核爆炸放射性沉降粒子特性研究 作者：高蕊 王百荣 2018年10月16日

1 引言 2 沉降粒子的形成与粒径分布机理 3 不同爆炸方式核爆放射性沉降粒子的特点 4 核爆炸放射性沉降粒子替代 5 总结

0 引言 核爆炸放射性沉降是指核武器爆炸产生的放射性物质下落，对 地面、水域、空气和各种物体的污染，有时也指受染对象上附 着的放射性物质。 ——Glasstone

0 引言 时间尺度：从爆炸瞬间延续至几月甚至更久 空间尺度：从爆心投影点至全球 通常含有数百种不同的放射性核素，停留在环境中的时间取决 于半衰期的长短

0 引言 最早的试验——1945年，“三一试验” 1954年美国在Bikini岛上进行的Bravo试验，造成日本渔船受 严重放射性沾染，更加引起了人们对放射性沉降问题研究的重 视。

2 沉降粒子的形成与粒径分布机理 核爆放射性沾染分为爆区沾染和云迹区沾染 2 沉降粒子的形成与粒径分布机理 核爆放射性沾染分为爆区沾染和云迹区沾染 核爆炸放射性沉降粒子是由核爆炸瞬时产生的高温将弹体材料 汽化，后与空气或被吸入的地面物质结合形成的放射性尘埃 通过成核、冷凝、凝并过程

2 沉降粒子的形成与粒径分布机理 对于火球不触地的空爆来说，尘柱与火球不相接的大比高空爆 形成的放射性粒子主要由弹体材料气化后凝结而成，形成的沉 降粒子多为直径较小的圆形； 对于火球触地的地面核爆炸，会有大量地面物质与弹体材料凝 结形成颗粒较大的沉降粒子，粒子形状相对不规则。

2 沉降粒子的形成与粒径分布机理 1956年，Stewart对核爆放射性粒子尺度分布、分凝程度及沉降粒子形态进行 研究并形成模型，但该模型不能用来解释10μm以上的沉降粒子； 1960年，Miller运用物化分析及经验公式方法得到了更为综合模型，提出核爆 放射性沉降粒子与爆心地面地质结构、爆高、当量及支撑结构有关； 1965年，Freiling在Miller的模型基础上，结合火球中气相物质“扩散-结合-蒸 发-凝结”依赖于温度变化的随机过程进行分析，得到了一个基于流体力学及 平衡热力学的半经验模型。

3 不同爆炸方式核爆放射性沉降粒子的特点 核武器爆炸方式可分为9类——空中爆炸中的低空、中空、高 空、超高空爆炸，地面、地下爆炸，水面、水下爆炸和深海爆 炸。

空中爆炸 特别是当火球远高于地表面，一分钟内粒径很小的粒子就会上升至很高的高 度，不再大量沉降在地面。随后，这些微粒被广泛地分散在大气中，然后慢 慢地落到地球上。其造成的爆区沾染主要为感生放射性，沾染程度为地爆沾 染的几千分之一，但可能形成全球放射性沾染。

地面爆炸 特别是地表爆炸，或在降水天气中低空爆炸，核爆弹体材料会与爆炸点地面 物质混在一起，形成“混合”放射性沉降物，对地面造成严重的放射性沾染， 爆心附近放射性沾染很严重，随着距爆心距离增加，沾染急剧下降，云迹区 空气及地面放射性沾染较为严重，并沿着风向延伸。

地下和水下爆炸 裂变或聚变过程中产生的初始伽马射线和中子（早期核辐射）可以被忽略， 因为它们被周围的介质吸收。剩下由裂变产物和中子相互作用产生的放射性 物质产生的少量“冒顶”，是地下爆及水下爆需要考虑的辐射。

放射性沉降粒子的比活度（单位质量沉降粒子的活度）是衡量放射性沉降 对地面污染的重要指标，沉降粒子比度与爆炸方式及粒径有关，粒径越大， 包含放射性核素越多，活度越大，其中掺杂的地面物质越多，比活度越小。 爆炸方式对放射性沉降造成的影响还在于释放出烟云中粒子粒径及受不同 高度大气的影响不同，地面爆炸的沾染最为严重，随着比高的增加，直到 空中爆炸，沾染也变得越来越轻微，而地下爆及水下爆，爆炸深度直接影 响逸散出的放射性粒子的总量。

4 核爆炸放射性沉降粒子替代 由于早期核试验形成的放射性粒子数据未被公开或采集不完全，有关核爆炸沉降粒 子数据难以获取，但通过分析核爆放射性粒子能够快速判断爆炸方式等信息，作为 重要源项之一，有必要对沉降粒子各项性质进行研究分析。目前可以用来做沉降粒 子分析的美国“三一试验”形成的“trinitite”也非常难得到，于是研究人员开始进 行放射性沉降粒子替代物的开发研究。

4 核爆炸放射性沉降粒子替代 Joshua James Molgaard在其硕士论文中完整描述了放射性沉降粒子替代物的合成过 程，他将核爆炸基本分为四种，即空中核爆、地表核爆、地下核爆及水下核爆，着重研 究了对于人类及地面目标放射性影响最严重的地表核爆炸放射性沉降粒子的特性。通过 放射性沉降物分析工具FAT对放射性粒子进行模拟，运用扫描电镜（SEM）、X射线能 谱分析（EDS）及P-XRD谱图分析的方法，对“trinitite”的微观结构、化学性质、放射 性、及形成“trinitite”的必要因素如装置材料、环境物质等进行分析，通过高温（与 核爆炸产生高温有较大差异）合成的方法制造出了初级不含放射性的“玻璃体”，制造 出了与“trinitite”非常相近的放射性沉降粒子替代物。该实验基于的是大部分核试验 场选择的沙漠环境。

Andrew V. Giminaro将核爆地理环境条件设置为一般城市环境，其将城市环境中 会参与核爆沉降的物质分为三大类：(1)土层；(2)主要由建筑物、桥梁、道路、铁 路等组成的基础结构层；(3)由公共、私人和工业运输方式组成的车辆层：汽车、公 共汽车、火车等。通过对三层物体的基本组成元素分析，制造出可以用来替代城市 环境下核爆炸放射性粒子，更加符合和贴近实际核爆事件场景。

3 总结 重点：地面核爆炸放射性近区沉降粒子分布规律 难点：1. 地面核爆炸放射性沉降粒子形成规律研究 2. 核爆炸烟云形成过程原理研究 未来发展： 重点：地面核爆炸放射性近区沉降粒子分布规律 难点：1. 地面核爆炸放射性沉降粒子形成规律研究 2. 核爆炸烟云形成过程原理研究 *放射性沉降粒子替代研究