導入
原子爆発または核爆発は、原子爆弾の爆発の結果です。この用語は一般に、A (核分裂) 爆弾の爆発とH (核融合) 爆弾の爆発を区別しません。
- 放出されたエネルギー(TNT のキロトンまたはメガトンで表されます。TNT 1トンは10 9カロリー、または4.18×10 9ジュールを発生します)。
- 放射線（両方のタイプの原子爆弾によって放出される）。
これら 2 つの要素は、原子爆発の威力と恐るべき結果を説明します。広島と長崎の上空で爆発した2発の原爆は、その影響により、哲学や芸術だけでなく地政学も含めて世界を核時代へと導くのに十分でした。
爆発物理学
プロセス
原子爆発はいくつかの段階で起こります。
- 連鎖反応 (0 ～ 10 -6秒);
- 火の玉/ 過圧 (10 -6から1/10秒まで);
- 過圧の延長、火の玉の徐冷（0.1 ～ 10 秒）。
- 真菌の形成（数秒、場合によっては数分）。
- 真菌の上昇と消失、降下物、黒い雨（降下物については数分から数か月）。
これらの段階の継続時間は、地下または低空での爆発の場合、強度、高度、爆弾の性質、気象条件、地形の性質によって大きく異なります。
エネルギーの解放
核分裂爆弾
臨界質量に達すると、プルトニウムであってもウランであっても、連鎖反応が引き起こされます。放出された中性子は、約1 4×10 7 m/sの速度に達し、直径約 10 ～ 20 センチメートルの核分裂性物質の塊をわずか10 -8秒で通過します。 2 つの核分裂間の平均時間は10 -8秒です。したがって、軍事利用を目的とした放射性物質は、十分な反応を達成するために、各衝突で少なくとも 2 個の中性子を放出する必要があります。約2×10 24 個の核分裂を伴う爆弾は、 20 キロトンの TNT に相当するエネルギーを生成します (広島に投下された原子爆弾の威力よりわずかに大きい)。各核分裂で2 つの中性子が放出されることを考慮すると、この20 ktの出力を得るのに必要な世代数(最初の中性子から始めて) をおおよそ決定できます。
- $$ { n = \log_2 (2\cdot10^{24})+1 \approx 81{,}7 } $$
反応が中断されなければ、エネルギーの放出は 0.8 マイクロ秒後に完了します。この進行は指数関数的な法則に従うため、エネルギーの大部分は最後の世代で生成されます。最初の 60世代の間、エネルギーは原子爆発を起こすのに必要な従来の爆薬に相当します。 77 世代後、TNT は約1,000 トン( 1 千トン) に達します。爆弾のエネルギーの 95% は過去 5 世代の間に生成されます。
実際には、この現象は完全に連続的ではありません。新しい分裂が進行している間でも、前の分裂は活動を続けます。より正確なモデルは、現象の持続時間と核分裂の数についてのより良いアイデアを提供します。
融合爆弾
火の玉と過圧
最初のマイクロ秒で、核反応によって主に γ 線と中性子の形でエネルギーが放出されます。これらの放射線は数メートル以内の空気に吸収され、熱（熱エネルギーの意味で）が放出され、その温度は局所的に摂氏100万度を超えます。この過熱された空気は、数十メートルの「火の玉」（白熱ガスの球状の塊）を形成します。黒体のように動作し、最初に X 線の形で強力な熱放射を放出します。大気は X 線に対してあまり透明ではないため、数メートル以内で再吸収されます。続く数ミリ秒で、火の玉は膨張し、冷却されます。その熱放射は、紫外線、可視光線、赤外線に向かって「スライド」します。これらの波長では空気が透明であるため、熱放射は数十キロメートルにわたって伝播する可能性があります。激しく、遠くにある物体を燃やし、発火させます。冷却を続ける火の玉は数秒以内に最大直径に達します（ 10秒で1Mtあたり約2.2km ）。この膨張は最初は超音速で起こり、衝撃波が発生し、続いて爆発効果が発生します。
真菌の形成
