核武器当量

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美國部分核武器的當量(千噸)與核彈質量(千克)的關系圖。縱橫坐標均為對數。

核武器當量是指核武器爆炸後釋放出的能量,通常用釋放出相同能量的三硝基甲苯的噸位來衡量。常見的單位有千噸(kt)和百萬噸(Mt),有時也用太焦耳TeraJoules)。因為測量TNT爆炸產生的能量具有一定主觀性,加之試驗誤差,精確測定很困難(特別是在核武器研發初期)。因此,一千噸TNT爆炸的能量約定俗成的定為1012大卡,相當於4.184太焦耳。[1]

當量-重量比是指核武器的當量與其重量的比值。對於聚變武器熱核武器),當量-重量比的理論極限是每噸位炸彈6百萬噸TNT,相當於25太焦耳/千克。[2]1960年代曾報道過當量在5.2百萬噸/噸,甚至更高的單彈頭核武器。[2]但從那時起,為了增加打擊效率,多彈頭核武器受到青睞。因此,核武器開始小型化,現代單彈頭核武器的當量-重量比開始走下坡路。

核武器當量的具體例子[编辑]

從上往下當量遞增(大部分數據為近似值):

核彈 當量 備注
千噸TNT 太焦耳
大衛克羅無後座力砲 0.01 0.042 當量可變的戰術核武器。彈頭重23千克,是美國核武器中最輕的。和特殊原子爆破彈藥和 GAR-11獵隼式核導彈是同一種彈頭。
"小男孩"自由落體核武器 13-18 54-75 裝藥為鈾-235的裂變核武器,1945年由美國投擲於廣島,是人類第一顆用於實戰的原子彈
"胖子" 自由落體核武器 20-22 84-92 裝藥為鈈-239的裂變核武器,1945年由美國投擲於長崎,是人類第二顆用於實戰的原子彈。
W76英语W76彈頭 100 420 據猜測有12枚此類彈頭在具備多目標重返大氣層運載能力的三叉戟II型導彈上。國際條約限制為8枚。
W87英语W87彈頭 300 1,300 有10枚此類彈頭在具備多目標重返大氣層運載能力的LGM-118A維和者導彈上。
W88英语W88彈頭 475 1,990 據猜測有12枚此類彈頭在具備多目標重返大氣層運載能力的三叉戟II型導彈上。國際條約限制為8枚。
常青藤之王英语Ivy King彈頭 500 2,100 威力最大的裂變核武器。裝藥為60千克鈾-235
B83核彈 當量可變 上限為一千二百萬噸TNT; 美國現役核武器中威力最大的一種。
B53核彈 9,000 38,000 2010年前曾是美國核武器中威力最大的。2010年前曾多年未能列裝,但有50枚保留在美軍永久儲備(Enduring Stockpile)中。2011年,所有B53核彈被永久拆除。[3] 在反碉堡作戰方面,B61核彈的一個變種(B61 Mod 11)代替了B53核彈。B53同曾用於LGM-25C大力神II型導彈上的W53彈頭類似。大力神II型導彈於1987年退出現役。
勇敢城堡英语Castle Bravo熱核武器 15,000 63,000 是美國威力最大的核試驗。
EC17/Mk-17, EC24/Mk-24和B41核彈(Mk-41) 當量可變 是美國威力最大的熱核武器:二千五百萬噸TNT;Mk-17是體積和質量最大的核武器(18,000千克);Mk-41(或B41核彈)重達4800千克,當量為二千五百萬噸TNT,是有史以來當量-重量比最高的核彈。它們全部是自由落體炸彈,由B-36和平締造者轟炸機空投。
城堡行動系列核試驗 48,200 202,000 是美國威力最大的系列核試驗。
沙皇炸彈 50,000 210,000 是前蘇聯威力最大的核武器,當量為5千萬噸TNT。如果以貧化鈾代替包覆融合芯(tamper)中的,該彈的當量據稱可以達到一億噸TNT。
截止1996年一來的所有核試驗 510,300 2,135,000 從1945年到1996年,美國、前蘇聯法國英國中國大氣層核試驗的總當量為4.279億噸TNT;上述五國地下核試驗的總當量為0.824億噸TNT。全部加起來,上述五國的核試驗相當於爆炸了5.103億噸TNT。其他有核國家(比如印度巴基斯坦北朝鮮等)的當量還未計算進去。[4]
幾個核武器爆炸產生的火球半徑比較。注意爆炸波及的地區要比火球的範圍大得多。

