Из Википедии, свободной энциклопедии
  (Перенаправлено с Nuclear yield )
Перейти к навигации Перейти к поиску
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 килотоннам 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 величина мощности 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, созданного 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 увеличению отношения мощности к массе для одиночных современных боеголовок.

Примеры мощности ядерного оружия [ править ]

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

Сравнительные радиусы огненного шара для выбора ядерного оружия. [ необходима цитата ] В отличие от изображения, которое может изображать начальный радиус огненного шара, максимальный средний радиус огненного шара Замка Браво, взрыва поверхности мощностью 15 мегатонн , составляет от 3,3 до 3,7 км (от 2,1 до 2,3 миль), [5] [6 ], а не 1,42 км, показанные на изображении. Точно так же максимальный средний радиус огненного шара при взрыве в воздухе на малой высоте 21 килотонну , который является современной оценкой для толстого человека , составляет от 0,21 до 0,24 км (от 0,13 до 0,15 мили), [6] [7], а не 0,1 км. Изображение.

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 даже того, 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 было выдвинуто оружие с мощностью до 9,5 мегатонн на метрическую тонну. [10] Наивысшие достигнутые значения несколько ниже, и значение, как правило, ниже для меньшего и более легкого оружия, такого рода, которое подчеркивается в сегодняшних арсеналах, разработанных для эффективного использования РГЧ или доставки крылатыми ракетными системами.

  • Вариант урожайности 25 Мт, о котором сообщается для B41 , даст ему отношение выхода к массе 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 достигнуто, 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 оружия, когда-либо созданного. [10]
  • W56 продемонстрировал отношение предела текучести к массе 4,96 кт на килограмм массы устройства, и очень близко к предсказанным 5,1 кт / кг достижимы в высшем оружии выхода к массе когда - либо построенное, 25-мегатонной 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, исходя из информации, доступной в открытом доступе, W56 может удерживать отличием демонстрации наивысшей эффективности 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 этих орудий не преследовалось, но для любого из них требовалось соотношение мощности к массе выше, чем у Mk-41 мощностью 25 Мт. Этого 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 тампером в Teller. –Уламское 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 метрическую 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 на основе деления имеет верхний предел мощности из-за трудностей, связанных с большими критическими массами. (Британский Orange Herald представлял собой очень большую бомбу деления с форсированным двигателем 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 полезной нагрузки. Этот эффект является результатом того факта, что разрушительная сила одиночной боеголовки на суше масштабируется приблизительно только как кубический корень из ее мощности из-за того, что взрыв «растрачивается» на примерно полусферический объем взрыва, в то время как стратегическая цель распределяется по круглой площади суши. с ограниченной высотой и глубиной. Этот эффект более чем компенсирует снижение мощности / эффективности массы, возникающее при индивидуальном уменьшении количества 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, а также испытания, которые в остальном были примечательными (например, крупнейшее испытание в истории). Все выходы (взрывная мощность) даны в их расчетных эквивалентах энергии в килотоннах в тротиловом эквиваленте (см. Эквивалент в тротиловом эквиваленте ). Предполагаемые тесты (например, Vela Incident ) не были включены.

Примечание
  • «Поэтапный» относится к тому, было ли это «настоящим» термоядерным оружием так называемой конфигурации Теллера-Улама или просто формой усиленного оружия деления . Для более полного списка серий ядерных испытаний см. Список ядерных испытаний . Некоторые точные оценки мощности, такие как « Царь Бомба» и испытания, проведенные Индией и Пакистаном в 1998 году, в некоторой степени 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 очень 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 таким же образом, как химический выход продуктов химической реакции может быть измерен после химической реакции . Метод радиохимического анализа был впервые предложенГерберт Л. Андерсон .

Для ядерных взрывных устройств, где выпадение осадков 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 ( Бхангметр ), 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 / барографа взрыва , 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. [20][21]

Позднее Ферми вспоминал:

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 примерно с шести футов небольших кусочков 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 клочков бумаги, которые падали во время взрыва. Смещение составило около 2 1/2 метров, что в то время, по моим оценкам, соответствовало взрыву, который производился бы десятью тысячами тонн тротила [22] [23] [24].

