Мощность ядерного оружия

Лог – логарифмический график, сравнивающий мощность (в килотоннах) и массу (в килограммах) различных ядерных боеприпасов, разработанных США.

Взрывчатое вещество выхода ядерного оружия этого количество энергии высвобождается , когда это конкретное ядерное оружие детонирует , как правило , выражается в виде тротила (стандартизированная эквивалентная массу из тринитротолуола , которая, если взорваны, будет производить один и тот же разряд энергии), либо в килотоннах (kt - тысячи тонн в тротиловом эквиваленте), в мегатоннах (Mt - миллионы тонн в тротиловом эквиваленте) или иногда в тераджоулях (TJ). Взрывная мощность в один тераджоуль равна 0,239 килотонны в тротиловом эквиваленте . Потому что точность любого измеренияэнергии, выделяемой тротилом, всегда было проблематично, общепринятое определение состоит в том, что одна килотонна тротила просто эквивалентна 10 ¹² калориям .

Отношение мощности к массе - это мощность оружия по сравнению с массой оружия. Практическое максимальное отношение мощности к массе для термоядерного оружия ( термоядерного оружия ) оценивается в шесть мегатонн в тротиловом эквиваленте на метрическую тонну массы бомбы (25 ТДж / кг). Сообщается о мощности 5,2 мегатонн на тонну и выше для крупногабаритного оружия, построенного для использования с одной боеголовкой в ​​начале 1960-х годов. ^[1] С тех пор меньшие боеголовки, необходимые для достижения повышенной эффективности поражения (урон бомбы / масса бомбы) систем с несколькими боеголовками , привели к снижению отношения мощности к массе для одиночных современных боеголовок.

Примеры мощности ядерного оружия [ править ]

В порядке увеличения урожайности (большинство показателей урожайности являются приблизительными):

Для сравнения, мощность взрыва бомбы GBU-43 Massive Ordnance Air Blast составляет 0,011 кт, а мощность взрыва бомбы из удобрений в Оклахома-Сити - 0,002 кт. Расчетная сила взрыва в порту Бейрута составляет 0,3-0,5 кт. ^[8] Большинство искусственных неядерных взрывов значительно меньше, чем даже то, что считается очень малым ядерным оружием.

Пределы доходности [ править ]

Отношение мощности к массе - это мощность оружия по сравнению с массой оружия. По словам разработчика ядерного оружия Теда Тейлора , практическое максимальное отношение мощности к массе для термоядерного оружия составляет около 6 мегатонн в тротиловом эквиваленте на метрическую тонну (25 ТДж / кг). ^{[9] [ самостоятельно опубликованный источник? ]} «Предел Тейлора» не выводится из первых принципов , и теоретически выдвигалось оружие с мощностью до 9,5 мегатонн на метрическую тонну. ^[10] Наивысшие достигнутые значения несколько ниже, и значение имеет тенденцию быть ниже для меньшего и более легкого оружия, такого рода, которое подчеркивается в сегодняшних арсеналах, предназначенных для эффективного использования MIRV или доставки крылатыми ракетными системами.

• Вариант урожайности 25 млн т, о котором сообщается для B41 , даст ему удельную мощность 5,1 мегатонн в тротиловом эквиваленте на метрическую тонну. Хотя это потребовало бы гораздо большей эффективности, чем любое другое современное оружие США (эффективность не менее 40% в термоядерном топливе из дейтерида лития), это, очевидно, было достижимо, вероятно, за счет использования более высокого, чем обычно, обогащения лития-6 дейтеридом лития. термоядерное топливо. Это приводит к тому, что B41 по- прежнему сохраняет рекорд самого высокого удельного веса из когда-либо созданных. ^[10]

