Ядерный электромагнитный импульс
Dec. 15th, 2018 09:50 pm![[personal profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/user.png){kind=small}
vashu11В популярной культуре ядерный ЭМИ давно приобрел статус чудо оружия. Часто изображают что одиночный удар умертвляет всю электронику в радиусе сотен километров(пример из Highschool Of The Dead) и запугивают десятками миллионов погибших от одного высотного взрыва, а проекты выживальческих библиотек рекомендуют хранить ноутбуки в самодельных клетках Фарадея.
Попробуем разобраться, насколько ЭМИ опасен на самом деле.
ТЛ;ДР Неподключенная к сети техника и автомобили не выводятся из строя - для того чтобы собрать опасное количество энергии нужен длинный проводник. По крайней мере часть подключенной техники выживет/останется ремонтопригодной. Энергосеть ляжет из-за срабатывания защиты/повреждений. Будет ли долговременный ущерб сети(в первую очередь трансформаторы) - неясно.
Как же возникает ЭМИ при ядерном взрыве? Разделяют три разновидности ЭМИ.
Е1. В момент взрыва происходит мощная гамма-вспышка. Гамма-кванты выбивают электроны из атомов в верхних слоях атмосферы, электроны, в свою очередь ионизируют другие атомы. Быстрое перемещение заряженых частиц создает мощное электрическое поле в десятки тысяч В/м. Этот процесс очень быстротечен - продолжительность порядка единиц-сотен наносекунд и частоты до тысячи мегагерц, так что он способен вызвать наводки даже в очень коротких проводниках, а большинство систем защиты банально не успевают отреагировать на столь краткий импульс. Основное энерговыделение происходит на высотах 25-35 км - выше плотность атмосферы пренебрежимо мала, ниже - поглощение гаммы слишком сильно. Но подрыв бомбы производится на больших высотах для охвата большей площади(подрыв на меньшей высоте не намного более эффективен по причинам рассматриваемым ниже). Электроны движутся вдоль линий магнитного поля Земли, что порождает характерную ассиметрию области поражения.
Е2. Переизлученные гамма-кванты и гамма-радиация порожденная рассеянием нейтронов вызывает аналогичное движение заряженных частиц, но гораздо более медленное - характерные времена порядка микросекунды-секунды. Действие на длинные проводники сравнимо с действием удара молнии, но минимум на порядок слабее. Учитывая распространенность противомолниевой защиты, Е2 практически не заслуживает дальнейшего рассмотрения.
E3. Вышеозвученные процессы вызывают искажение магнитного поля Земли. Изменения магнитного поля длительностью в десятки секунд вызывают индуктивные наводки в проводниках. Действие полностью аналогично действию магнитной бури, вызванной вспышкой на Солнце. Действие ядерной Е3 сравнимо с действием мощнейших бурь, при меньших размерах и длительности.
В общем, нам интересны Е1 и Е3, причем рассмотрение Е3 позволяет разобраться и с опасностью солнечных вспышек. Впрочем, магнитная буря возникает лишь спустя 2-3 дня после вспышки(выбросу корональной массы нужно много времени чтобы преодолеть 150 миллионов км, хотя если дорогу "расчистили" предыдущие выбросы, то мощная вспышка может вызвать бурю и через 15-20 часов) - что позволяет к ней подготовится и делает ее намного менее опасной.
Внимание сразу привлекает величина электрического поля - десятки тысяч вольт на метр. Возникает естественный вопрос - почему такое поле не опасно для человека? Дело в том что создать высокое напряжение в вакууме/диэлектрике несложно. Но движение заряда в проводнике сразу начинает компенсировать поле. В общем, ЭМИ аналогичен источнику с высоким ЭДС и внутренним сопротивлением - на низкоомной нагрузке ток будет небольшим. Для понимания уровня опасности надо смотреть на характерную плотность энергии, а не на вольтаж.
