Мощность ядерного оружия

Энергия, высвобождаемая при взрывах ядерного оружия

Логарифмический график, сравнивающий мощность (в килотоннах) и массу (в килограммах) различных видов ядерного оружия, разработанного Соединенными Штатами.

Мощность взрыва ядерного оружия — это количество энергии, высвобождаемой в виде ударной, тепловой и ядерной радиации при детонации этого конкретного ядерного оружия , обычно выражаемое в эквиваленте тротила (стандартизированная эквивалентная масса тринитротолуола , которая при детонации произведет такой же энергетический разряд), либо в килотоннах (кт — тысячи тонн тротила), либо в мегатоннах (Мт — миллионы тонн тротила), либо иногда в тераджоулях (ТДж). Мощность взрыва в один тераджоуль равна 0,239 килотонны тротила . Поскольку точность любого измерения энергии, высвобождаемой тротилом, всегда была проблематичной, общепринятое определение заключается в том, что одна килотонна тротила просто считается эквивалентной 10 ¹² калориям .

Коэффициент мощности — это отношение мощности оружия к массе оружия. Практический максимальный коэффициент мощности для термоядерного оружия ( термоядерного оружия ) оценивается в шесть мегатонн тротила на тонну массы бомбы (25 ТДж/кг). Для крупных видов оружия, созданных для использования с одной боеголовкой в ​​начале 1960-х годов, сообщалось о показателях мощности в 5,2 мегатонны/тонну и выше. ^[1] С тех пор меньшие боеголовки, необходимые для достижения повышенной эффективности чистого урона (урон бомбы/масса бомбы) систем с несколькими боеголовками, привели к увеличению коэффициента мощности/массы для отдельных современных боеголовок.

Примеры мощности ядерного оружия

В порядке возрастания урожайности (большинство показателей урожайности приблизительные):

Сравнительные радиусы огненных шаров для ряда видов ядерного оружия. ^{[ необходима ссылка ]} В отличие от изображения, которое может отображать начальный радиус огненного шара, максимальный средний радиус огненного шара Castle Bravo, поверхностного взрыва мощностью 15 мегатонн , составляет от 3,3 до 3,7 км (от 2,1 до 2,3 мили), ^{[6] [7]} , а не 1,42 км, показанные на изображении. Аналогично максимальный средний радиус огненного шара 21-килотонного взрыва на малой высоте , который является современной оценкой для Fat Man , составляет от 0,21 до 0,24 км (от 0,13 до 0,15 мили), ^{[7] [8]} , а не 0,1 км на изображении.

Для сравнения, мощность взрыва бомбы GBU-43 Massive Ordnance Air Blast составляет 0,011 кт, а мощность взрыва в Оклахома-Сити с использованием бомбы с удобрениями, установленной на грузовике, составила 0,002 кт. Оценочная мощность взрыва в порту Бейрута составляет 0,3-0,5 кт. ^[9] Большинство искусственных неядерных взрывов значительно меньше, чем даже то, что считается очень малым ядерным оружием.

Пределы урожайности

Соотношение мощности к массе — это количество мощности оружия по сравнению с массой оружия. Самые высокие достигнутые значения несколько ниже, и значение имеет тенденцию быть ниже для меньших, более легких видов оружия, которые подчеркиваются в современных арсеналах, разработанных для эффективного использования РГЧ или доставки крылатыми ракетами.

