Nükleer silah getirisi - Nuclear weapon yield

Günlük-günlük grafiği Birleşik Devletler tarafından geliştirilen çeşitli nükleer silahların verimini (kiloton cinsinden) ve kütlesini (kilogram cinsinden) karşılaştırarak.

Patlayıcı nükleer silahın verimi miktarı enerji o belirli olduğunda serbest bırakıldı nükleer silah patladı, genellikle bir TNT eşdeğeri (standartlaştırılmış eşdeğer kitle nın-nin trinitrotoluen eğer patlatılırsa, ya kiloton (kt - binlerce ton TNT), megaton (Mt - milyon ton TNT) ya da bazen Terajoules (TJ). Bir terajoule patlayıcı verimi 0.239'a eşittir kiloton TNT. Çünkü herhangi birinin doğruluğu ölçüm TNT tarafından salınan enerjinin% 'si her zaman sorunlu olmuştur, geleneksel tanım, bir kiloton TNT'nin 10'a eşit olduğudur.¹² kalori.

Verim-ağırlık oranı, silahın kütlesine kıyasla silah veriminin miktarıdır. Füzyon silahları için pratik maksimum verim-ağırlık oranı (termonükleer silahlar ) metrik ton bomba kütlesi (25 TJ / kg) başına altı megaton TNT olduğu tahmin edilmektedir. 1960'ların başında tek savaş başlığı kullanımı için yapılmış büyük silahlar için 5,2 megaton / ton ve daha yüksek verim bildirilmiştir.^[1] O zamandan beri, daha küçük savaş başlıklarının daha yüksek net hasar verimliliği (bomba hasarı / bomba kütlesi) elde etmesi gerekiyordu. çoklu savaş başlığı sistemleri tek modern savaş başlıkları için verim / kütle oranında düşüşlere neden olmuştur.

Nükleer silah verimi örnekleri

Verimi artırma sırasına göre (çoğu verim rakamı yaklaşıktır):

Çeşitli nükleer silahlar için karşılaştırmalı ateş topu yarıçapları.^{[kaynak belirtilmeli ]} İlk ateş topu yarıçapını tasvir edebilecek görüntünün aksine, Castle Bravo'nun maksimum ortalama ateş topu yarıçapı, 15 megatonluk bir verim. yüzey patlaması 3,3 ila 3,7 km (2,1 ila 2,3 mil),^[5][6] ve resimde gösterilen 1,42 km değil. Benzer şekilde 21 kiloton alçak bir irtifanın maksimum ortalama ateş topu yarıçapı hava patlaması için modern tahmin olan şişman adam 0,21 - 0,24 km (0,13 - 0,15 mi),^[6][7] ve görüntünün 0,1 km'si değil.

Bir karşılaştırma olarak, patlama verimi GBU-43 Massive Ordnance Air Blast bombası 0,011 kt ve Oklahoma City bombalaması kamyon tabanlı gübre bombası kullanan, 0,002 kt idi. Tahmini gücü Beyrut limanında patlama 0.3-0.5 kt'dir.^[8] Çoğu yapay nükleer olmayan patlamalar çok küçük nükleer silahlar olarak kabul edilenlerden bile önemli ölçüde daha küçüktür.

Getiri sınırları

Verim-ağırlık oranı, silahın kütlesine kıyasla silah veriminin miktarıdır. Nükleer silah tasarımcısına göre Ted Taylor, füzyon silahları için pratik maksimum verim-ağırlık oranı, metrik ton başına yaklaşık 6 megaton TNT'dir (25 TJ / kg).^{[9][kendi yayınladığı kaynak? ]} "Taylor sınırı" aşağıdakilerden türetilmez: İlk şartlar ve metrik ton başına 9.5 megaton kadar yüksek verime sahip silahlar teorileştirildi.^[10] Ulaşılan en yüksek değerler biraz daha düşüktür ve değer, günümüzün cephaneliklerinde vurgulanan türden daha küçük, daha hafif silahlar için daha düşük olma eğilimindedir, verimli MIRV kullanımı veya seyir füze sistemleri ile teslimat için tasarlanmıştır.