Прикинем характерную энергию. 1 мегатонна - 4*10^15 джоулей, на миллион км^2(квадрат в тысячу км, 10^12 м^2) - итого получаем ВСЕГО примерно 1000 Дж/м^2. Первичный гамма импульс(источник Е1) это всего 0.1–0.5% от мощности бомбы, причем для мощных бомб эта цифра меньше, из-за большего поглощения в самой бомбе(для полутора мегатонной Starfish Prime это всего 0.1% - одна тысячная). КПД преобразования энергии гамма-лучей в ЭМИ - не больше 1%. Итого уже получаем одну стотысячную от исходной энергии - сотую джоуля на м^2. Еще несколько порядков съедает поглощение в атмосфере и экранирующих проводниках. Т.е. речь идет о миллионной джоуля на м^2 - это примерно энергия падения крупной крупинки соли с высоты в десяток см. Энергия необходимая для разрушения самых нежных электронных деталей - порядка 10^-6 - 10^-7 Дж - та же миллионная Джоуля, но очевидно что собрать энергию излучения с целого квадратного метра на одиночный элемент размеров в несколько нанометров не так просто.
Поглощение в атмосфере носит сильно нелинейный характер - 3-х килотонная и 3-х мегатонная бомбы(1000 кратная разница) дадут ЭМИ различающеся лишь втрое. Так что использование стомегатонных бомб ничего не изменит, с другой стороны - даже маломощные бомбы потенциально опасны.
Термоядерной бомбе мешает еще и преионизация. Гамма-вспышка первой ступени ионизирует атмосферу, увеличивая ее проводимость и "закорачивая" ЭМИ. Ионизация сохраняется после взрыва долгое время, мешая работе радаров, а заодно и "закорачивая" ЭМИ от последующих бомб(уменьшение силы ЭМИ по крайней мере на десятки процентов). К тому же срабатывание защиты в ЛЭПах уменьшает характерную длину проводящих участков - так что разница в ущербе от ЭМИ одиночного атомного высотного взрыва и десятков термоядерных невелика(разы, а не порядки).
В целом даже самые алармистски настроенные авторы соглашаются что неподключенная к сети техника и автомобили практически не будут выведены из строя - слишком малы выделяемые мощности, и даже подключенная техника(длинные проводники ЛЭПов соберут гораздо больше энергии) по крайней мере частично переживет ЭМИ/останется ремонтопригодной.
Например, тестирование 37 легковых автомобилей 1986-2002 гг. выпуска дало нулевые результаты при выключенном моторе. При работающем моторе 3 автомобиля заглохли, после чего нормально завелись. При тестировании 18 грузовиков 1991-2003 гг. заглохли три, один из них пришлось буксировать в мастерскую. Тестирование подключенных к сети светофоров дало намного более худшие результаты - большинство светофоров нуждались в ручном перезапуске.
Если гражданская техника так легко переносит ЭМИ, то зачем нужны специальные усилия по защите военной? Прежде всего военная техника должна переносить намного более суровые нагрузки. В случае с танками речь может идти о расстояниях порядка сотен метров до эпицентра. Танки и самолеты, не говоря о кораблях, имеют намного большие линейные размеры чем типичный легковой автомобиль и несут более тонкое оборудование(тепловизоры, радары, рации), даже временное отключение которых может оказаться смертельно опасно.
Критическая часть энергосети - трансформаторы и генераторы защищены от Е1 своей высокой индуктивностью, линии электропередач защищены своей протяженностью. Е1 может вызвать разрушения линий/убить оборудование в некоторых местах, но в целом настоящую опасность представляет лишь Е3 - только он потенциально опасен для трансформаторов и генераторов.
Убъет ли Е3 энергосистему или все ограничится блэкаутом на пару дней? Ответить на вопрос сложно - вопрос явно имеет политическую окраску и можно найти экспертные мнения и за, и против. Отметим лишь, что цена защиты для США - порядка десятков миллиардов долларов(а не триллионы, как иногда заявляют).
Nuclear electromagnetic pulse, wiki
Report of the Commission to Assess the Threat to the United States from Electromagnetic Pulse (EMP) Attack, 2008
The Early-Time (E1) High-Altitude Electromagnetic Pulse (HEMP) and Its Impact on the U.S. Power Grid
Effect of the FAST NUCLEAR ELECTROMAGNETIC PULSE on the Electric Power Grid Nationwide: A Different View
Joint Hearing on “The EMP Threat: The State of Preparedness against the Threat of an Electromagnetic Pulse (EMP) Event” May 13, 2015
Попробуем разобраться, насколько ЭМИ опасен на самом деле.