Площадь поверхности (A) и объем (V) сферы равны и соответственно.

Однако предполагалось, что взрывная волна нарастает как поверхность приблизительно полусферной приповерхностной взрывной волны устройства Trinity. Бумага перемещается волной на 2,5 метра, поэтому эффект устройства Trinity заключается в перемещении полусферической воздушной оболочки 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 ]

Эта фотография взрыва Тринити, сделанная Берлин Брикснер , была использована Дж. И. Тейлором для оценки его мощности.

Хорошее приближение к мощности испытательного устройства Trinity было получено в 1950 году британским физиком Дж. Тейлором на основе простого анализа размеров и оценки теплоемкости для очень горячего воздуха. Первоначально Тейлор выполнил эту строго засекреченную работу в середине 1941 года и опубликовал статью с анализом 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, - это

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

что примерно равно 1 для всех условий.

Используя изображение испытания Тринити, 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 на Тринити в день испытания, в отличие от значений на уровне моря приблизительно 1,3 кг / м 3). м 3 ) и решив для E , Тейлор получил, что выход составляет около 22 килотонн в тротиловом эквиваленте (90 ТДж). При этом не принимается во внимание 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, которая составляла 20 килотонн. TNT (84 TJ) (см. GI Taylor, Proc. Roy. Soc. London A 200 , стр. 235–247 (1950)).

Хорошим приближением к постоянной Тейлора S для значений ниже 2 является [25]

Значение отношения 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 (по совпадению) близко к STP (стандартному) гамма для комнатного воздуха, что составляет 1,4. Это дает значение константы S Тейлора, равное 1,036 для области адиабатического гипершока, где выполняется условие постоянной R 5 / t 2 .

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

(подумайте о выражении для кинетической энергии ),

а затем получить выражение для, скажем, E , с точки зрения других переменных, находя значения , и в общем соотношении

таким образом, что левая и правая стороны 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 (50 и 75 ТДж) (погрешность 20%), а бомба в Нагасаки « Толстяк»", по оценкам, составляет от 18 до 23 килотонн в тротиловом эквиваленте (75 и 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 ​​разными 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 рассматриваются различные эффекты при разной мощности.
  • Список ядерного оружия

Ссылки [ править ]

