỡ nhỏ: phát sáng từ 1 – 1,5s

- Bom đạn cỡ vừa: phát sáng 3s

- Bom đạn cỡ lớn: phát sáng 8s

- Có loại bom: Phát sáng 20s ví dụ: bom 20 KT phát sáng < 3s; bom 10MT phát sáng > 10s

2.2.4 Thành thành của bức xạ quang

Tỷ lệ từng loại bức xạ thay đổi tùy theo từng giai đoạn phát triển của nhiệt độ:

Giai đoạn 1: chủ yếu phát ra tia cực tím, những tia này bị không khí hấp thụ gần hết nên tác hại không đáng kể

Giai đoạn 2: tia cực tím: 13%, ánh sáng nhìn thấy 45%, tia hồng ngoại 48% Nhiệt độ cầu lửa càng giảm thì tỷ lệ tia hồng ngoại càng tăng lên

Khi nổ trên cao, tác hại của bức xạ quang mạnh nhất

2.3 Bức xạ xuyên

2.3.1 Tính chất chung:

Là yếu tố sát thương hết sức quan trọng, yếu tố đặc trưng của vũ khí hạt nhân, nhất là vũ khí cỡ nhỏ và cực nhỏ Đối với vũ khí hạt nhân cỡ trung bình, tổn thương do bức xạ xuyên chiếm 15-20%, nhưng với cỡ cực nhỏ, tổn thương do bức

xạ xuyên có thể lên tới 40%

2.3.2 Thành phần của bức xạ xuyên:

Thực chất sau khi nổ vũ khí hạt nhân, có đủ các loại tia phóng xạ bắn ra như anpha, bêta, gamma, nơtron mà ta gọi là những bức xạ hạt nhân ban đầu (rayons nuclecires initials) Nhưng vì tia anpha và bêta có khoảng chạy ngắn và bị hấp thụ nhanh chóng bởi môi trường xung quanh tâm nổ và không có tác dụng sát thương tức thời nên chỉ còn có tia gamma và dòng hạt nơtron có thể bắn đi xa và gây tác hại Ta gọi chúng là bức xạ xuyên

2.3.3 Bức xạ xuyên của vũ khí hạt nhân

Vũ khí nhiệt hạch khi nổ cũng tạo ra bức xạ xuyên như vũ khí phân hạch, nhưng thành phần bức xạ xuyên chủ yếu là nơtron và nơtron này có năng lượng rất lớn, khoảng 14 MeV nên ta gọi nơtron cực nhanh

Một điều cần chú ý là tỷ lệ giữa nơtron và gamma trong bức xạ xuyên thì không cố định mà tùy theo hình thức nổ, đương lượng nổ và cự ly khoảng cách Theo một vài tài liệu của liên xô (cũ) thì với một quả bom 1 KT, nổ trong không khí, ở cách tâm nổ 3km thì liều gamma cao hơn nơtron 10 lần, ở cách tâm nổ 400m thì nơtron cao hơn gamma 5 lần Còn liều bức xạ xuyên nói chung phụ thuộc chủ yếu vào cỡ vũ khí, hình thức nổ, thời gian sau khi nổ

Số lượng bức xạ xuyên phụ thuộc vào thời gian:

% liều xạ so với tổng liều xạ 55 70 78 84 92 98 100

2.4 Bức xạ dư

2.4.1 Bức xạ dư (còn gọi là chất phóng xạ) sinh ra trong nổ vũ khí hạt nhân,

là một nhân tố sát thương đặc trưng và chiếm 10% số năng lượng tỏa ra của vụ nổ Bức xạ dư khác bức xạ xuyên ở chỗ bức xạ xuyên chỉ có tác dụng trong khoảng 10-15s sau khi nổ và trên một diện tích không rộng, còn bức xạ dư thì gây tác hại trong khoảng thời gian dài vài giờ đến vài năm và trên một diện tích rộng có khi tới hàng trăm km2