Взрывная мощность ядерного оружия — это количество энергии , выделяемой в результате взрыва, теплового и ядерного излучения, при взрыве этого конкретного ядерного оружия , обычно выражаемое в тротиловом эквиваленте (стандартизованная эквивалентная масса тринитротолуола , которая в случае взрыва может производят одинаковый энергетический разряд) либо в килотоннах (кт — тысячи тонн тротила), либо в мегатоннах (Мт — миллионы тонн тротила), а иногда и в тераджоулях (ТДж). Взрывная мощность в один тераджоуль равна 0,239 килотонны в тротиловом эквиваленте . Поскольку точность любого измерения энергии, выделяемой тротилом, всегда была проблематичной, общепринятое определение состоит в том, что одна килотонна тротила эквивалентна просто 10 12 калориям .
Отношение мощности к весу — это количество мощности оружия по сравнению с массой оружия. Практическая максимальная удельная мощность термоядерного оружия ( термоядерного оружия ) оценивается в шесть мегатонн в тротиловом эквиваленте на тонну массы бомбы (25 ТДж/кг). Сообщалось, что мощность крупного оружия, созданного для использования с одиночной боеголовкой в начале 1960-х годов, составляла 5,2 мегатонны на тонну и выше. [1] С тех пор боеголовки меньшего размера, необходимые для достижения повышенной эффективности чистого поражения (урон/масса бомбы) систем с несколькими боеголовками, привели к увеличению отношения мощности к массе для одиночных современных боеголовок.
В порядке возрастания урожайности (большинство показателей урожайности приблизительны):
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 на базе грузовика составила 0,002 кт. Расчетная мощность взрыва в порту Бейрута составляет 0,3-0,5 кт. [10] Большинство искусственных неядерных взрывов значительно меньше, чем даже то, что считается очень малым ядерным оружием.
Отношение мощности к массе — это количество мощности оружия по сравнению с массой оружия. По словам разработчика ядерного оружия Теда Тейлора , практическое максимальное соотношение мощности к массе термоядерного оружия составляет около 6 мегатонн в тротиловом эквиваленте на тонну (25 ТДж/кг). [11] [ собственный источник? ] «Предел Тейлора» не выводится из основных принципов , и теоретически предполагалось оружие с мощностью до 9,5 мегатонн на тонну. [12] Наивысшие достигнутые значения несколько ниже, и значение имеет тенденцию быть ниже для меньшего и более легкого оружия, такого типа, которому уделяется особое внимание в сегодняшних арсеналах, предназначенного для эффективного использования РГЧ или доставки с помощью систем крылатых ракет.
Крупные одиночные боеголовки редко входят в состав сегодняшних арсеналов, поскольку меньшие боеголовки РГЧ , разбросанные по разрушительной зоне в форме блина, гораздо более разрушительны при заданной общей мощности или единице массы полезной нагрузки. Этот эффект является результатом того факта, что разрушительная сила одиночной боеголовки на суше масштабируется примерно как кубический корень из ее мощности из-за того, что взрыв «растрачивается впустую» на примерно полусферический объем взрыва, в то время как стратегическая цель распределена по круглой территории. с ограниченной высотой и глубиной. Этот эффект более чем компенсирует снижение мощности/массовой эффективности, возникающее, если боеголовки баллистических ракет индивидуально уменьшаются по сравнению с максимальным размером, который может нести ракета с одной боеголовкой.
Эффективность атомной бомбы — это отношение фактической мощности к теоретической максимальной мощности атомной бомбы. Не все атомные бомбы обладают одинаковой эффективностью мощности, поскольку каждая отдельная конструкция бомбы играет большую роль в том, насколько эффективной она может быть. Чтобы максимизировать эффективность выхода, необходимо правильно собрать критическую массу, а также внедрить в конструкцию такие инструменты, как тамперы или инициаторы. Тампер обычно изготавливается из урана и скрепляет ядро за счет своей инерции. Он используется для предотвращения слишком раннего отделения активной зоны для обеспечения максимального деления, чтобы не вызвать «шипение». Инициатор является источником нейтронов либо внутри активной зоны, либо снаружи бомбы, и в этом случае он стреляет нейтронами в активную зону в момент детонации. По сути, это запуск реакции, поэтому могут произойти максимальные реакции деления и максимизировать выход. [14]
Следующий список представляет собой знаковые ядерные взрывы. Помимо атомных бомбардировок Хиросимы и Нагасаки , сюда включены первые ядерные испытания данного типа оружия в стране, а также испытания, которые в других отношениях были примечательны (например, крупнейшее испытание за всю историю). Все мощности (взрывная мощность) указаны в расчетном энергетическом эквиваленте в килотоннах в тротиловом эквиваленте (см. Тротиловый эквивалент ). Предполагаемые испытания (например, инцидент с Vela ) не включены.