• Вариант мощности 25 Мт, о котором сообщалось для B41 , даст ему отношение мощности к массе 5,1 мегатонн тротила на тонну. Хотя это потребовало бы гораздо большей эффективности, чем у любого другого современного оружия США (не менее 40% эффективности в термоядерном топливе из дейтерида лития), это, по-видимому, было достижимо, вероятно, за счет использования более высокого, чем обычно, обогащения литием-6 в термоядерном топливе из дейтерида лития . Это приводит к тому, что B41 по-прежнему удерживает рекорд по самому высокому отношению мощности к массе , когда-либо созданному. ^[10]
• W56 продемонстрировал соотношение мощности к массе 4,96 кт на килограмм массы устройства, и очень близко к прогнозируемому показателю 5,1 кт/кг, достижимому в оружии с самой высокой мощностью к массе, когда-либо созданном, 25-мегатонном B41. В отличие от B41, который никогда не проходил испытания на полную мощность, W56 продемонстрировал свою эффективность в выстреле XW-56X2 Bluestone в ходе операции «Доминик» в 1962 году ^[11] , таким образом, по информации, доступной в открытом доступе, W56 может похвастаться демонстрацией самой высокой эффективности среди ядерных оружий на сегодняшний день.
• В 1963 году Министерство энергетики рассекретило заявления о том, что у США есть технологическая возможность разместить боеголовку мощностью 35 Мт на Titan II или бомбу свободного падения мощностью 50–60 Мт на B-52. Ни одно из этих оружий не рассматривалось, но для любого из них требовалось бы соотношение мощности к массе, превышающее 25 Мт Mk-41.
• Для нынешнего меньшего американского оружия мощность составляет от 600 до 2200 килотонн тротила на тонну. Для сравнения, для очень маленьких тактических устройств, таких как Davy Crockett, она составляла от 0,4 до 40 килотонн тротила на тонну. Для исторического сравнения, для Little Boy мощность составляла всего 4 килотонны тротила на тонну, а для самой большой Царь-бомбы мощность составляла 2 мегатонны тротила на тонну (намеренно уменьшенная с примерно вдвое большей мощности для того же оружия, поэтому нет никаких сомнений, что эта бомба в том виде, в котором она была спроектирована, была способна выдавать мощность 4 мегатонны на тонну).
• Самая большая из когда-либо созданных бомб на чистом делении , Ivy King , имела мощность 500 килотонн, ^[2] что, вероятно, находится в диапазоне верхнего предела для таких конструкций. ^{[ требуется ссылка ]} Усиление термоядерного синтеза, вероятно, могло бы значительно повысить эффективность такого оружия, но в конечном итоге все оружие на основе деления имеет верхний предел мощности из-за трудностей с работой с большими критическими массами. (Британская Orange Herald была очень большой усиленной бомбой деления с мощностью 800 килотонн.) Однако верхний предел мощности для термоядерной бомбы неизвестен.

Крупные одиночные боеголовки редко входят в состав современных арсеналов, поскольку боеголовки РГЧ МГЧ меньшего размера , распределенные по области разрушения в форме блина, гораздо более разрушительны для данной общей мощности или единицы массы полезной нагрузки. Этот эффект является результатом того, что разрушительная сила одной боеголовки на земле масштабируется приблизительно только как кубический корень ее мощности из-за взрыва, «растраченного» впустую по примерно полусферическому объему взрыва, в то время как стратегическая цель распределена по круглой площади суши с ограниченной высотой и глубиной. Этот эффект более чем компенсирует уменьшенную эффективность мощности/массы, возникающую, если боеголовки баллистических ракет индивидуально уменьшаются от максимального размера, который может нести ракета с одной боеголовкой.

Эффективность урожая

Эффективность атомной бомбы — это отношение фактической мощности к теоретической максимальной мощности атомной бомбы. Не все атомные бомбы обладают одинаковой эффективностью мощности, поскольку конструкция каждой отдельной бомбы играет большую роль в том, насколько она может быть эффективна. Чтобы максимизировать эффективность мощности, необходимо убедиться, что критическая масса собрана правильно, а также внедрить в конструкцию такие инструменты, как тамперы или инициаторы. Тампер обычно изготавливается из урана и удерживает ядро ​​вместе с помощью своей инерции. Он используется для предотвращения слишком раннего разделения ядра для генерации максимального деления, чтобы не вызвать «шипение». Инициатор — это источник нейтронов либо внутри ядра, либо снаружи бомбы, и в этом случае он выстреливает нейтронами в ядро ​​в момент детонации. По сути, он запускает реакцию, чтобы могли произойти максимальные реакции деления для максимизации мощности. ^[12]

Важные ядерные взрывы

Следующий список содержит знаковые ядерные взрывы. Помимо атомных бомбардировок Хиросимы и Нагасаки , сюда включены первые ядерные испытания определенного типа оружия для страны, а также испытания, которые были примечательны в других отношениях (например, самое большое испытание из когда-либо существовавших). Все мощности (взрывная мощность) указаны в их предполагаемых энергетических эквивалентах в килотоннах тротила (см. Тротиловый эквивалент ). Предполагаемые испытания (например, инцидент с Vela ) не были включены.