ТЛ;ДР Неподключенная к сети техника и автомобили не выводятся из строя - для того чтобы собрать опасное количество энергии нужен длинный проводник. По крайней мере часть подключенной техники выживет/останется ремонтопригодной. Энергосеть ляжет из-за срабатывания защиты/повреждений. Будет ли долговременный ущерб сети(в первую очередь трансформаторы) - неясно.
Как же возникает ЭМИ при ядерном взрыве? Разделяют три разновидности ЭМИ.
Е1. В момент взрыва происходит мощная гамма-вспышка. Гамма-кванты выбивают электроны из атомов в верхних слоях атмосферы, электроны, в свою очередь ионизируют другие атомы. Быстрое перемещение заряженых частиц создает мощное электрическое поле в десятки тысяч В/м. Этот процесс очень быстротечен - продолжительность порядка единиц-сотен наносекунд и частоты до тысячи мегагерц, так что он способен вызвать наводки даже в очень коротких проводниках, а большинство систем защиты банально не успевают отреагировать на столь краткий импульс. Основное энерговыделение происходит на высотах 25-35 км - выше плотность атмосферы пренебрежимо мала, ниже - поглощение гаммы слишком сильно. Но подрыв бомбы производится на больших высотах для охвата большей площади(подрыв на меньшей высоте не намного более эффективен по причинам рассматриваемым ниже). Электроны движутся вдоль линий магнитного поля Земли, что порождает характерную ассиметрию области поражения.
Е2. Переизлученные гамма-кванты и гамма-радиация порожденная рассеянием нейтронов вызывает аналогичное движение заряженных частиц, но гораздо более медленное - характерные времена порядка микросекунды-секунды. Действие на длинные проводники сравнимо с действием удара молнии, но минимум на порядок слабее. Учитывая распространенность противомолниевой защиты, Е2 практически не заслуживает дальнейшего рассмотрения.
E3. Вышеозвученные процессы вызывают искажение магнитного поля Земли. Изменения магнитного поля длительностью в десятки секунд вызывают индуктивные наводки в проводниках. Действие полностью аналогично действию магнитной бури, вызванной вспышкой на Солнце. Действие ядерной Е3 сравнимо с действием мощнейших бурь, при меньших размерах и длительности.
В общем, нам интересны Е1 и Е3, причем рассмотрение Е3 позволяет разобраться и с опасностью солнечных вспышек. Впрочем, магнитная буря возникает лишь спустя 2-3 дня после вспышки(выбросу корональной массы нужно много времени чтобы преодолеть 150 миллионов км, хотя если дорогу "расчистили" предыдущие выбросы, то мощная вспышка может вызвать бурю и через 15-20 часов) - что позволяет к ней подготовится и делает ее намного менее опасной.
Внимание сразу привлекает величина электрического поля - десятки тысяч вольт на метр. Возникает естественный вопрос - почему такое поле не опасно для человека? Дело в том что создать высокое напряжение в вакууме/диэлектрике несложно. Но движение заряда в проводнике сразу начинает компенсировать поле. В общем, ЭМИ аналогичен источнику с высоким ЭДС и внутренним сопротивлением - на низкоомной нагрузке ток будет небольшим. Для понимания уровня опасности надо смотреть на характерную плотность энергии, а не на вольтаж.
Прикинем характерную энергию. 1 мегатонна - 4*10^15 джоулей, на миллион км^2(квадрат в тысячу км, 10^12 м^2) - итого получаем ВСЕГО примерно 1000 Дж/м^2. Первичный гамма импульс(источник Е1) это всего 0.1–0.5% от мощности бомбы, причем для мощных бомб эта цифра меньше, из-за большего поглощения в самой бомбе(для полутора мегатонной Starfish Prime это всего 0.1% - одна тысячная). КПД преобразования энергии гамма-лучей в ЭМИ - не больше 1%. Итого уже получаем одну стотысячную от исходной энергии - сотую джоуля на м^2. Еще несколько порядков съедает поглощение в атмосфере и экранирующих проводниках. Т.е. речь идет о миллионной джоуля на м^2 - это примерно энергия падения крупной крупинки соли с высоты в десяток см. Энергия необходимая для разрушения самых нежных электронных деталей - порядка 10^-6 - 10^-7 Дж - та же миллионная Джоуля, но очевидно что собрать энергию излучения с целого квадратного метра на одиночный элемент размеров в несколько нанометров не так просто.
