Взрыв – это быстро протекающий процесс физических и химических превращений веществ, сопровождающийся освобождением значительного количества энергии в ограниченном объеме, в результате которого в окружающем пространстве образуется и распространяется ударная волна, способная привести или приводящая к возникновению чрезвычайной ситуации техногенного характера. В результате взрыва вещество, заполняющее объем, превращается в сильно нагретый газ или плазму с очень высоким давлением, что обуславливает образование и распространение в окружающей среде ударной волны. Взрыв происходит при химических реакциях, электрическом разряде, воздействии луча света (от квантового генератора) на различные материалы, ядерных реакциях деления и синтеза.
Взрыв на открытом пространстве
Взрыв применяют в военном (при ведении военных действий) и горном деле (при добыче полезных ископаемых), в строительстве (при создании фундаментов и разрушении старых сооружений), машиностроении (взрывная сварка, взрывное штампование), нефтегазохимии (при выполнении технологических операций, создании подземных хранилищ), при уничтожении химически и биологически опасных веществ и др.
В последнее время взрывы стали одним из основных видов террористических воздействий. Поражающими факторами взрывов являются ударная световая, тепловая и радиационная волны, способные создать угрозу жизни и здоровью людей, нанести ущерб хозяйственным и иным объектам и стать источником чрезвычайных ситуаций.
Различают несколько видов взрывов:
- физический взрыв – вызываемый изменением физического состояния вещества. В результате такого взрыва вещество превращается в газ с высоким давлением и температурой;
- химический взрыв – вызываемый быстрым химическим превращением веществ, при котором потенциальная химическая энергия переходит в тепловую и кинетическую энергию расширяющихся продуктов взрыва;
- ядерный взрыв – мощный взрыв, вызванный высвобождением ядерной энергии либо быстро развивающейся цепной реакцией деления тяжелых ядер, либо термоядерной реакцией синтеза ядер гелия из более легких ядер;
- аварийный взрыв – произошедший в результате нарушения технологии производства, ошибок обслуживающего персонала либо ошибок, допущенных при проектировании;
- взрыв пылевоздушной смеси – когда первоначальный инициирующий импульс способствует возмущению пыли или газа, что приводит к последующему мощному взрыву;
- взрыв сосуда под высоким давлением – взрыв сосуда, в котором в рабочем состоянии хранятся сжатые под высоким давлением газы или жидкости, либо взрыв, в котором давление возрастает в результате внешнего нагрева или самовоспламенения образовавшейся смеси внутри сосуда;
- объемный взрыв – детонационный или дефлаграционный взрыв газовоздушных, пылевоздушных и пылегазовых облаков.
В результате взрыва. образующиеся сильно нагретый газ или плазма с очень высоким давлением с большой силой воздействуют на окружающую среду, вызывая ее движение. Порожденное взрывом движение, при котором происходит резкое повышение давления, плотности и температуры среды, называют взрывной волной. Фронт взрывной волны распространяется по среде с большой скоростью, в результате чего область, охваченная движением, быстро расширяется. Возникновение взрывной волны является характерным следствием взрыва в различных средах.
Если среда отсутствует, т.е. взрыв происходит в вакууме, энергия переходит в кинетическую энергию разлетающихся во все стороны с большой скоростью продуктов взрыва. Посредством взрывной волны (или разлетающихся продуктов в вакууме) взрыва производит механическое воздействие на объекты, расположенные на различных расстояниях от места взрыва.
По мере удаления от места взрыва механическое воздействие взрывной волны ослабевает. Разнообразные виды взрывов различаются физической природой источника энергии и способом ее освобождения. Типичными примерами являются взрывы химических взрывчатых веществ. Они обладают способностью к быстрому химическому разложению, при котором энергия межмолекулярных связей выделяется в виде теплоты. Для них характерно увеличение скорости химического разложения при повышении температуры. При сравнительно низкой температуре химическое разложение протекает очень медленно, так что взрывные вещества в течение длительного времени может не претерпевать заметного изменения в своем состоянии. В этом случае между взрывчатыми веществами и окружающей средой устанавливается тепловое равновесие, при котором непрерывно выделяющиеся небольшие количества теплоты отводятся за пределы вещества посредством теплопроводности.
Если создаются условия, при которых выделяющаяся теплота не успевает отводиться за пределы взрывчатого вещества, то благодаря повышению температуры развивается самоускоряющийся процесс химического разложения, который называется тепловым взрывом. В связи с тем, что теплота отводится через внешнюю поверхность взрывчатого вещества, а ее выделение происходит во всем объеме вещества, тепловое равновесие может быть также нарушено при увеличении общей массы взрывчатого вещества. Это обстоятельство учитывается при хранении взрывчатых веществ.