Примечание

• «Инсценированный» относится к тому, было ли это «истинное» термоядерное оружие так называемой конфигурации Теллера-Улама или просто форма усиленного оружия деления . Для более полного списка серий ядерных испытаний см. Список ядерных испытаний . Некоторые точные оценки мощности, такие как оценка Царь-бомбы и испытаний Индии и Пакистана в 1998 году, несколько оспариваются среди специалистов.

Расчет урожайности и споры

Выходы ядерных взрывов могут быть очень трудно подсчитаны, даже с использованием таких грубых чисел, как в диапазоне килотонн или мегатонн (гораздо меньше вплоть до разрешения отдельных тераджоулей ). Даже в очень контролируемых условиях точные выходы могут быть очень трудно определить, а для менее контролируемых условий пределы погрешности могут быть довольно большими. Для устройств деления наиболее точное значение выхода находится из « радиохимического /анализа осадков»; то есть измерения количества образующихся продуктов деления , во многом таким же образом, как химический выход в продуктах химической реакции может быть измерен после химической реакции . Метод радиохимического анализа был впервые предложен Гербертом Л. Андерсоном .

Для ядерных взрывных устройств, где радиоактивные осадки недостижимы или могут ввести в заблуждение , нейтронно-активационный анализ часто применяется как второй по точности метод, причем он использовался для определения мощности как Little Boy ^{[14] [15]} , так и термоядерного Ivy Mike ^[16] .

Мощность взрыва также может быть определена рядом других методов дистанционного зондирования , включая расчеты закона масштабирования на основе мощности взрыва, инфразвука , яркости огненного шара ( Bhangmeter ), сейсмографических данных ( CTBTO ) ^[17] и силы ударной волны.

Энрико Ферми, как известно, сделал (очень) грубый расчет мощности теста Trinity , бросая в воздух небольшие кусочки бумаги и измеряя, насколько далеко они были перемещены ударной волной взрыва; то есть, он нашел давление взрыва на своем расстоянии от детонации в фунтах на квадратный дюйм , используя отклонение падения бумаги от вертикали в качестве грубого взрывного манометра/барографа , а затем с давлением X в фунтах на квадратный дюйм, на расстоянии Y , в милях, он экстраполировал назад, чтобы оценить мощность устройства Trinity, которая, как он обнаружил, составила около 10  килотонн энергии взрыва. ^{[21] [22]}

Ферми позже вспоминал:

Я находился в базовом лагере в Тринити, примерно в десяти милях [16 км] от места взрыва... Примерно через 40 секунд после взрыва меня достигла воздушная ударная волна. Я попытался оценить ее силу, сбрасывая с высоты около шести футов небольшие кусочки бумаги до, во время и после прохождения взрывной волны. Поскольку в то время не было ветра[,], я мог очень отчетливо наблюдать и фактически измерять смещение кусочков бумаги, которые находились в процессе падения во время прохождения взрыва. Смещение составило около 2 1/2 метра, что в то время, по моим оценкам, соответствовало взрыву, который был бы произведен десятью тысячами тонн тротила. ^{[23] [24] [25]}

Площадь поверхности (A) и объем (V) сферы равны и соответственно. ${\displaystyle A=4\pi r^{2}}$ ${\displaystyle V={\frac {4}{3}}\pi r^{3}}$

Однако взрывная волна, скорее всего, вырастает из площади поверхности приблизительно полусферической близповерхностной взрывной волны устройства Trinity. Бумага перемещается волной на 2,5 метра, поэтому эффект устройства Trinity заключается в смещении полусферической оболочки воздуха объемом 2,5 м × 2π(16 км) ² . Умножьте на 1 атм, чтобы получить энергию4,1 × 10 ¹⁴  Дж ~ 100 кТ ТНТ. ^{[ количественно ]}

Эта фотография взрыва в Тринити, сделанная Берлином Бриксоном , была использована Г. И. Тейлором для оценки его мощности.