Поглощение в атмосфере носит сильно нелинейный характер - 3-х килотонная и 3-х мегатонная бомбы(1000 кратная разница) дадут ЭМИ различающеся лишь втрое. Так что использование стомегатонных бомб ничего не изменит, с другой стороны - даже маломощные бомбы потенциально опасны.
Термоядерной бомбе мешает еще и преионизация. Гамма-вспышка первой ступени ионизирует атмосферу, увеличивая ее проводимость и "закорачивая" ЭМИ. Ионизация сохраняется после взрыва долгое время, мешая работе радаров, а заодно и "закорачивая" ЭМИ от последующих бомб(уменьшение силы ЭМИ по крайней мере на десятки процентов). К тому же срабатывание защиты в ЛЭПах уменьшает характерную длину проводящих участков - так что разница в ущербе от ЭМИ одиночного атомного высотного взрыва и десятков термоядерных невелика(разы, а не порядки).
В целом даже самые алармистски настроенные авторы соглашаются что неподключенная к сети техника и автомобили практически не будут выведены из строя - слишком малы выделяемые мощности, и даже подключенная техника(длинные проводники ЛЭПов соберут гораздо больше энергии) по крайней мере частично переживет ЭМИ/останется ремонтопригодной.
Например, тестирование 37 легковых автомобилей 1986-2002 гг. выпуска дало нулевые результаты при выключенном моторе. При работающем моторе 3 автомобиля заглохли, после чего нормально завелись. При тестировании 18 грузовиков 1991-2003 гг. заглохли три, один из них пришлось буксировать в мастерскую. Тестирование подключенных к сети светофоров дало намного более худшие результаты - большинство светофоров нуждались в ручном перезапуске.
Если гражданская техника так легко переносит ЭМИ, то зачем нужны специальные усилия по защите военной? Прежде всего военная техника должна переносить намного более суровые нагрузки. В случае с танками речь может идти о расстояниях порядка сотен метров до эпицентра. Танки и самолеты, не говоря о кораблях, имеют намного большие линейные размеры чем типичный легковой автомобиль и несут более тонкое оборудование(тепловизоры, радары, рации), даже временное отключение которых может оказаться смертельно опасно.
Критическая часть энергосети - трансформаторы и генераторы защищены от Е1 своей высокой индуктивностью, линии электропередач защищены своей протяженностью. Е1 может вызвать разрушения линий/убить оборудование в некоторых местах, но в целом настоящую опасность представляет лишь Е3 - только он потенциально опасен для трансформаторов и генераторов.
Убъет ли Е3 энергосистему или все ограничится блэкаутом на пару дней? Ответить на вопрос сложно - вопрос явно имеет политическую окраску и можно найти экспертные мнения и за, и против. Отметим лишь, что цена защиты для США - порядка десятков миллиардов долларов(а не триллионы, как иногда заявляют).
Nuclear electromagnetic pulse, wiki
Report of the Commission to Assess the Threat to the United States from Electromagnetic Pulse (EMP) Attack, 2008
The Early-Time (E1) High-Altitude Electromagnetic Pulse (HEMP) and Its Impact on the U.S. Power Grid
Effect of the FAST NUCLEAR ELECTROMAGNETIC PULSE on the Electric Power Grid Nationwide: A Different View
Joint Hearing on “The EMP Threat: The State of Preparedness against the Threat of an Electromagnetic Pulse (EMP) Event” May 13, 2015
![[identity profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/openid.png){kind=small}
no subject
Date: 2019-05-03 10:44 pm (UTC)// 1 мегатонна “стандартного” боеприпаса при высотном ядерном взрыве дает около 1 килотонны в виде гамма-излучения. В “нейтронно-углеродном” боеприпасе для генерации 1 кт гаммы нужно всего 12 кт термоядерной энергии, а с трех мегатонн можно снять до 250 кт гамма-излучения, втрое более жесткого, хоть и более растянутого во времени. Такое устройство может быть гораздо более разрушительно, чем то, что мы обсуждали выше - пускай амплитуда ЭМИ вырастет не кардинально выше (хотя, возможно, можно побороться и за 100 кВ/м), энергетика импульса, а значит и деструктивное воздействие на электронику изменится кардинально.
