Энерговыделение при взрывах ядерного оружия.

Введение

Энергия, высвобождаемая при взрывах ядерного оружия

Взрывная мощность ядерного оружия – это количество энергии, высвобождаемой при детонации данного ядерного оружия в виде взрыва, теплового излучения и ядерной радиации, обычно выражаемое в тротиловом эквиваленте (стандартизированная эквивалентная масса тринитротолуола, взрыв которой произвел бы такое же количество энергии), в килотоннах (кт – тысячи тонн тротила), в мегатоннах (Мт – миллионы тонн тротила) или иногда в тераджоулях (ТДж). Взрывная мощность в один тераджоуль равна… Поскольку точность любого измерения энергии, высвобождаемой тротилом, всегда была проблематичной, общепринятое определение заключается в том, что одна килотонна тротила эквивалентна 10¹² калориям. Отношение мощности к весу – это соотношение взрывной мощности оружия к его массе. Практический максимальный показатель отношения мощности к весу для термоядерного оружия оценивается в шесть мегатонн тротила на тонну массы бомбы (25 ТДж/кг). Для крупных боеприпасов, созданных для использования одной боеголовки в начале 1960-х годов, сообщалось о показателях в 5,2 мегатонны/тонну и выше. С тех пор уменьшение размеров боеголовок, необходимое для повышения эффективности поражения (урон от бомбы/масса бомбы) систем с множеством боеголовок, привело к увеличению отношения мощности к массе для отдельных современных боеголовок.

Пределы доходности

Отношение выхода к массе – это соотношение мощности взрыва к массе боеприпаса. По словам конструктора ядерного оружия Теда Тейлора, практический максимум отношения выхода к массе для термоядерного оружия составляет около 6 мегатонн в тротиловом эквиваленте на тонну (25 ТДж/кг). "Предел Тейлора" не выводится из фундаментальных принципов, и теоретически были разработаны боеприпасы с мощностью до 9,5 мегатонн на тонну. Фактически достигнутые значения несколько ниже, и это соотношение, как правило, меньше для более компактных и легких боеприпасов, которые преобладают в современных арсеналах и предназначены для эффективного использования МБР с разделяющимися головными частями или доставки крылатыми ракетами. Заявленная мощность в 25 мегатонн для B41 обеспечила бы ему отношение выхода к массе 5,1 мегатонны в тротиловом эквиваленте на тонну. Это потребовало бы значительно большей эффективности, чем у любого другого современного американского боеприпаса (по крайней мере, 40% эффективности в термоядерном топливе из лития дейтерида), но, по-видимому, было достижимо, вероятно, за счет использования лития-6 с более высокой степенью обогащения в термоядерном топливе. В результате B41 по-прежнему удерживает рекорд по максимальному отношению выхода к массе среди когда-либо разработанных боеприпасов. Таким образом, исходя из общедоступной информации, W56 может претендовать на звание боеприпаса с наивысшей эффективностью на сегодняшний день. В 1963 году Министерство энергетики США рассекретило заявления о том, что США обладали технологической возможностью развернуть боеголовку мощностью 35 мегатонн на ракете "Титан II" или гравитационную бомбу мощностью 50–60 мегатонн на бомбардировщиках B-52. Ни один из этих боеприпасов не был реализован, но любой из них потребовал бы отношения выхода к массе, превышающего 25 мегатонн у Mk 41. Этого можно было бы достичь, используя ту же конструкцию, что и у B41, но с добавлением тампера из высокообогащенного урана (HEU) вместо более дешевого, но менее энергоемкого тампера из обедненного урана (U-238), который наиболее часто используется в термоядерном оружии типа "Теллер-Улам". Для современных, более компактных американских боеприпасов мощность составляет от 600 до 2200 килотонн в тротиловом эквиваленте на тонну. Для сравнения, для очень маленьких тактических устройств, таких как "Дэви Крокетт", это было от 0,4 до 40 килотонн в тротиловом эквиваленте на тонну. Для исторического сравнения, для "Малыша" мощность составляла всего 4 килотонны в тротиловом эквиваленте на тонну, а для самой большой "Царь-бомбы" – 2 мегатонны в тротиловом эквиваленте на тонну (преднамеренно сниженная примерно вдвое от потенциальной мощности для того же боеприпаса, поэтому нет сомнений, что эта бомба в исходной конструкции могла бы иметь мощность 4 мегатонны на тонну). Самая большая чисто делящаяся бомба, когда-либо созданная, "Айви Кинг", имела мощность 500 килотонн, что, вероятно, находится в пределах верхнего предела для таких конструкций. Усиление синтезом, 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. (Британская "Orange Herald" была очень большой усиленной делящейся бомбой с мощностью 800 килотонн.) Однако, для термоядерной бомбы не существует известного верхнего предела мощности. Крупные однобоеголовковые боеприпасы редко входят в современные арсеналы, поскольку меньшие боеголовки МБР, распределенные по широкой разрушительной области, гораздо более эффективны при заданной общей мощности или массе полезной нагрузки. Этот эффект обусловлен тем, что разрушительная сила одной боеголовки на суше масштабируется примерно как кубический корень ее мощности, из-за потерь энергии при взрыве в полусферическом объеме, в то время как стратегическая цель распределена по круглой площади суши с ограниченной высотой и глубиной. Этот эффект более чем компенсирует снижение эффективности выхода к массе, возникающее при уменьшении размеров отдельных боеголовок МБР по сравнению с максимальным размером, который может нести одна ракета.