Хорошее приближение к выходу испытательного устройства Trinity было получено в 1950 году британским физиком GI Taylor из простого размерного анализа и оценки теплоемкости очень горячего воздуха. Тейлор первоначально выполнил эту строго засекреченную работу в середине 1941 года и опубликовал статью с анализом огненного шара данных Trinity, когда данные фотографии Trinity были рассекречены в 1950 году (после того, как СССР взорвал свою версию этой бомбы).

Тейлор отметил, что радиус взрыва R изначально должен зависеть только от энергии взрыва E , времени t после детонации и плотности воздуха ρ. Единственное уравнение, имеющее совместимые размерности, которое можно построить из этих величин, это

${\displaystyle R=S\left({\frac {Et^{2}}{\rho }}\right)^{\frac {1}{5}}.}$

Здесь S — безразмерная константа, имеющая значение, приблизительно равное 1, так как она является функцией низшего порядка коэффициента теплоемкости или показателя адиабаты.

${\displaystyle \gamma ={\frac {C_{P}}{C_{V}}},}$

что приблизительно равно 1 для всех условий.

Используя представленную здесь фотографию испытания Trinity (которая была публично обнародована правительством США и опубликована в журнале Life ), используя последовательные кадры взрыва, Тейлор обнаружил, что R ⁵ / t ² является константой в данном ядерном взрыве (особенно между 0,38 мс, после формирования ударной волны, и 1,93 мс, до того, как значительная энергия будет потеряна за счет теплового излучения). Кроме того, он численно оценил значение S в 1.

Таким образом, при t = 0,025 с и радиусе взрыва 140 метров, и принимая ρ равным 1 кг/м ³ (измеренное значение в Тринити в день испытания, в отличие от значений на уровне моря приблизительно 1,3 кг/м ³ ) и решая для E , Тейлор получил, что мощность составила около 22 килотонн тротила (90 ТДж). Это не принимает во внимание тот факт, что энергия должна быть только около половины этого значения для полусферического взрыва, но этот очень простой аргумент согласуется с точностью до 10% с официальным значением мощности бомбы в 1950 году, которое составляло 20 килотонн тротила (84 ТДж) (см. G. I. Taylor, Proc. Roy. Soc. London A 200 , стр. 235–247 (1950)).

Хорошим приближением к константе Тейлора S для значений ниже 2 является ^[26] ${\displaystyle \gamma }$

${\displaystyle S=\left({\frac {75(\gamma -1)}{8\pi }}\right)^{\frac {1}{5}}.}$

Значение отношения теплоемкостей здесь находится между 1,67 полностью диссоциированных молекул воздуха и нижним значением для очень горячего двухатомного воздуха (1,2), а в условиях атомного огненного шара (по совпадению) близко к STP (стандартной) гамме для воздуха при комнатной температуре, которая составляет 1,4. Это дает значение постоянной Тейлора S , равное 1,036 для адиабатической гипершоковой области, где выполняется постоянное условие R ⁵ / t ² .

Что касается фундаментального размерного анализа, то если выразить все переменные через массу M , длину L и время T : ^[27]

${\displaystyle E=[M\cdot L^{2}\cdot T^{-2}]}$

(вспомните выражение для кинетической энергии ), ${\displaystyle E=mv^{2}/2}$

${\displaystyle \rho =[M\cdot L^{-3}],}$

${\displaystyle t=[T],}$

${\displaystyle r=[L],}$

и затем вывести выражение, скажем, для E , через другие переменные, найдя значения , , и в общем соотношении ${\displaystyle \alpha }$ ${\displaystyle \beta }$ ${\displaystyle \gamma }$

${\displaystyle E=\rho ^{\alpha }\cdot t^{\beta }\cdot r^{\gamma }}$

таким образом, что левая и правая стороны размерно сбалансированы с точки зрения M , L и T (т.е. каждое измерение имеет одинаковый показатель степени с обеих сторон).

Другие методы и противоречия

Там, где эти данные недоступны, как в ряде случаев, точные мощности были предметом споров, особенно когда они были связаны с вопросами политики. Например, оружие, использованное при атомных бомбардировках Хиросимы и Нагасаки , было очень индивидуальным и очень своеобразным, и ретроспективная оценка его мощности была довольно сложной. Бомба Хиросимы, « Малыш », по оценкам, имела мощность от 12 до 18 килотонн тротила (от 50 до 75 ТДж) (погрешность 20%), в то время как бомба Нагасаки, « Толстяк », по оценкам, имела мощность от 18 до 23 килотонн тротила (от 75 до 96 ТДж) (погрешность 10%).