• W56 продемонстрировал отношение предела текучести к весу от 4,96 кт на кг массы устройства, и очень близко к предсказанным 5,1 кт / кг достижимую в наибольший выход для веса оружия когда - либо построен, 25 мегатонную B41. В отличие от B41, который никогда не тестировался на полную мощность, W56 продемонстрировал свою эффективность в кадре XW-56X2 Bluestone во время операции «Доминик» в 1962 году ^[11], таким образом, судя по информации, доступной в открытом доступе, W56 может отличаться. продемонстрировать наивысшую эффективность ядерного оружия на сегодняшний день.
• В 1963 году Министерство энергетики рассекретило заявления о том, что у США есть технологические возможности для развертывания 35-мегаваттной боеголовки на Титане II или гравитационной бомбы 50-60 Мт на B-52. Ни одно из орудий не преследовалось, но для любого из них требовалась бы удельная мощность, превышающая 25 Mt Mk-41. Этого, возможно, можно было достичь, используя ту же конструкцию, что и B41, но с добавлением тампера ВОУ ^{[ необходима цитата ]} вместо более дешевого, но с меньшей плотностью энергии тампера U-238, который является наиболее часто используемым тамперным материалом в Teller- Улам термоядерное оружие.
• Для нынешнего меньшего по размеру американского оружия мощность составляет от 600 до 2200 килотонн в тротиловом эквиваленте на метрическую тонну. Для сравнения, для очень маленьких тактических устройств, таких как Дэви Крокетт, он составлял от 0,4 до 40 килотонн в тротиловом эквиваленте на тонну. Для исторического сравнения, для Маленького Мальчика мощность составляла всего 4 килотонны в тротиловом эквиваленте на метрическую тонну, а для самой большой Царь-бомбы выход составлял 2 мегатонны в тротиловом эквиваленте на метрическую тонну (намеренно снижен с примерно вдвое большей мощности для того же оружия, поэтому нет никаких сомнений в том, что эта бомба в исходном виде была способна давать мощность 4 мегатонны на тонну).
• Самая большая бомба чистого деления из когда-либо созданных, Ivy King , имела мощность 500 килотонн ^[2], что, вероятно, находится в диапазоне верхнего предела для таких конструкций. ^{[ необходима цитата ]} Форсирование термоядерного синтеза, вероятно, могло бы значительно повысить эффективность такого оружия, но в конечном итоге все оружие, основанное на делении, имеет верхний предел мощности из-за трудностей, связанных с большими критическими массами. (Британский Orange Herald представлял собой очень большую бомбу деления с форсированными двигателями мощностью 750 килотонн.) Однако не существует известного верхнего предела мощности термоядерной бомбы.

Большие одиночные боеголовки редко являются частью сегодняшних арсеналов, поскольку меньшие боеголовки MIRV , рассредоточенные по разрушающей области в форме блинов, гораздо более разрушительны для данной общей мощности или единицы массы полезного груза. 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 взрывная волна «растрачивается» на примерно полусферический объем взрыва, в то время как стратегическая цель распределена по круглой площади суши с ограниченная высота и глубина. Этот эффект более чем компенсирует снижение мощности / эффективности массы, возникающее при индивидуальном уменьшении боеголовок баллистических ракет по сравнению с максимальным размером, который может нести ракета с одной боеголовкой.

Важнейшие ядерные взрывы [ править ]

Ниже приводится список знаковых ядерных взрывов. В дополнение к атомным бомбардировкам Хиросимы и Нагасаки , включено первое ядерное испытание данного типа оружия для страны и испытания, которые в остальном были примечательными (например, крупнейшее испытание в истории). Все выходы (мощность взрыва) указаны в их расчетных энергетических эквивалентах в килотоннах в тротиловом эквиваленте (см. Эквивалент в тротиловом эквиваленте ). Предполагаемые тесты (например, Vela Incident ) не были включены.

Примечание

• «Поэтапный» относится к тому, была ли это «настоящая» водородная бомба 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 « Царь Бомба» и испытания Индии и Пакистана в 1998 году, несколько оспариваются специалистами.

Расчет урожайности и противоречия [ править ]

Мощность ядерных взрывов может быть очень трудно вычислить, даже используя такие приблизительные цифры, как килотонны или мегатонны (не говоря уже о разрешении в отдельные тераджоули ). Даже в строго контролируемых условиях может быть очень трудно определить точные урожаи, а для менее контролируемых условий допустимая погрешность может быть довольно большой. Для устройств деления наиболее точное значение текучести определяется с помощью " радиохимического анализа / анализа выпадений"; то есть измерение количества образующихся продуктов деления , во многом так же, как химический выход продуктов химической реакции может быть измерен после химической реакции . Метод радиохимического анализа был впервые предложенГерберт Л. Андерсон .