• 25 Mt verim seçeneği, B41 metrik ton başına 5,1 megaton TNT verim-ağırlık oranı verir. Bu, diğer mevcut ABD silahlarından çok daha fazla verimlilik gerektirse de (lityum döteridden oluşan bir füzyon yakıtında en az% 40 verimlilik), bu muhtemelen normalden daha yüksek bir silahın kullanılmasıyla elde edilebilirdi. lityum-6 zenginleştirme lityum döterid füzyon yakıtı. Bu, B41 hala en yüksek rekoru elinde tutuyor verim-ağırlık silah hiç tasarlanmış.^[10]

• W56 bir kg cihaz kütlesi başına 4,96 kt verim-ağırlık oranı ve şimdiye kadar üretilmiş en yüksek ağırlık silahı olan 25 megaton B41'de elde edilebilecek tahmin edilen 5,1 kt / kg'a çok yakın olduğunu gösterdi. Tam verimle asla kanıtlanamayan B41'in aksine, W56, verimliliğini XW-56X2 Bluestone çekiminde gösterdi. Dominic Operasyonu 1962'de^[11] bu nedenle, kamu malı olan bilgilerden hareketle, W56, bir nükleer silahta bugüne kadarki en yüksek verimliliği gösterme ayrıcalığına sahip olabilir.
• 1963'te DOE, ABD'nin Titan II'ye 35 Mt savaş başlığı veya B-52'lere 50-60 Mt yerçekimi bombası yerleştirme teknolojik kabiliyetine sahip olduğu açıklamalarını kaldırdı. Her iki silah da takip edilmedi, ancak 25 Mt Mk-41'den daha yüksek verim-ağırlık oranları gerektirecekti. Bu, aynı tasarım kullanılarak gerçekleştirilebilirdi. B41 ama eklenmesi ile HEU kurcalamak^{[kaynak belirtilmeli ]}daha ucuz ama daha düşük olanın yerine enerji yoğunluğu U-238 en yaygın kullanılan kurcalama malzemesi olan kurcalama Teller-Ulam termonükleer silahlar.
• Mevcut daha küçük ABD silahları için verim, metrik ton başına 600 ila 2200 kiloton TNT'dir. Karşılaştırıldığında, Davy Crockett gibi çok küçük taktik cihazlar için, metrik ton başına 0.4 ila 40 kiloton TNT idi. Tarihsel karşılaştırma için Little Boy için verim, metrik ton başına yalnızca 4 kiloton TNT idi ve en büyüğü için Çar Bomba Verim, metrik ton başına 2 megaton TNT idi (aynı silah için yaklaşık iki kat daha fazla verimden kasıtlı olarak düşürüldü, bu nedenle tasarlandığı şekliyle bu bombanın ton başına 4 megaton üretebileceği konusunda çok az şüphe var).
• En büyük saf bölünme şimdiye kadar yapılmış bomba, Ivy King 500 kiloton verim aldı,^[2] bu muhtemelen bu tür tasarımlarda üst sınır aralığındadır.^{[kaynak belirtilmeli ]} Füzyon artırma muhtemelen böyle bir silahın verimliliğini önemli ölçüde artırabilir, ancak sonunda tüm fisyon tabanlı silahların büyük kritik kütlelerle başa çıkmanın zorlukları nedeniyle bir üst verim sınırı vardır. (Birleşik Krallık'ın Orange Herald 750 kiloton verimi olan çok büyük bir güçlendirilmiş fisyon bombasıydı.) Bununla birlikte, bir füzyon bombası için bilinen bir üst verim sınırı yoktur.

Büyük tek savaş başlıkları, daha küçük olduğu için nadiren günümüz cephaneliğinin bir parçasıdır. MIRV Gözleme şeklindeki yıkıcı bir alana yayılan savaş başlıkları, belirli bir toplam verim veya taşıma yükü kütlesi birimi için çok daha yıkıcıdır. Bu etki, tek bir savaş başlığının kara üzerindeki yıkıcı gücünün, yaklaşık yarım küre şeklindeki bir patlama hacmi üzerinde "boşa harcanan" patlamaya bağlı olarak, yaklaşık olarak yalnızca veriminin küp kökü olarak ölçülmesinden kaynaklanırken, stratejik hedef dairesel bir kara alanına dağıtılırken sınırlı yükseklik ve derinlik. Bu etki, balistik füze savaş başlıklarının, tek bir savaş başlığı füzesinin taşıyabileceği maksimum boyuttan ayrı ayrı küçültülmesi durumunda karşılaşılan azalan verim / kütle verimliliğini fazlasıyla telafi eder.