作為比較,美國GBU-43 大型空爆炸彈(MOAB,戲稱為“炸彈之母”)的當量只有11噸TNT;俄克拉何馬城爆炸案中案犯使用的硝銨炸藥只相當於2噸TNT。即使跟最小的核武器相比,常規爆炸也難以企及。

當量的極限[编辑]

理論上,裂變核武器所能達到的最高當量-重量比約為每噸位炸彈六百萬噸TNT,相當於25太焦耳/千克。[2]迄今達到的最高值略小於這個極限。現代小巧核武器的當量-重量比更低,因為需要考慮載具的運載能力。

  • 二千五百萬噸級的B41核彈的當量-重量比可以達到每噸位炸彈五百二十萬噸TNT。美國現有的核武器許多無法達到這個水平。有人猜測如果使用高濃縮氘化鋰-6作為聚變燃料,這個當量-重量比並非不可企及。目前,B41核彈仍然保持著當量-重量比的世界紀錄。
  • 1963年美國能源部解密的文件顯示,美國有技術能力部署運載三千五百萬噸級核彈頭的大力神II型導彈,也有能力在B-52轟炸機上運載五千到六千萬噸級的核彈頭。美國政府並未真正執行。但是,計算顯示這些核彈的當量-重量比都超過二千五百萬噸級的B41核彈。有人猜測,保持B41核彈的設計不變,如果用鈾-235代替包覆融合芯中的鈾-238,就可以進一步提高當量-重量比。在泰勒-烏拉姆設計方案中,鈾-238是最常用的包覆融合芯材料。
  • 美國現有小巧核武器的當量-重量比在每噸位炸彈六十萬到二百二十萬噸TNT之間。大衛克羅無後座力砲的彈頭的當量-重量比在每噸位炸彈四百到四萬噸TNT。“小男孩”核彈的當量-重量比在每噸位炸彈四千噸TNT。最大的“沙皇炸彈”的當量-重量比在每噸位炸彈二百萬噸TNT。據信若使用合適的材料,“沙皇炸彈”的比值可以達到每噸位炸彈四百萬噸TNT。
  • 有史以來最大的純裂變核武器“常青藤之王”的當量為五十萬噸TNT,也許已經達到了其設計的極限。使用聚變增強能大大提高此類核彈的效率。但是,裂變材料在超過臨界質量後會帶來嚴峻的設計和工程問題。因此裂變核武器的當量是有極限的。純聚變核武器卻沒有這個問題。
  • 理論上裂變核武器所能達到的最高當量-重量比約為每噸位炸彈六百萬噸TNT,實際所達到的值為每噸位炸彈五百二十萬噸TNT。因此對於空投的核彈,其總當量有一個實際界限。新一代核武器基本不再有笨重的外殼,增強了提高當量-重量比的可能性。比如,Mk-36核彈的當量-重量比約為每噸位炸彈一百二十五萬噸TNT。如果其外殼能夠減重2/3,其當量-重量比可提高到每噸位炸彈二百三十萬噸TNT,和更新且更輕的Mk/B-53核彈幾乎一樣。
  • 運載工具的運載能力可以用來猜測核彈的當量。安-225運輸機的最大運載能力是二百五十噸。如果有這樣一顆二百五十噸的核彈,其當量將達到一億三千萬噸TNT。俄羅斯的大型火箭SS-18R-36導彈)的有效載荷為7.2噸。其能夠攜帶的最大裂變武器相當於三千七百四十萬噸TNT。土星五號火箭的有效載荷為120噸。其能夠攜帶的最大裂變武器相當於七千萬噸TNT。

現代核武庫中已經很少有大型單彈頭。取而代之的是多目標重返大氣層載具運載的多彈頭系統。在當量或者載荷相近時,後者的破壞力遠遠超出前者。單個彈頭的破壞力是其當量的2/3。在多彈頭系統中,雖然每個彈頭的破壞力相對小些,但是整體上多彈頭的破壞力不但能夠補償失去的當量數,反而會因為更好的當量-重量比而具有更大的破壞力。

當量的計算和爭議[编辑]

核爆炸的當量有時很難計算,誤差較大。當量的計算有幾種方式,比如通過爆炸的範圍、亮度、地震數據和衝擊波的強度來確定。恩裡科·費米曾用過一種非常粗略的方法來估計聖三一核試驗的當量。他在爆炸衝擊波到來時扔出一把碎紙片,然後測量紙片飛了多遠,以此估計爆炸的強度。[5]