Возможен иной процесс осуществления взрыва, при котором химическое превращение распространяется по взрывному веществу последовательно, от слоя к слою в виде волны. Движущийся с большой скоростью передний фронт такой волны представляет собой ударную волну – резкий (скачкообразный) переход вещества из исходного состояния в состояние с очень высокими давлением и температурой. Взрывное вещество, сжатое ударной волной, оказывается в состоянии, при котором химическое разложение протекает очень быстро.
В результате область, в которой освобождается энергия, оказывается сосредоточенной в тонком слое, прилегающем к поверхности ударной волны. Выделение энергии обеспечивает сохранение высокого давления в ударной волне на постоянном уровне. Процесс химического превращения взрывного вещества, который вводится ударной волной и сопровождается быстрым выделением энергии, называется детонацией. Детонационные волны распространяются по взрывным веществам с очень большой скоростью, всегда превышающей скорость звука в исходном веществе. Например, скорости волн детонации в твердых взрывных веществах составляют несколько км/с. Тонна твердого взрывчатого вещества может превратиться таким способом в плотный газ с очень высоким давлением за 10-4 с. Давление в образующихся при этом газах превосходит в несколько сотен тысяч раз атмосферное. Действие взрыва химического взрывного вещества может быть усилено в определенном направлении путем применения зарядов взрывчатых веществ специальной формы.
К В., связанным с более фундаментальными превращениями веществ, относятся ядерные. При ядерном взрыве происходит превращение атомных ядер исходного вещества в ядра др. элементов, которое сопровождается освобождением энергии связи элементарных частиц (протонов и нейтронов), входящих в состав атомного ядра.
Ядерный взрыв
Взрыв сопровождающийся выделением большого количества энергии
Ядерный взрыв основан на способности определенных изотопов тяжелых элементов урана или плутония к делению, при котором ядра исходного вещества распадаются, образуя ядра более легких элементов. При делении всех ядер, содержащихся в 50 г урана или плутония, освобождается такое же количество энергии, как и при детонации 1000 т тринитротолуола, так что ядерное превращение способно произвести взрыв огромной силы. Деление ядра атома урана или плутония может произойти в результате захвата ядром одного нейтрона. Существенно, что в результате деления возникает несколько новых нейтронов, каждый из которых может вызвать деление других ядер.
В результате число делений будет очень быстро нарастать (по закону геометрической прогрессии). Если принять, что при каждом акте деления число нейтронов, способных вызвать деление др. ядер, удваивается, то менее чем за 90 актов деления образуется такое количество нейтронов, которого достаточно для деления ядер, содержащихся в 100 кг урана или плутония. Время, необходимое для деления этого количества вещества, составит ~ 10-6 с. Такой самоускоряющийся процесс называется цепной реакцией. В действительности не все нейтроны, образующиеся при делении, вызывают деление др. ядер.
Если общее количество делящегося вещества мало, то большая часть нейтронов будет выходить за пределы вещества, не вызывая деления. В делящемся веществе всегда имеется небольшое количество свободных нейтронов, однако цепная реакция развивается лишь в том случае, когда число вновь образующихся нейтронов будет превышать число нейтронов, которые не производят деления. Такие условия создаются, когда масса делящегося вещества превосходит т.н. критическую массу. Взрыв происходит при быстром соединении отдельных частей делящегося вещества (масса каждой части меньше критической) в одно целое с общей массой, превосходящей критическую массу, или при сильном сжатии, уменьшающем площадь поверхности вещества и тем самым уменьшающем количество выходящих наружу нейтронов. Для создания таких условий обычно используют взрыв химического взрывчатого вещества.
Существует другой тип ядерной реакции – реакция синтеза легких ядер, сопровождающаяся выделением большого количества энергии. Силы отталкивания одноименных электрических зарядов (все ядра имеют положительный электрический заряд) препятствуют протеканию реакции синтеза, поэтому для эффективного ядерного превращения такого типа ядра должны обладать высокой энергией. Такие условия могут быть созданы нагреванием веществ до очень высокой температуры. В связи с этим процесс синтеза, протекающий при высокой температуре, называют термоядерной реакцией.
При синтезе ядер дейтерия (изотопа водорода 2Н) освобождается почти в 3 раза больше энергии, чем при делении такой же массы урана. Необходимая для синтеза температура достигается при ядерном взрыве урана или плутония. Таким образом, если поместить в одном и том же устройстве делящееся вещество и изотопы водорода, то может быть осуществлена реакция синтеза, результатом которой будет взрыв огромной силы. Помимо мощной взрывной волны, ядерный взрыв сопровождается интенсивным испусканием света и проникающей радиации.