Мощность ядерных взрывов может быть очень сложно рассчитать, даже используя такие грубые цифры, как килотонны или мегатонны (а тем более с точностью до отдельных тераджоулей ). Даже в очень контролируемых условиях определить точную урожайность бывает очень сложно, а в менее контролируемых условиях погрешность может быть весьма велика. Для устройств деления наиболее точное значение выхода определяется с помощью « радиохимического анализа/анализа радиоактивных осадков»; то есть измерение количества образовавшихся продуктов деления почти так же, как химический выход продуктов химической реакции может быть измерен после химической реакции . Метод радиохимического анализа был впервые предложен Гербертом Л. Андерсоном .
Для ядерных взрывных устройств, выпадение осадков в которых невозможно или может ввести в заблуждение , нейтронно-активационный анализ часто используется как второй по точности метод, при этом он использовался для определения мощности как Little Boy [16] [17] , так и термоядерного Ivy . Соответствующая доходность Майка [ 18] .
Урожайность также можно определить с помощью ряда других способов дистанционного зондирования , включая расчеты закона масштабирования на основе размера взрыва, инфразвука , яркости огненного шара ( Bhangmeter ), сейсмографических данных ( CTBTO ) [19] и силы ударной волны.
Энрико Ферми, как известно, сделал (очень) приблизительный расчет мощности теста Тринити , подбрасывая в воздух небольшие кусочки бумаги и измеряя, насколько далеко они были перемещены взрывной волной взрыва; то есть он нашел давление взрыва на своем расстоянии от места взрыва в фунтах на квадратный дюйм , используя отклонение падения бумаги от вертикали в качестве грубого датчика взрыва / барографа , а затем с давлением X в фунтах на квадратный дюйм на расстоянии Y , в милях, он экстраполировал назад, чтобы оценить мощность устройства Тринити, которая, как он обнаружил, составляла около 10 килотонн энергии взрыва. [23] [24]
Позже Ферми вспоминал:
Я находился в базовом лагере в Тринити, на позиции примерно в десяти милях [16 км] от места взрыва... Примерно через 40 секунд после взрыва до меня долетела воздушная волна. Я пытался оценить его силу, роняя с высоты примерно 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 кусков бумаги, которые падали во время прохождения взрыва. Смещение составило около 2,5 метра, что, по моим тогдашним оценкам, соответствовало взрыву, который произвел бы десять тысяч тонн тротила. [25] [26] [27]
Площадь поверхности (A) и объем (V) сферы равны и соответственно.
Однако предполагалось, что взрывная волна разрастется по мере того, как площадь поверхности около полусферы вблизи поверхности взорвется взрывной волной устройства «Тринити». Бумага перемещается волной на 2,5 метра, поэтому эффект устройства Тринити 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 кТл в тротиловом эквиваленте. [ количественно ]
Хорошее приближение к выходной мощности испытательного устройства Тринити было получено в 1950 году британским физиком Дж. Тейлором на основе простого анализа размеров и оценки теплоемкости очень горячего воздуха. Первоначально Тейлор проделал эту строго засекреченную работу в середине 1941 года и опубликовал статью с анализом данных о огненном шаре Тринити, когда данные фотографии Тринити были рассекречены в 1950 году (после того, как СССР взорвал свою собственную версию этой бомбы).
Тейлор отметил, что радиус взрыва R первоначально должен зависеть только от энергии взрыва E , времени t после детонации и плотности воздуха ρ. Единственное уравнение , имеющее совместимые размерности, которое можно составить из этих величин, — это
Здесь S — безразмерная константа, имеющая значение, примерно равное 1, поскольку она является функцией низкого порядка коэффициента теплоемкости или показателя адиабаты.