Для ядерных взрывных устройств, выпадение осадков в которых недостижимо или вводит в заблуждение , нейтронный активационный анализ часто используется в качестве второго наиболее точного метода, который использовался для определения выхода как Little Boy ^{[13] [14], так} и термоядерного плюща. Mike «s ^[15] соответствующие выходы. Урожайность также может быть выведена рядом других способов дистанционного зондирования , включая вычисления закона масштабирования на основе размера взрыва, инфразвука , яркости огненного шара ( Bhangmeter ), сейсмографических данных ( CTBTO ), ^[16] и сила ударной волны.

Энрико Ферми, как известно, сделал (очень) грубый расчет мощности теста Тринити , бросив в воздух маленькие кусочки бумаги и измерив, как 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 Trinity, которая, как он обнаружил, составляла около 10 килотонн энергии взрыва. ^{[20] [21]}

Позже Ферми вспоминал, что:

Я находился в базовом лагере в Тринити, примерно в десяти милях [16 км] от места взрыва ... Примерно через 40 секунд после взрыва воздушный взрыв достиг меня. Я попытался оценить его силу, упав с небольших кусочков бумаги примерно шести футов 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 взрыва. Смещение составило около 2 1/2 метров, что, по моим оценкам, соответствовало взрыву, произведенному десятью тысячами тонн тротила ^{[22] [23] [24].}

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 предполагалось, что взрывная волна нарастает как поверхность примерно полусферической приповерхностной взрывной волны устройства Trinity. Бумага перемещается волной на 2,5 метра, поэтому эффект устройства Trinity заключается в перемещении полусферической оболочки из воздуха объемом 2,5 м × 2π (16 км) ² . Умножьте на 1 атм, чтобы получить энергию4,1 × 10 ¹⁴  Дж ~ 100 кТ в тротиловом эквиваленте. ^{[ количественно ]}

thumb [ Изображение: Trinity Test Fireball 25ms.jpg | right | thumb | 250px | Эта фотография взрыва Trinity, сделанная Берлин Брикснер , была использована Дж. И. Тейлором для оценки его мощности.

Хорошее приближение к производительности испытательного устройства Trinity было получено в 1950 году британским физиком Дж . Тейлором в результате простого анализа размеров, а также оценки теплоемкости для очень горячего воздуха . Первоначально Тейлор выполнил эту строго засекреченную работу в середине 1941 года и опубликовал статью, в которой был проведен анализ огненного шара данных Тринити, когда данные фотографии Тринити были рассекречены в 1950 году (после того, как СССР взорвал свою собственную версию этой бомбы).

Тейлор отметил, что радиус R взрыва должен изначально зависеть только от энергии взрыва E , времени t после взрыва и плотности воздуха ρ. Единственное уравнение с совместимыми размерами, которое может быть построено из этих величин:

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

Здесь S - безразмерная константа, имеющая значение, приблизительно равное 1, поскольку она является функцией низкого порядка от отношения теплоемкости или показателя адиабаты.

${\displaystyle \gamma ={C_{P} \over C_{V}}}$

что примерно равно 1 для всех условий.

Используя изображение испытания Trinity, показанное здесь (которое было публично опубликовано правительством США и опубликовано в журнале Life ), используя последовательные кадры взрыва, Тейлор обнаружил, что R ⁵ / t ² является постоянной величиной в данном ядерном взрыве ( особенно между 0,38 мс после образования ударной волны и 1,93 мс до потери значительной энергии тепловым излучением). Кроме того, он численно оценил значение S в 1.

Таким образом, при t = 0,025 с и радиусе взрыва 140 метров и принятии 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). ³ ) и решив для E , Тейлор получил, что выход составляет около 22 килотонн в тротиловом эквиваленте (90 ТДж). При этом не учитывается тот факт, что энергия должна составлять только половину этого значения для полусферического взрыва, но этот очень простой аргумент действительно согласуется с точностью до 10% с официальным значением мощности бомбы в 1950 году, которое составляло 20 килотонн. TNT (84 TJ) (См. GI Taylor, Proc. Roy. Soc. London A 200 , pp. 235–247 (1950).)