// но. Описанный выше боеприпас должен работать на дейтерий-тритиевой смеси, и стандартный LiD не подойдет
// тут ниже в комментариях товарищи нашли способ, каким все-таки можно сделать достаточно разрушительный ядерный ЭМИ-боеприпас, а именно, что-то вроде того про что в посте сказано "так что пока можно спать спокойно": сделать вторую ступень на газообразном дейтерии под давлением (как делали в СССР для сверхчистых гражданских зарядов), лучше - в толстом углепластиковом баллоне (для конверсии нейтронов в гамму неупругим рассеянием на углероде) или на дейтериевом аммиаке, или же их сочетании (чтобы обойтись без "спички деления" во второй ступени).
https://tnenergy.livejournal.com/145111.html?thread=12097751#t12097751
// Характерные значения напряженностей, которые что-то могут повредить начинаются с 5 кВ/м, 50 кВ/м считается пределом для ядерного ЭМИ (об этом ниже), ЭМИ-оружие (без ядерного заряда) способно создавать амплитуды до 200 кВ/м. Чем короче ЭМИ, тем серьезнее проблемы защищающейся стороны. Вызвано это как ростом мгновенной мощности при неизменной энергетике, так и тем, что коротковолновые составляющие лучше проникают в здания и корпуса приборов, лучше “осаживаются” на проводники.
// про энергию. ЭМИ переносят относительно небольшую энергию - от десятков миллиджоулей до десятков джоулей на метр квадратный. По сути, ничему, кроме как нежной электронике и неудачно спроектированным линиям электропитания (собирающим энергию с сотен тысяч квадратных метров) повредить ЭМИ не может. При этом закон обратных квадратов неумолим - взорвав 200 кг взрывчатого вещества в спецбоеприпасе и излучив 50 мегаджоулей электромагнитного излучения (такая цифра превосходит лабораторные рекорды) на расстоянии 300 метров мы получим всего ~40 Дж/м^2 и пару джоулей в приемном тракте условной носимой радиостанции, от которых можно защититься. В 3 км от точки подрыва речь уже пойдет о сотнях миллиджоулях на м^2.
// мы получаем логарифмическую зависимость амплитуды ЭМИ от мощности. Мегатонная бомба даст 20 кВ/м, специально подготовленная 20 мегатонная - 50 кВ/м, с 300 мегатонн, пожалуй можно выжать 80, а десяток гигатонн… Так, стоп. Видя такую зависимость, инженеры “обороны” прочертили линию в 50 кВ/м, и выпустили в рамках “библии электромагнитной совместимости” IEC 61000 главы, посвященные ЭМИ ВЯВ, с помощью которого вполне возможно создавать оборудование, которое переживет это деструктивное воздействие как ни в чем не бывало. Причем не обязательно проектировать каждый сервер или принтер устойчивым к ядерному оружию, защищать можно сразу здание, его сети питания или связи. Например, от поражения по сетям питания можно использовать различное оборудование защищающее IEEE 587 class B+ - например для защиты оборудования по линиям питания 1, 2, защиты коаксиальных линий и т.п.
// существующая инфраструктура в США, скажем, по мнению авторов реализована довольно пестро - где-то защита реализована, где-то нет. Наибольшей, фактически 100% стойкостью, обладает инфраструктура военных, затем идут высоковольтные ЛЭП, хорошо защищенные ограничителями перенапряжений, Tier 1 ЦОДы, ну а хуже всего защищено всякое рядовое оборудование - от магазинчиков до домашних телевизоров.
// Невозможность расчета оставляет пространство для субьективности - если в отчете надо нагнать ужаса, пишем о критической незащищенности, надо добиться выделения денег - пишем о необходимости все посчитать, а если мы военные, то считаем что все граждане с неправильными холодильниками умрут и исходим из этого. Мы же военные.