Такие, казалось бы, небольшие изменения в значениях могут быть важны при попытке использовать данные об этих бомбардировках в качестве отражения того, как другие бомбы будут вести себя в бою, а также приводить к различным оценкам того, скольким «бомбам Хиросимы» эквивалентны другие виды оружия (например, водородная бомба «Айви Майк» была эквивалентна либо 867, либо 578 единицам оружия, сброшенного на Хиросиму — риторически весьма существенная разница — в зависимости от того, используется ли для расчета большая или маленькая цифра).

Среди других спорных мощностей была и гигантская « Царь-бомба» , мощность которой, по утверждениям разных политических деятелей, составляла «всего» 50 мегатонн тротила (210 ПДж) или максимум 57 мегатонн тротила (240 ПДж), что было либо способом преувеличить мощь бомбы, либо попыткой ее обесценить.

Смотрите также

• Эффекты ядерных взрывов — подробно описываются различные эффекты при разной мощности.
• Список ядерного оружия

Ссылки

1. Бомба B-41
2. "Полный список всего ядерного оружия США". Архив ядерного оружия . 14 октября 2006 г. Получено 29 августа 2014 г.
3. Акерман, Спенсер (23 октября 2011 г.). «Последнее ядерное «монстрическое оружие» демонтируется». Wired . Получено 23 октября 2011 г.
4. Роуберри, Ариана. «Castle Bravo: The Largest US Nuclear Explosion» (Касл Браво: крупнейший ядерный взрыв в США). Brookings Institution . Получено 23 сентября 2017 г.
5. Норрис, Роберт С.; Аркин, Уильям М. (май 1996 г.). «Известные ядерные испытания во всем мире, 1945-1995 гг.». Бюллетень ученых-атомщиков . 52 (3): 63. Bibcode : 1996BuAtS..52c..61.. doi : 10.1080/00963402.1996.11456628 .
6. Уокер, Джон (июнь 2005 г.). "Компьютер эффектов ядерной бомбы". Fourmilab . Получено 22.11.2009 .
7. Walker, John (июнь 2005 г.). "Nuclear Bomb Effects Computer Revised Edition 1962, Based on Data from The Effects of Nuclear Weapons, Revised Edition". Fourmilab . Получено 2009-11-22 . Максимальный радиус огненного шара, представленный на компьютере, является средним между радиусами для воздушных и поверхностных взрывов. Таким образом, радиус огненного шара для поверхностного взрыва на 13 процентов больше указанного, а для воздушного взрыва на 13 процентов меньше.
8. Уокер, Джон (июнь 2005 г.). "Компьютер эффектов ядерной бомбы". Fourmilab . Получено 22.11.2009 .
9. Пикрелл, Райан (6 августа 2020 г.). «Эксперты утверждают, что разрушительный взрыв в Бейруте эквивалентен нескольким сотням тонн тротила». ScienceAlert . Получено 06.08.2020 .
10. Коццани, Франко (26 июля 2011 г.). Деление, синтез и постановка: взгляд с высоты птичьего полета на основные концепции проектирования ядерного оружия и любопытные идеи о нем. IERI . Получено 3 февраля 2017 г..
11. «Операция Доминик». Архив ядерного оружия .
12. "Nuclear Weapons Primer". Wisconsin Project on Nuclear Arms Control . Получено 28.04.2023 .
13. "Пакистанское ядерное оружие: краткая история ядерной программы Пакистана". Федерация американских ученых . 11 декабря 2002 г. Получено 30 октября 2019 г.
14. Керр, Джордж Д.; Янг, Роберт В.; Каллингс, Гарри М.; Кристи, Роберт Ф. (2005). "Параметры бомбы" (PDF) . В Young, Роберт В.; Керр, Джордж Д. (ред.). Переоценка дозиметрии излучения атомной бомбы для Хиросимы и Нагасаки – Система дозиметрии 2002 г. Фонд исследований радиационных эффектов. стр. 42–43. Архивировано из оригинала (PDF) 10.08.2015 г. Получено 08.11.2014 г.
15. Малик, Джон (сентябрь 1985 г.). «Мощность взрывов в Хиросиме и Нагасаки» (PDF) . Национальная лаборатория Лос-Аламоса . Получено 9 марта 2014 г.
