Promieniowanie wstępne (prompt) po wybuchu jądrowym

Artykuły: Efekty promieniotwórcze ↗ · Masa krytyczna ↗

Promieniowanie wstępne (ang. initial nuclear radiation) to gamma i neutrony emitowane w ciągu pierwszej minuty po wybuchu jądrowym. W odróżnieniu od opadu promieniotwórczego (fallout), który dociera po minutach lub godzinach, promieniowanie wstępne działa natychmiastowo. Dla małych i średnich ładunków (poniżej ~100 kt) może wyznaczać efektywny zasięg skuteczności broni przeciwko odkrytemu personelowi, szczególnie przy wybuchach powietrznych.

Model parametryczny Glasstone & Dolan (1977) jest przybliżony. Błąd może wynosić ±30–50% w zależności od wysokości wybuchu, składu fissionable/fusion material, geometrii i warunków atmosferycznych. Wyniki mają charakter orientacyjny — służą do zrozumienia zakresów, nie do precyzyjnych prognoz.

Plon ładunku [kt]

Małe ładunki taktyczne: 1–20 kt. Fat Man (Nagasaki): 21 kt. Głowice strategiczne: 100–500 kt. Car Bomba (ZSRR): ~50 000 kt.

Odległość slant [m]

Odległość linii prostej od centrum wybuchu do punktu obserwacji. Strefy letalne od fali podmuchowej i promieniowania dla 1–100 kt: 100–2000 m.

Wysokość nad poziomem morza

Na większej wysokości powietrze jest rzadsze — promieniowanie przenika dalej. Korekta: λ(h) = λ₀ × exp(h / 8500 m).

Materiał osłony (oblicza PF z fizyki)

Wybierz materiał, by kalkulator obliczył PF osobno dla gamma i neutronów na podstawie współczynników tłumienia liniowego. Gamma i neutrony tłumią się inaczej — np. ołów doskonale pochłania gamma, ale prawie nie zatrzymuje neutronów.

Współczynnik ochrony schronu PF (ręczny)

PF = 1 = teren otwarty. Schron ziemny: PF ~ 100–500. Bunkier betonowy: PF ~ 1000–5000. Używany gdy nie wybierzesz materiału powyżej.

Resetuj

Wyniki — 20.0 kt

✓ Model zweryfikowany — szczegółowa walidacja

Parametr	Wartość
Plon ładunku	20.0 kt
Odległość slant	1000 m
Wysokość / korekta λ	Poziom morza (0 m) → +0% drogi swobodnej
λ gamma (na tej wys.)	330 m
λ neutronów (na tej wys.)	250 m
Dawka gamma (bez osłony)	456.0 rad = 4.560 Gy
Dawka neutronowa (bez osłony)	304.0 rad = 3.040 Gy
Dawka łączna (bez osłony)	760.0 rad = 7.600 Gy
Efektywny PF	1×
Dawka za osłoną	760.0 rad = 7.600 Gy

Ocena kliniczna — ostry zespół popromienny (ARS)

LD₅₀ — śmiertelność 50%

Połowa eksponowanych umiera bez intensywnej opieki medycznej.

Ocena dla odkrytej osoby (PF=1) bez opieki medycznej, przy dawce na całe ciało. Ocena przy schronie zależy od dawki po zastosowaniu PF.

Progi medyczne i promienie zasięgu dla 20.0 kt

Źródła: ICRP-96, REMM (US/NNSA), NATO STANAG 2473, Glasstone & Dolan (1977) rozdz. 8. Promienie liczone bez osłony (PF=1). ARS = ostry zespół popromienny.