что примерно равно 1 для всех условий.
Используя показанную здесь фотографию испытания «Тринити» (которая была публично обнародована правительством США и опубликована в журнале Life ), используя последовательные кадры взрыва, Тейлор обнаружил, что R 5 / t 2 является константой при данном ядерном взрыве ( особенно между 0,38 мс после формирования ударной волны и 1,93 мс до потери значительной энергии из-за теплового излучения). Кроме того, он численно оценил значение S как 1.
Так, при t = 0,025 с и радиусе взрыва 140 метров и приняв ρ равным 1 кг/м 3 (измеренное значение на Тринити в день испытания, в отличие от значений на уровне моря примерно 1,3 кг/м 3 ). м 3 ) и вычислив E , Тейлор получил, что выход составил около 22 килотонн в тротиловом эквиваленте (90 ТДж). При этом не учитывается тот факт, что энергия должна составлять лишь около половины значения для полусферического взрыва, но этот очень простой аргумент действительно с точностью до 10% согласовывался с официальным значением мощности бомбы в 1950 году, которая составляла 20 килотонн. Тротил (84 ТДж) (см. G.I. Taylor, Proc. Roy. Soc. London A 200 , стр. 235–247 (1950)).
Хорошим приближением к постоянной Тейлора S для значений ниже примерно 2 является [28]
Значение коэффициента теплоемкости здесь находится между 1,67 для полностью диссоциированных молекул воздуха и нижним значением для очень горячего двухатомного воздуха (1,2), а в условиях атомного огненного шара (по совпадению) близко к СТП ( стандартной ) гамме для воздуха комнатной температуры, что составляет 1,4. Это дает значение константы Тейлора S равное 1,036 для адиабатической области гипершока, где выполняется условие константы R 5 / t 2 .
Что касается фундаментального анализа размерностей, если выразить все переменные через массу M , длину L и время T : [29]
(подумайте о выражении для кинетической энергии, ),
а затем вывести выражение, скажем, для E через другие переменные, найдя значения , и в общем соотношении
так, 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).
Там, где эти данные недоступны, как в ряде случаев, точные значения урожайности являются спорными, особенно когда они связаны с вопросами политики. Оружие, использованное при атомных бомбардировках Хиросимы и Нагасаки , например, имело весьма индивидуальную и весьма своеобразную конструкцию, и оценить его мощность ретроспективно было довольно сложно. Бомба на Хиросиму « Маленький мальчик », по оценкам, имела мощность от 12 до 18 килотонн в тротиловом эквиваленте (от 50 до 75 ТДж) (погрешность составляет 20%), тогда как бомба Нагасаки « Толстяк », по оценкам, от 18 до 23 килотонн в тротиловом эквиваленте (от 75 до 96 ТДж) (погрешность 10%).
Такие, казалось бы, небольшие изменения в значениях могут быть важны при попытке использовать данные об этих бомбардировках как отражающие то, как другие бомбы будут вести себя в бою, а также привести к разным оценкам того, скольким «бомбам на Хиросиму» эквивалентно другое оружие (например, водородная бомба « Айви Майк» была эквивалентна либо 867, либо 578 единицам оружия Хиросимы — риторически весьма существенная разница — в зависимости от того, какую цифру использовать для расчета: большую или низкую.
Другие спорные мощности включают в себя огромную Царь-бомбу , мощность которой, по утверждениям различных политических деятелей, составляла «всего» 50 мегатонн в тротиловом эквиваленте (210 ПДж) или максимум 57 мегатонн в тротиловом эквиваленте (240 ПДж), либо в качестве способа преувеличение мощности бомбы или попытка подорвать ее.
Максимальный радиус огненного шара, представленный на компьютере, является средним между радиусом воздушных и надземных взрывов. Так, радиус огненного шара при надводном взрыве на 13 процентов больше указанного, а при воздушном - на 13 процентов меньше.
примерно
82%
энергии деления выделяется в виде кинетической энергии двух крупных осколков деления. Эти фрагменты, будучи массивными
и сильно заряженными частицами
, легко взаимодействуют с веществом. Они быстро передают свою энергию окружающим материалам оружия, которые быстро нагреваются.