Хорошее приближение к постоянной Тейлора S для значений ниже 2:${\displaystyle \gamma }$

${\displaystyle S={\Biggl (}{75(\gamma -1) \over \ 8\pi }{\Biggr )}^{\frac {1}{5}}}$

^[25] Значение коэффициента теплоемкости 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 оно (по совпадению) близко к STP (стандартное ) гамма для воздуха комнатной температуры, равная 1,4. Это дает значениеконстантыТейлора S, равное1,036 для области адиабатического гипершока, гдевыполняется условиепостоянной R ⁵ / t ² .

Что касается фундаментального анализа размерностей, если выразить все переменные через массу, M, длину, L и время, T: ^[26]

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

(подумайте о выражении для кинетической энергии, ${\displaystyle E={\frac {mv^{2}}{2}}}$

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

${\displaystyle t=[T]}$

${\displaystyle r=[L]}$

а затем получить выражение для, скажем, E, с точки зрения других переменных, находя 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 части сбалансированы по размерам в терминах M, L и T (т. е. каждое измерение имеет одинаковый показатель степени с обеих сторон).

Другие методы и противоречия [ править ]

Там, где эти данные недоступны, как в ряде случаев, точные урожаи были предметом споров, особенно когда они связаны с вопросами политики. Оружие, использованное при атомных бомбардировках Хиросимы и Нагасаки , например, было в высшей степени индивидуальным и очень своеобразным дизайном, и ретроспективно оценить его мощность было довольно сложно. Бомба в Хиросиме « Маленький мальчик », по оценкам, составила от 12 до 18 килотонн в тротиловом эквиваленте (от 50 до 75 ТДж) (погрешность 20%), а бомба в Нагасаки « Толстяк»", по оценкам, составляет от 18 до 23 килотонн в тротиловом эквиваленте (от 75 до 96 ТДж) (погрешность 10%). Такие явно небольшие изменения в значениях могут быть важны при попытке использовать данные этих бомбардировок как отражение того, как другие бомбы будут вести себя в бою, а также приведут к различным оценкам того, сколько «бомб Хиросимы» эквивалентно другому оружию (например, водородная бомба Айви Майка была эквивалентна 867 или 578 оружию Хиросимы - риторически довольно существенная разница - в зависимости от того, какой показатель используется для расчета: высокий или низкий). Другие спорные результаты включают массивную Царь-бомбу, мощность которого была заявлена ​​различными политическими деятелями как "всего" 50 мегатонн в тротиловом эквиваленте (210 ПДж) или максимум 57 мегатонн в тротиловом эквиваленте (240 ПДж), либо как способ раздуть мощность бомбы, либо как попытаться подрезать его.

См. Также [ править ]

• Эффекты ядерных взрывов - подробно описаны различные эффекты при разной мощности.
• Список ядерного оружия

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

Викискладе есть медиафайлы, связанные с мощностью ядерного оружия .

• "Каков был выход бомбы в Хиросиме?" Архивировано 13 сентября 2017 года на Wayback Machine (отрывок из официального отчета).
• «Общие принципы ядерных взрывов» , глава 1 в Сэмюэле Гласстоне и Филиппе Долане, ред., «Эффекты ядерного оружия» , 3-е изд. (Вашингтон, округ Колумбия: Министерство обороны США / Управление энергетических исследований и развития США, 1977 г.); предоставляет информацию о взаимосвязи ядерных выходов с другими эффектами (радиация, повреждение и т. д.).
• В "МАЙСКИХ ИСПЫТАНИЯХ 1998 ГОДА: НАУЧНЫЕ АСПЕКТЫ" обсуждаются различные методы, использованные для определения результатов индийских тестов 1998 года.
• Обсуждает некоторые разногласия по поводу результатов индийских тестов.
• «Каковы реальные результаты ядерных испытаний Индии?» из NuclearWeaponArchive.org Кэри Саблетт
• Имитатор эффектов ядерной детонации с высоким выходом из архива, архивирован 16 февраля 2009 г. в Wayback Machine