聖三一核試驗(鈈彈)中的火球,曾被英國物理學家傑弗里·泰勒用於估測爆炸當量。

1950年,英國物理學家傑弗里·泰勒曾利用簡單的量綱分析和對極熱空氣熱容的估計,估算了聖三一核試驗的當量。他得到的近似值精度頗佳。起初泰勒的工作是嚴格保密的。1950年代,當前蘇聯爆炸了同類核彈之後,聖三一核試驗被解密。泰勒於是發表了一篇文章,其中包括對聖三一核試驗中火球的分析。泰勒指出,開始時火球的大小R僅僅依賴於爆炸產生的能量E、引爆後的時間t和空氣的密度ρ。唯一能得到長度量綱的計算公式為:

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

S是一個無量綱的常數,是熱容比(γ = Cp/Cv,或者稱作絕熱指數)的低階函數,因此在任何條件下都近似為1。

泰勒觀察了聖三一核試驗中的火球隨時間的變化後發現,R5/t2對核試驗是一個常數,特別是時間在0.38毫秒(衝擊波剛剛形成)和1.93毫秒(大量能量以輻射熱的形式散失)之間。

泰勒選擇了爆炸後t=25毫秒,這時火球半徑為140米。爆炸當天聖三一的空氣密度為1千克/立方米。用這些值代入以上公式,泰勒得到聖三一核試驗爆炸當量為二萬二千噸TNT(90太焦耳)。值得注意的是,聖三一核試驗中的火球是半個火球,而不是一個完整的。但是這個簡單的計算得到的結果同官方數據(二萬噸TNT)相差僅10%。[6]

當熱容比γ小於2時,泰勒的常數S可以用下式來估計:[7]

S = [75(γ-1)/8π]1/5

完全解離空氣分子的熱容比為1.67;極熱的未解離空氣分子的熱容比為1.20。在核彈火球中的空氣與標准狀態下的空氣恰好有同樣的熱容比:1.40。根據這個數據,泰勒的常數S在絕熱衝擊波區為1.036。

其他方法和爭議[编辑]

許多核爆未公布數據,因此其當量均有爭議,特別是涉及到政治的時候。比如,在廣島和長崎爆炸的原子彈設計相當不同。事後估計它們的當量很困難。投擲於廣島的“小男孩”的當量估計為一萬二千到一萬八千噸TNT(誤差20%),投擲於長崎的“胖子”估計為一萬八千到二萬三千噸TNT(誤差10%)。這樣的數據可以用來評估其它炸彈在實戰中的性能。比如“常青藤麥克”熱核武器相當於867或578個廣島核彈。其它受到爭議的還包括“沙皇炸彈”的當量。不同的政治人物使用不同的數值。有的說“只有五千萬噸”,另外的則說“五千七百萬噸”。

參考文獻[编辑]

  1. ^ Babrauskas, Vytenis. Ignition Handbook. Issaquah, WA: Fire Science Publishers/Society of Fire Protection Engineers. 2003: 453. ISBN 0-9728111-3-3. 
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 The B-41 Bomb. [2013-03-27]. 
  3. ^ Ackerman, Spencer. Last Nuclear ‘Monster Weapon’ Gets Dismantled. Wired. October 23, 2011 [23 October 2011]. 
  4. ^ Norris, R. S.; Arkin, W. M. known nuclear tests worldwide, 1945-1995. Bulletin of the Atomic Scientists. 1996-05: 61–63. 
  5. ^ Trinity Test, July 16, 1945 Eyewitness Report by Enrico Fermi. [2013-03-27]. 
  6. ^ Taylor, G. I. The Dynamics of the Combustion Products behind Plane and Spherical Detonation Fronts in Explosives. Proceedings of the Royal Society of London A. 1950, 200: 235–247. 
  7. ^ Analytical mathematics for physical understanding, versus abstract numerical computation. [2013-03-27]. 

外部鏈接[编辑]

  • "General Principles of Nuclear Explosions", Chapter 1 in Samuel Glasstone and Phillip Dolan, eds., The Effects of Nuclear Weapons, 3rd edn. (Washington D.C.: U.S. Department of Defense/U.S. Energy Research and Development Administration, 1977); provides information about the relationship of nuclear yields to other effects (radiation, damage, etc.).