Dönüm noktası nükleer patlamalar

Aşağıdaki liste, dönüm noktası olan nükleer patlamalarla ilgilidir. Buna ek olarak Hiroşima ve Nagazaki'nin atom bombası, bir ülke için belirli bir silah türünün ilk nükleer testi ve aksi takdirde dikkate değer olan testler (şimdiye kadarki en büyük test gibi) dahildir. Tüm verimler (patlayıcı güç), kiloton cinsinden tahmini enerji eşdeğerlerinde verilmiştir. TNT (görmek TNT eşdeğeri ). Varsayılan testler (sevmek Vela Olayı ) dahil edilmemiştir.

Not

• "Aşamalı", "doğru" olup olmadığını ifade eder hidrojen bombası sözde Teller-Ulam yapılandırma veya basitçe bir güçlendirilmiş fisyon silahı. Nükleer test serilerinin daha eksiksiz bir listesi için bkz. Nükleer testlerin listesi. Bazı kesin getiri tahminleri, örneğin, Çar Bomba ve 1998'de Hindistan ve Pakistan tarafından yapılan testler, uzmanlar arasında bir şekilde tartışmalı.

Getiri hesaplama ve tartışma

Getiri nükleer patlamalar Kiloton veya megaton aralığında olduğu kadar kaba sayılar kullanıldığında bile hesaplanması çok zor olabilir (bireyin çözünürlüğüne göre çok daha az Terajoules ). Çok kontrollü koşullar altında bile, kesin verimleri belirlemek çok zor olabilir ve daha az kontrollü koşullar için hata payları oldukça büyük olabilir. Fisyon cihazları için en kesin verim değeri "radyokimyasal / Serpinti analizi "; yani, fisyon ürünleri ile hemen hemen aynı şekilde kimyasal verim kimyasal reaksiyon ürünlerinde bir Kimyasal reaksiyon. Radyokimyasal analiz yöntemine öncülük etti Herbert L. Anderson.

Serpintinin elde edilemeyeceği veya ulaşılamayacağı nükleer patlayıcı cihazlar için yanıltıcı, nötron aktivasyonu analiz genellikle en doğru ikinci yöntem olarak kullanılır ve her ikisinin de verimini belirlemek için kullanılır. Küçük çoçuk^[13][14] ve termonükleer Sarmaşık Mike 's^[15] Verimler ayrıca bir dizi başka uzaktan Algılama patlatma boyutuna göre ölçeklendirme kanunu hesaplamaları dahil olmak üzere yollar, infrasound ateş topu parlaklığı (Bhangmeter ), sismografik veri (CTBTO ),^[16] ve şok dalgasının gücü.

Enrico Fermi meşhur bir (çok) kaba bir hesaplama yaptı. Trinity testi küçük kağıt parçalarını havaya düşürerek ve ne kadar uzağa hareket ettirildiklerini ölçerek patlama dalgası patlamanın; yani o buldu patlama basıncı patlamadan uzakta inç kare başına pound kağıtların dikeyden uzaklaşmasının sapmasını kaba bir patlama göstergesi / barograf ve sonra baskı ile X psi cinsinden, uzaktan Y, mil rakamlarıyla, Trinity cihazının verimini tahmin etmek için geriye doğru tahminler yaptı ve yaklaşık 10 kiloton patlama enerjisi.^[20][21]

Fermi daha sonra şunu hatırladı:

Trinity'deki Ana Kamp'ta, patlamanın olduğu yerden yaklaşık on mil [16 km] uzaklıkta konumlandım ... Patlamadan yaklaşık 40 saniye sonra hava patlaması bana ulaştı. Patlama dalgasının geçişi öncesinde, sırasında ve sonrasında yaklaşık altı fitlik küçük kağıt parçalarını düşürerek gücünü tahmin etmeye çalıştım. O zamanlar rüzgar olmadığından çok net bir şekilde gözlemleyebiliyordum ve patlama geçerken düşme sürecinde olan kağıt parçalarının yer değiştirmesini gerçekten ölçebiliyordum. Değişim yaklaşık 2 1/2 metreydi ve o zamanlar on bin ton T.N.T.'nin üreteceği patlamaya karşılık geleceğini tahmin ettim.^[22][23][24]

yüzey alanı Bir kürenin (A) ve hacmi (V):${ displaystyle A = 4 pi r ^ {2}}$ ve ${ displaystyle V = { frac {4} {3}} pi r ^ {3}}$ sırasıyla.