The yield to mass ratio is the amount of weapon yield compared to the mass of the weapon. According to nuclear weapons designer Ted Taylor, the practical maximum yield to mass ratio for fusion weapons is about 6 megatonnes of TNT per tonne (25 TJ/kg). The "Taylor limit" is not derived from first principles, and weapons with yields as high as 9.5 megatonnes per tonne have been theorized. The highest achieved values are somewhat lower, and the value tends to be lower for smaller, lighter weapons, of the sort that are emphasized in today's arsenals, designed for efficient MIRV use or delivery by cruise missile systems. The 25 Mt yield option reported for the B41 would give it a yield to mass ratio of 5.1 megatonnes of TNT per tonne. While this would require a far greater efficiency than any other current U. S. weapon (at least 40% efficiency in a fusion fuel of lithium deuteride), this was apparently attainable, probably by the use of higher than normal lithium 6 enrichment in the lithium deuteride fusion fuel. This results in the B41 still retaining the record for the highest yield to mass weapon ever designed. thus, from information available in the public domain, the W56 may hold the distinction of demonstrating the highest efficiency in a nuclear weapon to date. In 1963 DOE declassified statements that the U. S. had the technological capability of deploying a 35 Mt warhead on the Titan II, or a 50–60 Mt gravity bomb on B 52s. Neither weapon was pursued, but either would require yield to mass ratios superior to a 25 Mt Mk 41. This may have been achievable by utilizing the same design as the B41 but with the addition of a HEU tamper, in place of the cheaper but lower energy density U 238 tamper, which is the most commonly used tamper material in Teller–Ulam thermonuclear weapons. For current smaller US weapons, yield is 600 to 2200 kilotonnes of TNT per tonne. By comparison, for the very small tactical devices such as the Davy Crockett it was 0.4 to 40 kilotonnes of TNT per tonne. For historical comparison, for Little Boy the yield was only 4 kilotonnes of TNT per tonne, and for the largest Tsar Bomba, the yield was 2 megatonnes of TNT per tonne (deliberately reduced from about twice as much yield for the same weapon, so there is little doubt that this bomb as designed was capable of 4 megatonnes per tonne yield). The largest pure fission bomb ever constructed, Ivy King, had a 500 kilotonne yield, which is probably in the range of the upper limit on such designs. Fusion boosting could likely raise the efficiency of such a weapon significantly, but eventually all fission based weapons have an upper yield limit due to the difficulties of dealing with large critical masses. (The UK's Orange Herald was a very large boosted fission bomb, with a yield of 800 kilotonnes.) However, there is no known upper yield limit for a fusion bomb. Large single warheads are seldom a part of today's arsenals, since smaller MIRV warheads, spread out over a pancake shaped destructive area, are far more destructive for a given total yield, or unit of payload mass. This effect results from the fact that destructive power of a single warhead on land scales approximately only as the cube root of its yield, due to blast "wasted" over a roughly hemispherical blast volume, while the strategic target is distributed over a circular land area with limited height and depth. This effect more than makes up for the lessened yield/mass efficiency encountered if ballistic missile warheads are individually scaled down from the maximal size that could be carried by a single warhead missile.

Доходность

Эффективность атомной бомбы – это отношение фактической мощности взрыва к теоретически максимальной мощности. Не все атомные бомбы имеют одинаковую эффективность, так как конструкция каждой бомбы существенно влияет на то, насколько эффективно она может быть. Для максимизации эффективности необходимо правильно собрать критическую массу, а также использовать такие элементы конструкции, как отражатели и инициаторы. Отражатель обычно изготавливается из урана и удерживает активную часть вместе за счет инерции. Он предотвращает преждевременное разлетание активной части, чтобы обеспечить максимальное деление и избежать "провала" взрыва. Инициатор – это источник нейтронов, расположенный либо внутри активной части, либо снаружи бомбы, который в момент детонации направляет нейтроны в активную часть. Он, по сути, запускает реакцию, чтобы обеспечить максимальное количество делений и, следовательно, максимальную мощность взрыва.

Другие методы и споры

В тех случаях, когда эти данные недоступны, как это было во многих случаях, точные значения мощности стали предметом споров, особенно когда они связаны с политическими вопросами. Например, оружие, использованное при атомных бомбардировках Хиросимы и Нагасаки, имело уникальную и весьма специфическую конструкцию, и ретроспективная оценка их мощности оказалась затруднительной. Считается, что мощность бомбы, сброшенной на Хиросиму, "Малыш", составляла (с погрешностью в 20%), а бомбы, сброшенной на Нагасаки, "Толстяк" – (с погрешностью в 10%). Такие, казалось бы, незначительные различия в значениях могут иметь важное значение при использовании данных этих бомбардировок для оценки поведения других боеприпасов в реальных условиях, а также приводят к разным оценкам эквивалента других видов оружия в "бомбах Хиросимы" (например, водородная бомба "Айви Майк" оценивалась как эквивалентная либо 867, либо 578 бомбам Хиросимы – что представляет собой существенную разницу в риторическом плане, в зависимости от того, какое значение используется для расчета). К другим спорным оценкам мощности относится массивная "Царь-бомба", мощность которой различные политические деятели оценивали как "всего лишь" или максимум , либо преувеличивая ее разрушительную силу, либо пытаясь ее приуменьшить.