В описанных выше типах взрывов освобожденная энергия содержалась первоначально в виде энергии молекулярной или ядерной связи в веществе. Существуют взрыв, в которых выделяющаяся энергия подводится от внешнего источника. Примером такого взрыва может служить мощный электрический разряд в какой-либо среде. Электрическая энергия в разрядном промежутке выделяется в виде теплоты, превращая среду в ионизованный газ с высокими давлением и температурой. Аналогичное явление происходит при протекании мощного электрического тока по металлическому проводнику, если сила тока оказывается достаточной для быстрого превращения металлического проводника в пар.
Явление взрыва возникает также при воздействии на вещество сфокусированного лазерного излучения. Как один из видов взрыва, можно рассматривать процесс быстрого освобождения энергии, происходящий в результате внезапного разрушения оболочки, удерживавшей газ с высоким давлением (например, взрыв баллона со сжатым газом). Взрыв может произойти при столкновении твердых тел, движущихся навстречу друг другу с большой скоростью, например, с космической. При столкновении кинетическая энергия тел переходит в теплоту в результате распространения по веществу мощной ударной волны, возникающей в момент столкновения. Скорости относительного сближения твердых тел, необходимые для того, чтобы в результате столкновения вещество полностью превратилось в пар, измеряются десятками км/с, развивающиеся при этом давления составляют миллионы атмосфер.
В природе существует много явлений, которые сопровождаются взрывами: мощные электрические разряды в атмосфере во время грозы (молнии), внезапное извержение вулканов, падение на поверхность Земли крупных метеоритов. В результате падения Тунгусского метеорита (1907) произошел взрыв, эквивалентный по количеству выделившейся энергии взрыва ~ 107 т тринитротолуола.
В. нашли широкое применение в научных исследованиях и в промышленности. Они позволили достигнуть значительного прогресса в изучении свойств газов, жидкостей и твердых тел при высоких давлениях и температурах. Исследование взрывов играет важную роль в развитии физики неравновесных процессов, изучающей явления переноса массы, импульса и энергии в различных средах, механизмы фазовых переходов вещества, кинетику химических реакций и т.п. Под воздействием взрыва могут быть достигнуты такие состояния веществ, которые оказываются недоступными при др. способах исследования.
Мощное сжатие канала электрического разряда посредством взрыва химического вещества позволяет получать в течение короткого промежутка времени магнитные поля огромной напряженности [до 1,1 Га/м (до 14 млн. э)]. Интенсивное испускание света при взрыве химического взрывного вещества в газе может использоваться для возбуждения оптического квантового генератора (лазера). Под действием высокого давления, которое создается при детонации взрывного вещества, осуществляются взрывное штампование, взрывная сварка и взрывное упрочнение металлов.
Взрывы широко применяют при разведке полезных ископаемых. Отраженные от различных слоев сейсмические волны (упругие волны в земной коре) регистрируются сейсмографами. Анализ сейсмограмм дает возможность сделать заключение о залегании нефти, природного газа и др. полезных ископаемых. Взрывы столь же широко используют при вскрытии и разработке месторождений полезных ископаемых. Без взрывных работ не обходится практически ни одно строительство плотин, дорог и тоннелей в горах.
Однако неконтролируемые и несанкционированные взрывы любой природы являются источниками возникновения аварийных и катастрофических ситуаций на большинстве потенциально опасных объектов гражданского и оборонного назначения, при возникновении опасных природных процессов на Земле, Солнце или на др. космических объектах.
Основными методами предупреждения и предотвращения взрыва. являются многие из методов противоаварийной защиты, обеспечивающих повышенную взрывоустойчивость зданий, сооружений, сосудов давления, трубопроводов, объектов горных выработок, военных складов, зернохранилищ, хвостохранилищ, производств взрывчатых веществ химической и ядерной природы.
Основой обоснования взрывоустойчивости является общая теория взрыва, дающая представление о всех сопутствующих им поражающих факторах.
К числу достаточно надежных средств защиты от взрыва относятся бункеры, контайменты, скафандры, создающие барьеры для ударной, тепловой, световой волн и радиации, а также специальные системы с ориентированными многоочаговыми разрушениями, гасящими ударные волны.
Вопросы ликвидации последствий взрыва различной природы и в различных средах являются обширной областью научных исследований и практических разработок ведущих ведомств страны (Минобороны России, МЧС России, Минтранса России, МПР России и др.), а также академических и отраслевых научных институтов, конструкторских и технологических бюро, органов государственного надзора.
Источник: Горение и взрыв. —М., 1972.