Bununla birlikte, patlama dalgasının, yaklaşık yarımkürenin yüzey alanı olarak büyüyeceği varsayılmıştır. yüzey patlaması Trinity cihazının patlama dalgası Kağıt dalga tarafından 2,5 metre hareket ettirilir - bu nedenle Trinity cihazının etkisi, 2,5 m × 2π (14 km) hacimli yarım küre şeklindeki bir hava kabuğunun yerini almaktır.². 1 atm ile çarparak 3×10¹⁴ J ~ 80 kT TN.^{[ölçmek ]}

başparmak [Resim: Trinity Test Fireball 25ms.jpg | sağ | başparmak | 250px | Trinity patlamasının bu fotoğrafı Berlyn Brixner, G.I. Taylor, verimini tahmin edecek.

Trinity test cihazının veriminin iyi bir tahmini 1950'de basitten elde edildi. boyutlu analiz İngiliz fizikçi tarafından çok sıcak hava için ısı kapasitesi tahmini G. I. Taylor. Taylor, başlangıçta bu yüksek derecede sınıflandırılmış çalışmayı 1941 ortalarında yapmış ve Trinity fotoğraf verilerinin 1950'de gizliliği kaldırıldığında (SSCB bu bombanın kendi versiyonunu patlattıktan sonra) Trinity verilerinin ateş topunun analizini içeren bir makale yayınlamıştı.

Taylor şunu kaydetti: yarıçap R patlama başlangıçta sadece enerjiye bağlı olmalıdır E patlamanın zamanı t patlamadan sonra ve havanın yoğunluğu ρ. Tek denklem Bu miktarlardan oluşturulabilen uyumlu boyutlara sahip olmak:

${ displaystyle R = S sol ({ frac {{E {t}} ^ {2}} { rho}} sağ) ^ { frac {1} {5}}}$

Burada S, yaklaşık olarak 1'e eşit bir değere sahip boyutsuz bir sabittir, çünkü bu, düşük dereceli bir fonksiyondur. ısı kapasitesi oranı veya adyabatik indeks

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

bu, tüm koşullar için yaklaşık 1'dir.

Burada gösterilen Trinity testinin resmini kullanarak (ABD hükümeti tarafından kamuya açıklanmış ve Hayat Taylor, patlamanın ardışık karelerini kullanarak R⁵/ t² belirli bir nükleer patlamada bir sabittir (özellikle şok dalgası oluştuktan sonra 0,38 ms ve termal radyasyon tarafından önemli miktarda enerji kaybedilmeden önce 1,93 ms arasında). Dahası, S için sayısal olarak 1 değerini tahmin etti.

Böylece t = 0.025 s ve patlama yarıçapı 140 metredir ve ρ 1 kg / m olacak³ (yaklaşık 1,3 kg / m deniz seviyesi değerlerinin aksine, test gününde Trinity'de ölçülen değer³) ve çözme ETaylor, verimin yaklaşık 22 kiloton TNT (90 TJ) olduğunu elde etti. Bu, yarı küresel bir patlama için enerjinin bu değerin yalnızca yarısı kadar olması gerektiği gerçeğini hesaba katmaz, ancak bu çok basit argüman, bombanın 1950'de 20 kiloton olan resmi değerinin% 10'unu kabul etti. TNT (84 TJ) (Bkz. GI Taylor, Proc. Roy. Soc. Londra A 200, s. 235–247 (1950).)