  1. Бомба B-41
  2. ^ a b «Полный список всего ядерного оружия США» . Архив ядерного оружия . 14 октября 2006 . Проверено 29 августа 2014 года .
  3. Акерман, Спенсер (23 октября 2011 г.). «Демонтаж последнего ядерного« оружия монстра »» . Проводной . Проверено 23 октября 2011 года .
  4. ^ Ровберри, Ариана. «Замок Браво: крупнейший ядерный взрыв в США» . Институт Брукингса . Проверено 23 сентября 2017 года .
  5. ^ Уокер, Джон (июнь 2005 г.). "Компьютер наведения ядерной бомбы" . Фурмилаб . Проверено 22 ноября 2009 .
  6. ^ a b Уокер, Джон (июнь 2005 г.). "Компьютерные эффекты ядерной бомбы, пересмотренное издание 1962 года, на основе данных по воздействию ядерного оружия, исправленное издание" . Фурмилаб . Проверено 22 ноября 2009 . Максимальный радиус огненного шара, представленный на компьютере, является средним между радиусами воздушных и наземных взрывов. Таким образом, радиус огненного шара для поверхностного взрыва на 13 процентов больше указанного, а для воздушного взрыва - на 13 процентов меньше.
  7. ^ Уокер, Джон (июнь 2005 г.). "Компьютер наведения ядерной бомбы" . Фурмилаб . Проверено 22 ноября 2009 .
  8. ^ Инсайдер, РАЙАН ПИКРЕЛЛ, Бизнес. «Разрушительный взрыв в Бейруте эквивалентен нескольким сотням тонн тротила, говорят эксперты» . ScienceAlert . Проверено 6 августа 2020 .
  9. ^ Кэри Саблетт. «Бомба B-41 (Mk-41)» .
  10. ^ a b Франко Коззани (26 июля 2011 г.), ДЕЛЕНИЕ, СЛИЯНИЕ И СТАДИЯ: взгляд с высоты на основные концепции конструкции ядерного оружия и любопытные идеи по этому поводу , IERI , получено 3 февраля 2017 г..
  11. ^ «Операция Доминик» . Архив ядерного оружия .
  12. ^ «Ядерное оружие Пакистана: Краткая история ядерной программы Пакистана» . Федерация американских ученых . 11 декабря 2002 . Проверено 30 октября 2019 года .
  13. ^ Керр, Джордж Д .; Янг, Роберт В .; Cullings, Гарри М .; Кристи, Роберт Ф. (2005). «Параметры бомбы» (PDF) . В Роберте В. Янге, Джордже Д. Керре (ред.). Переоценка дозиметрии излучения атомной бомбы для Хиросимы и Нагасаки - система дозиметрии 2002 . Фонд исследования радиационных эффектов. С. 42–43. Архивировано из оригинального (PDF) 10 августа 2015 года . Проверено 8 ноября 2014 .
  14. ^ Малик, Джон (сентябрь 1985). «Результаты взрывов в Хиросиме и Нагасаки» (PDF) . Лос-Аламосская национальная лаборатория . Проверено 9 марта 2014 года .
  15. ^ Армия США (1952). Заключительный отчет об операции «Плющ» 132 (PDF) .
  16. ^ Оценка мощности ядерных взрывов. Глава 7. Сейсмическая проверка договоров о ядерных испытаниях.
  17. ^ «ГЛАВА 3 ВЛИЯНИЕ ЯДЕРНЫХ ВЗРЫВОВ РАЗДЕЛ I - ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ» .
  18. ^ ЯДЕРНЫЕ СОБЫТИЯ И ИХ ПОСЛЕДСТВИЯ, Институт Бордена : «примерно 82% энергии деления выделяется в виде кинетической энергии двух больших осколков деления. Эти осколки, будучи массивными и сильно заряженными частицами , легко взаимодействуют с веществом. быстро к окружающим оружейным материалам, которые быстро нагреваются ».
  19. ^ "Обзор ядерной техники" (PDF) . Технический университет Вены. Архивировано из оригинального (PDF) 15 мая 2018 года. . Различные энергии, излучаемые при делении, перечислены на стр. 4: «167 МэВ» испускается посредством отталкивающей электростатической энергии между двумя дочерними ядрами, которая принимает форму «кинетической энергии» осколков деления, эта кинетическая энергия приводит как к более позднему взрыву, так и к тепловым эффектам. «5 МэВ» выделяется в мгновенном или начальном гамма-излучении, «5 МэВ» - в излучении мгновенных нейтронов (99,36% от общего количества), «7 МэВ» - в энергии запаздывающих нейтронов (0,64%) и «13 МэВ» в бета-распаде и гамма-распад (остаточное излучение).
  20. ^ Статья с участием Джека Эби, рассказывающего о его фотографии .
  21. ^ Rhodes 1986 , стр. 674-677.
  22. ^ Э. Ферми. Мои наблюдения во время взрыва на Тринити 16 июля 1945 года .
  23. ^ "Тринити-тест, 16 июля 1945 года, свидетельства очевидцев - Энрико Ферми" . Проверено 4 ноября 2014 года .
  24. ^ "Свидетели Троицы" (PDF) . Ядерный журнал оружие, выпуск 2, 2005 . Лос-Аламосская национальная лаборатория. 2005. с. 45 . Проверено 18 февраля 2014 года .
  25. ^ «Аналитическая математика для понимания физики по сравнению с абстрактными числовыми вычислениями» . Последствия ядерного оружия. Надежное ядерное сдерживание, разоблачение «разоружись или уничтожь». Реалистичные эффекты и надежные возможности ядерного оружия для сдерживания или прекращения агрессивных вторжений и атак, которые могут перерасти в крупные обычные или ядерные войны . 2006-03-29.
  26. ^ Тайер Уоткинс. Расширение огненного шара взрыва . Государственный университет Сан-Хосе.

Внешние ссылки [ править ]

  • "Какова мощность взрыва бомбы в Хиросиме?" Архивировано 13 сентября 2017 года в 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 разработок 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
  • Симулятор эффектов ядерной детонации с высоким выходом из архива, архивирован 16 февраля 2009 г. в Wayback Machine