Próg / Diagnoza	Dawka	Zasięg (20.0 kt)	Postępowanie
Próg deterministyczny ICRP Najniższa dawka z mierzalnymi zmianami hematologicznymi u ~1% eksponowanych (ICRP-96). Poniżej progu ARS.	10 rad 0.10 Gy	1913 m	Obserwacja; brak leczenia.
ARS stopień 1 — łagodny Nudności i zmęczenie u ~10% eksponowanych; przejściowa limfopenia. Objawy prodromalne ustępują samoistnie.	50 rad 0.50 Gy	1549 m	Ambulatoryjna obserwacja.
ARS — wyraźne objawy Wyraźna limfopenia (<1000/µL), wymioty u 50%, przejściowa utrata włosów po 2–3 tygodniach. Brak ryzyka śmierci przy leczeniu.	100 rad 1 Gy	1401 m	Hospitalizacja; wsparcie hematologiczne.
ARS stopień 2 — umiarkowany Limfopenia <500/µL po 48h; ryzyko zakażeń oportunistycznych. Czas rekonwalescencji 4–8 tygodni.	200 rad 2 Gy	1258 m	Hospitalizacja; G-CSF, antybiotyki, transfuzje.
LD₅₀ — bez leczenia Śmiertelność 50% w ciągu 30 dni bez dostępu do intensywnej opieki. Z optymalnym leczeniem LD₅₀ przesuwa się do ~6 Gy (REMM).	450 rad 4 Gy	1099 m	Intensywna opieka; przeszczep szpiku (BMT).
LD₅₀ z leczeniem / LD₉₀ bez leczenia Bez specjalistycznego leczenia przeżywalność <10%. Z przeszczepem szpiku ~50% wg NATO STANAG 2473.	600 rad 6 Gy	1044 m	Wyłącznie paliatywne bez BMT.
LD₉₀ z leczeniem Aplazja szpiku praktycznie nieodwracalna. Nawet z BMT przeżywalność <10%.	800 rad 8 Gy	990 m	Opieka paliatywna.
Syndrom żołądkowo-jelitowy Zniszczenie nabłonka jelit i szpiku. Śmierć w ciągu 5–14 dni od odwodnienia i sepsy.	2000 rad 20 Gy	828 m	Opieka paliatywna.
Syndrom sercowo-naczyniowy / OUN Obrzęk mózgu, zapaść krążeniowa. Śmierć w ciągu godzin do 48 godzin.	8000 rad 80 Gy	608 m	Opieka paliatywna.

* Zasięgi dotyczą odkrytej osoby na gruncie; przy wybuchu powietrznym zasięg slant od punktu wybuchu jest większy niż zasięg poziomy. Z optymalnym leczeniem (BMT, G-CSF) próg LD₅₀ przesuwa się z ~4,5 Gy do ~6–8 Gy.

Profil dawki D(r) — promieniowanie wstępne, 20.0 kt

Kreskowana linia pozioma = LD₅₀ (4,5 Gy). Pionowa kreska = aktualna odległość.

Gamma dominuje na większych odległościach (dłuższa droga swobodna). Neutrony dominują blisko centrum wybuchu. Skala osi Y: logarytmiczna (Gy).

Profil czasowy dotarcia promieniowania wstępnego

Promieniowanie wstępne dociera do celu w mikrosekundach–milisekundach. Całe promieniowanie gamma i neutronowe zostaje dostarczone zanim człowiek zdąży zareagować (czas odruchowy >200 ms). Jedyna ochrona to wcześniejsze schronienie.

Prędkości referencyjne: gamma = c = 3,0×10⁸ m/s; neutron 2 MeV = 1,96×10⁷ m/s; neutron 0,5 MeV = 9,81×10⁶ m/s (wg widma rozszczepienia w powietrzu — neutrony szybkie z widma Watta).

Odległość	Gamma [µs]	Neutrony 2 MeV [µs]	Neutrony 0,5 MeV [µs]	Cała dawka dostarczona po
200 m	0.667 µs	10.2 µs	20.4 µs	0.02 ms
500 m	1.667 µs	25.5 µs	51 µs	0.051 ms
1000 m	3.333 µs	51 µs	101.9 µs	0.102 ms
2000 m	6.667 µs	102 µs	203.9 µs	0.204 ms
5000 m	16.667 µs	255.1 µs	509.7 µs	0.51 ms
10000 m	33.333 µs	510.2 µs	1019.4 µs	1.019 ms

Kolumna „Cała dawka dostarczona po" to przybliżony czas, po którym ≥95% dawki neutronowej zostaje dostarczone (koniec spektrum energetycznego 0,5 MeV). W praktyce ochrona z opóźnieniem jest nieskuteczna — czas dostarczonej dawki jest 5–6 rzędów wielkości krótszy niż ludzki czas reakcji.