Taylor'ın S sabiti için iyi bir yaklaşım ${ displaystyle gamma}$ yaklaşık 2'nin altında:

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

^[25] Değeri ısı kapasitesi oranı burada tamamen ayrışmış hava moleküllerinin 1.67'si ile çok sıcak diatomik hava (1.2) için daha düşük değer arasındadır ve atomik bir ateş topu koşulları altında (tesadüfen) S.T.P.'ye yakındır. 1.4 olan oda sıcaklığında hava için (standart) gamma. Bu Taylor'ın değerini verir S R sabitinin olduğu adyabatik hiper şok bölgesi için sabit 1.036⁵/ t² durum geçerlidir.

Temel boyutsal analizle ilgili olduğu için, tüm değişkenler kütle, M, uzunluk, L ve zaman, T cinsinden ifade edilirse:^[26]

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

(kinetik enerjinin ifadesini düşünün, ${ displaystyle E = { frac {mv ^ {2}} {2}}}$

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

${ displaystyle t = [T]}$

${ displaystyle r = [L]}$

ve sonra diğer değişkenler açısından E için bir ifade türetmek için ${ displaystyle alpha}$, ${ displaystyle beta}$, ve ${ displaystyle gamma}$ genel ilişkide

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

öyle ki sol ve sağ taraf M, L ve T cinsinden boyutsal olarak dengelenir (yani her boyut her iki tarafta da aynı üslere sahiptir).

Diğer yöntemler ve tartışma

Bazı durumlarda olduğu gibi, bu verilerin bulunmadığı yerlerde, özellikle siyaset sorunlarına bağlı olduklarında, kesin sonuçlar tartışmalı hale gelmiştir. Kullanılan silahlar Hiroşima ve Nagazaki'nin atom bombası örneğin, son derece bireysel ve kendine özgü tasarımlardı ve bunların verimini geriye dönük olarak ölçmek oldukça zordu. Hiroşima bombası "Küçük çoçuk ", Nagasaki bombasının 12 ila 18 kiloton TNT (50 ila 75 TJ) (% 20 hata payı) arasında olduğu tahmin ediliyor,"Şişman adam ", 18 ila 23 kiloton TNT (75 ila 96 TJ) (% 10 hata marjı) arasında olduğu tahmin edilmektedir. Değerlerdeki bu kadar küçük değişiklikler, bu bombardımanlardan elde edilen verileri nasıl olduğunu yansıtacak şekilde kullanmaya çalışırken önemli olabilir. diğer bombalar savaşta davranacak ve aynı zamanda diğer silahların kaç tane "Hiroşima bombası" na eşdeğer olduğuna dair farklı değerlendirmelerle sonuçlanacaktır (örneğin, Sarmaşık Mike Hidrojen bombası 867 veya 578 Hiroşima silahına eşdeğerdi - retorik olarak oldukça önemli bir fark - hesaplama için yüksek veya düşük rakamın kullanılmasına bağlı olarak). Diğer tartışmalı getiriler arasında büyük Çar Bomba, farklı politik figürler tarafından "sadece" 50 megaton TNT (210 PJ) veya maksimum 57 megaton TNT (240 PJ) arasında, ya bombanın gücünü abartmanın bir yolu olarak ya da altını kesmeye çalışın.

Ayrıca bakınız

• Nükleer patlamaların etkileri - farklı verimlerde farklı etkiler hakkında ayrıntıya girer
• Nükleer silahların listesi

Referanslar

Dış bağlantılar

• "Hiroşima bombasının verimi neydi?" (resmi rapordan alıntı)
• "Nükleer Patlamaların Genel Prensipleri", Bölüm 1, Samuel Glasstone ve Phillip Dolan, eds., Nükleer Silahların Etkileri3. baskı (Washington D.C .: ABD Savunma Bakanlığı / ABD Enerji Araştırma ve Geliştirme İdaresi, 1977); nükleer verimin diğer etkilerle (radyasyon, hasar vb.) ilişkisi hakkında bilgi sağlar.
• "MAYIS 1998 POKHRAN TESTLERİ: Bilimsel Yönler", Hindistan 1998 testlerinin verimini belirlemek için kullanılan farklı yöntemleri tartışır.
• Hindistan test verimleri konusundaki bazı tartışmaları tartışıyor
• "Hindistan'ın nükleer testlerinin gerçek getirisi nedir?" Carey Sublette'in NuclearWeaponArchive.org sitesinden
• Yüksek Verimli Nükleer Patlama Etkileri Simülatörü