きのこ雲は輝積乱雲、つまり太陽放射以外の熱源によって形成される積乱雲型の雲です。対流により、火の玉はその熱により急速に上昇します。冷えると可視光の放射が止まります（したがって白熱光ではなくなります）。含まれる水蒸気が凝縮してキノコ雲の上部を形成します。原理的には、 1Mtの爆発で高度約20kmの成層圏に到達し、その後1Mtで直径35kmの距離を水平に衝突します。火の玉が形成されたときに地面に触れていない場合、雲はかなり白く、火の玉によって吸収された大気成分の加熱によって生じる窒素酸化物、水蒸気、および少量の窒素が主に含まれています。最初の核反応から生じる放射性核種の存在により、高度に放射性を帯びたデブリ（塵、ガス）。火の玉が地表に衝突すると、粉砕された大量の固体の破片（塵）が雲の中に吸い込まれます。その後、茶色になります。火災からの煤が追加される可能性があります。
放射性降下物
火の玉が表面に当たった場合、または機械の出力が低い場合 (< 10 kt ):
- その後数分間で、この塵と煤の一部は凝縮（雲の上昇による冷却）の液体の水と結びついて、黒い雨（放射性降下物）の形で標的の近くに急速に降下します。
- その後の数時間から数日間、この降下物は気流によって、目標の風下数百キロメートルまで続きます。
高度でのより強力な爆発の場合、上向きの力によって爆弾の破片が大気圏上層部に運ばれます。この影響はその後の数週間から数か月の間にのみ発生し、世界規模に広がります。
散逸エネルギーの分布
参考までに、広島の核爆発によって散逸したエネルギー (TNT の約 1/60 メガトン、または69 テラジュール以上) は次のように分割されました。
- 15% 償却。
- 35% の熱放射。
- 50%の衝撃波。
この分布は以下によって異なる場合があります。
- 爆弾の威力：小威力は電離放射線（放射線）による効果を最大化し、高威力は熱効果を最大化します。
- 武器の「形状」のこと。私たちは「中性子爆弾」、つまり電離放射線の形でのエネルギーのシェアの増加について考えます。
- 爆発が起こった環境から:
- 空中 (表面から離れた場所): 熱的および機械的影響と影響を受ける表面を最大化します。都市や準備の整っていない軍事部隊などの「ソフト」ターゲットを破壊するために使用されます。これは高度500 メートルで爆発した広島原爆の場合でした。
- 地表に接触（またはそのレベルより下）では、地震衝撃波とクレーターの生成を伴う大量の機械的エネルギーが発生し、放射性降下物は非常に重大になります。バンカー、地下シェルター、ミサイルサイロなどの「堅牢な」目標を破壊するために使用されます。熱影響と空気衝撃波が軽減されます。
- 真空に近い宇宙や大気上層、特に作用半径が非常に大きい電離放射線。熱影響はほとんどありません。機械的な影響はほとんどありません。一方、この場合、非常に「エキゾチックな」効果があります。以下を参照してください。
- 気象条件:
宇宙での爆発の特殊なケース
最初に形成された放射線を吸収する雰囲気が存在しないと、拡散されるエネルギーの分布とその影響範囲が変化します。
地球の低軌道 (高度数百 km) での核兵器の爆発に続いて、次のような一連の出来事が起こります。
- 最初の数十ナノ秒の間、爆発によって発生した強力なγ線は、高度 30 ～ 40 kmの上層大気の中性分子によって阻止されます。これらの衝突により、高エネルギー電子が同時に放出されます (コンプトン効果)。この多数の電荷が同じ方向に急速に移動すると、強力な電磁パルスが発生し、地球上の広い範囲 (爆発が見える範囲に相当する範囲) にわたる電子機器の敏感な回路に損傷を与えたり、破壊したりする可能性があります。
- 次の数秒間、熱的または機械的影響を吸収して発生させる大気がないため、爆発のエネルギーの 70% が X 線として放出され、これらの硬 X 線は電子システムを貫通して「調理」するのに十分な強力です。隣接する宇宙の衛星。
- 同時に、イオン化したガスの形で爆弾の破片が高度数百キロメートルに飛散します。これらの荷電粒子は地球の磁場と相互作用して磁場を歪め、巨大な低周波電場を生成します。この電界は弱い（1 メートルあたり 1 ミリボルト）にもかかわらず、長い陸上ケーブルや海底ケーブルに高強度の電流を誘導し、爆発点から遠く離れた場所（地平線の彼方）でも電気設備や電話設備がトリップする原因となります。
- これらのイオン化粒子 (電子と陽子) は、最終的には地球の磁場によって捕捉されて加速され、磁気圏に注入され、そこで何年も閉じ込められたままになる可能性があります。その結果、地球の放射線帯の強度、サイズ、数が増加し、数カ月以内に周回衛星群の多くの電子機器が損傷し、人類の宇宙旅行が不可能になるだろう。