📚 Kontekst historyczny — Hiroszima, Nagasaki i badania RERF

Dozy promieniowania prompt (gamma + neutronowe) z bomb na Hiroszimę i Nagasaki były pierwotnie trudne do oszacowania ze względu na zniszczenie dozymetrów i brak precyzyjnych pomiarów. Radiation Effects Research Foundation (RERF) — następca ABCC — przez dekady korygowała modele na podstawie badań kohorty ~120 000 ocalałych.

Kluczowy zwrot nastąpił w 1986 r. (DS86) i 2002 r. (DS02): przezeliczone dawki zmieniły ocenę względnej skuteczności biologicznej neutronów (RBE) i podważyły wcześniejsze modele. Bomba na Hiroszimę (Little Boy, U-235, gun-type) emitowała proporcjonalnie więcej neutronów niż Fat Man (Pu-239, implozja) — różnica wynikała z geometrii i materiałów. Medyczny próg LD₅₀ (~3–4 Gy) pochodzi z danych RERF i doświadczeń z wypadkami krytyczności (Tokaimura 1999, Goiânia 1987).

Źródła: Glasstone & Dolan, The Effects of Nuclear Weapons (1977) §8; Pierce & Preston, RERF TR 12-87; Young, DS02 Dosimetry System, RERF (2005); ICRP Publication 96 (2005); Sublette, Nuclear Weapons FAQ §4.4

Metodologia i ograniczenia

Model parametryczny Glasstone & Dolan (1977), rozdz. 8, wzór ogólny:

D(r, W) = W × K × exp(−r / λ) / r²

Parametry modelu:

Gamma: K_γ = 4,72×10⁸ rad·m²·kt⁻¹, λ_γ = 330 m (poziom morza)
Neutrony: K_n = 8,30×10⁸ rad·m²·kt⁻¹, λ_n = 250 m (poziom morza)
Kalibracja: D_γ(1000 m, 20 kt) = 456 rad, D_n(1000 m, 20 kt) = 304 rad
Promień LD₅₀ dla 20 kt: ~1100 m (wynik modelu, zgodny z literaturą)

Współczynniki tłumienia osłon: μ_gamma [cm⁻¹] z bazy NIST XCOM @ 2 MeV; Σ_r_neutron [cm⁻¹] wg ENDF/B-VIII.0 removal cross sections (fast neutrons ~2 MeV). Wartości przybliżone — rzeczywiste osłabienie zależy od spektrum energii pola promieniowania.

Ograniczenia:

Model zakłada eksplozję powietrzną lub naziemną bez korekty gruntowej.
Nie uwzględnia rozpraszania przez budynki, ukształtowanie terenu ani wilgotność.
Dla ładunków powyżej ~100 kt promieniowanie wstępne staje się mniej istotne (zasięg letalny od fali podmuchowej i cieplnej jest większy).
Model osłony materialowej zakłada tarczę jednorodną i nieskończoną — brak geometrii, rozpraszania bocznego ani promieniowania fluorescencyjnego.

Źródła:

Glasstone S. & Dolan P.J., The Effects of Nuclear Weapons, 3rd ed. (1977)
Reed B.C., The Physics of the Manhattan Project, Springer 2011
ICRP Publication 96, Protecting people against radiation exposure in the event of a radiological attack (2005)
REMM — Radiation Emergency Medical Management, US Dept. of Health (dostępne publicznie)

Dane źródłowe i granice precyzji

Kalkulatory broni i skutków wybuchu

Zakres wdrożenia dla tej grupy jest audytowy, nie operacyjny. Dopuszczalne zmiany to kontrola jednostek, jawne założenia, publiczne historyczne punkty odniesienia, ograniczanie liczby cyfr znaczących i sekcje „Audyt modelu”.

Nie są dodawane dane projektowe, parametry wykonawcze ani tryby zwiększające praktyczną użyteczność konstrukcyjną. Wyniki tej grupy należy traktować jako rząd wielkości albo porównanie scenariuszy; nadmiarowe cyfry znaczące nie oznaczają realnej dokładności modelu.

Audyt wdrożony: panele źródłowe i notatki modelowe mają wzmacniać opis założeń, jednostek, zakresu ważności i nieoperacyjnego charakteru narzędzi, zamiast rozwijać funkcje projektowe.