16. Армия США (1952). Операция «Плющ» Заключительный отчет Объединенной оперативной группы 132 (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 11 марта 2014 г.
17. Оценка мощности ядерных взрывов. Глава 7. Сейсмическая проверка договоров об испытаниях ядерного оружия.
18. «Глава 3. Последствия ядерных взрывов, Раздел I – Общие положения».
19. "Ядерные события и их последствия" (PDF) . Институт Бордена. Архивировано из оригинала (PDF) 2017-01-25. приблизительно 82% энергии деления выделяется в виде кинетической энергии двух крупных фрагментов деления. Эти фрагменты, будучи массивными и сильно заряженными частицами , легко взаимодействуют с веществом. Они быстро передают свою энергию окружающим оружейным материалам, которые быстро нагреваются.
20. "Обзор ядерной инженерии" (PDF) . Технический университет Вены. Архивировано из оригинала (PDF) 15 мая 2018 г.. Различные энергии, выделяемые при делении, перечислены на стр. 4: «167 МэВ» выделяется посредством отталкивательной электростатической энергии между двумя дочерними ядрами, которая принимает форму «кинетической энергии» осколков деления, эта кинетическая энергия приводит как к последующему взрыву, так и к тепловым эффектам. «5 МэВ» выделяется в мгновенном или начальном гамма-излучении, «5 МэВ» в мгновенном нейтронном излучении (99,36% от общего количества), «7 МэВ» в энергии запаздывающих нейтронов (0,64%) и «13 МэВ» в бета-распаде и гамма-распаде (остаточное излучение).
21. Статья с Джеком Эби, рассказывающим о своей фотографии.
22. Родс 1986, стр. 674–677. sfn error: no target: CITEREFRhodes1986 (help)
23. Э. Ферми. Мои наблюдения во время взрыва в Тринити 16 июля 1945 г.
24. "Тест Тринити, 16 июля 1945 г., свидетельства очевидцев – Энрико Ферми" . Получено 4 ноября 2014 г.
25. "Eyewitnesses to Trinity" (PDF) . Nuclear Weapons Journal, выпуск 2, 2005 . Los Alamos National Laboratory. 2005. стр. 45. Архивировано из оригинала (PDF) 29 декабря 2018 года . Получено 18 февраля 2014 года .
26. "Аналитическая математика для физического понимания, против абстрактного численного вычисления". Эффекты ядерного оружия. Достоверное ядерное сдерживание, разоблачение "разоружись или будешь уничтожен". Реалистичные эффекты и достоверная способность ядерного оружия для сдерживания или остановки агрессивных вторжений и атак, которые могут перерасти в крупные обычные или ядерные войны . 2006-03-29.
27. Тейер Уоткинс. Расширение огненного шара взрыва. Университет штата Сан-Хосе.

Внешние ссылки

• «Какова была мощность бомбы, сброшенной на Хиросиму?» Архивировано 13 сентября 2017 г. на Wayback Machine (выдержка из официального отчета)
• «Общие принципы ядерных взрывов», глава 1 в книге Сэмюэла Гласстоуна и Филлипа Долана, редакторы, Эффекты ядерного оружия , 3-е изд. (Вашингтон, округ Колумбия: Министерство обороны США/Управление по исследованиям и разработкам в области энергетики США, 1977 г.); содержит информацию о связи мощности ядерных взрывов с другими эффектами (радиация, ущерб и т. д.).
• «ИСПЫТАНИЯ В ПОКХРАНЕ В МАЕ 1998 ГОДА: НАУЧНЫЕ АСПЕКТЫ» — обсуждаются различные методы, использованные для определения урожайности индийских испытаний 1998 года.
• Обсуждаются некоторые споры по поводу результатов индийских испытаний
• «Какова реальная мощность ядерных испытаний Индии?» из NuclearWeaponArchive.org Кэри Саблетт
• Симулятор эффектов высокоэффективной ядерной детонации Архивировано 16.02.2009 на Wayback Machine