Ограниченные данные

Ядерное оружие может иметь довольно столько же, сколько взрыва как хочется их сделать, но с увеличением взрывной мощности увеличивается вес оружия. Мы всегда туманно говорим о возможности производить водородные бомбы произвольно высокой мощности, но в последнее время я несколько обдумывал этот факт. количественно. В прошлом месяце я выступил с докладом на собрании Общества истории науки, посвященном Интерес США к 50-100-мегатонным бомбам примерно во время действия Договора об ограниченном запрещении ядерных испытаний, и во время работы над этим документом я получил немного одержимый тем, что известно как в отношение урожайности к массе.

Little Boy — большой взрыв по сравнению с обычной бомбой, но все же очень грубая ядерная бомба.

Что делает ядерное оружие впечатляющим и ужасным, так это то, что его удельная мощность по умолчанию, то есть количество удар по массе, обычно выражаемый через килотонн на килограмм (кт/кг) — много, много выше, чем у обычных взрывчатых веществ. Возьмем, к примеру, ТНТ. Тонна тротила весит, ну, тонна. По определению. Итак, это 0,001 килотонны на 1000 килограммов; или 0,000001 кт/кг.Для сравнения, даже такое примитивное оружие, как бомба «Малыш», сброшенная на Хиросиму, весила около 15 килотонн в упаковке весом 4400 кг: 0,003 кт/кг. Это означает, что бомба Little Boy имела плотность энергии на три порядка выше, чем у обычной тротиловой бомбы. Так вот, тротил — это не все и вся из обычных взрывчатых веществ, но никакое обычное взрывчатое вещество не может что много бума за свои деньги по сравнению с ядерной бомбой.

Урожайность Little Boy составляет гораздо ниже чем гипотетическая плотность энергии урана-235. На каждый килограмм полностью распадающегося урана-235 выделяется около 17 кт/кг. Это означает, что в бомбе Little Boy расщепилось менее килограмма урана-235, чтобы высвободить 15 килотонн энергии. Зная, что в бомбе было 64 кг урана, это означает, что примерно 1,3% урана в оружии действительно подверглись делению. Так что сразу же можно было интуитивно понять, что это то, что, вероятно, можно было бы улучшить.

«Толстяк» — гораздо лучше использует расщепляющийся материал, чем «Малыш», но не более эффективен с точки зрения удельного веса.

Бомба Толстяка имела много лучше использовать расщепляющийся материал, чем Малыш. Его мощность была ненамного лучше (около 20 килотонн), но ему удалось выжать ее (буквально) всего из 6,2 кг плутония-239. Pu-239 высвобождает около 19 килотонн на килограмм, что полностью распадается, так что это означает, что около 15% ядра Толстяка (чуть менее 1 кг плутония) подверглись делению. Но сама бомба по-прежнему весила 4700 кг, а ее удельная мощность составляла всего 0,004 кт/кг. Почему, несмотря на улучшенную эффективность и более совершенную конструкцию Толстяка, коэффициент доходности был почти таким же, как у Маленького мальчика? Потому что для того, чтобы получить этот 1 кг деления, потребовалось очень тяжелый аппарат. Взрывные линзы сами по себе весили около 2400 кг.Тампер из обедненного урана, который скреплял ядро ​​и отражал нейтроны, добавлял еще 120 килограммов. Алюминиевая сфера, на которой держался весь аппарат, весила 520 килограммов. Баллистический кейс (необходимая вещь для любого настоящего оружия!) весил еще около 1400 кг. Все это было необходимо, чтобы бомба работала или была сбрасываемой.

Поэтому неудивительно, что улучшение отношения мощности к весу было первостепенной задачей в послевоенной ядерной программе. Термоядерный синтез значительно повышает ставки. Литий-дейтерид (LiD), наиболее распространенное и используемое термоядерное топливо, дает 50 килотонн на каждый килограмм, который подвергается синтезу, поэтому синтез почти в 3 раза более энергетически на единицу веса, чем деление. Таким образом, чем больше синтеза вы добавляете к оружию, тем лучше соотношение мощности к весу, за исключением того факта, что все термоядерное оружие требует первичной обмотки деления и обычно также имеет очень тяжелые тамперы.

Я взял все сообщения о массе и мощности американского ядерного оружия с всегда полезного веб-сайта Кэри Саблетт, поместил их в программу статистического анализа R и построил этот полусумасшедший график отношения мощности к массе американского оружия:

Горизонтальная ось (x) — мощность в килотоннах (в логарифмическом масштабе), вертикальная (y) ось — вес в килограммах (также в логарифмическом масштабе). Выбирая, какой из весов и выходов использовать, я всегда выбирал самые низкие из перечисленных весов и самые высокие из перечисленных выходов, потому что меня интересует оптимальное современное состояние. Отдельные точки разброса представляют собой модели оружия. Размер каждой точки показывает, сколько их было произведено; их цвет представляет, когда они были впервые развернуты. Те, что над ними кресты, до сих пор в запасе. Диагональные линии указывают на определенные области отношения урожайности к массе.

Здесь есть несколько интересных моментов.Вы можете увидеть Little Boy (Mk-1), Fat Man (Mk-3) и послевоенные усовершенствования Fat Man (Mk-4 — тот же вес, больший выход) вверху слева, между 0,01 кт/кг и 0,001 кт/кг. кг. Это хороший ориентир для довольно неэффективного ядерного оружия. В правом верхнем углу вы можете увидеть группу первых конструкций водородных бомб (TX-16, EC-17, Mk-17, EC-24, Mk-24) — высокая мощность (следовательно, далеко справа), но очень тяжелый (отсюда очень высокий). Опять же, хороший эталон для термоядерного оружия большой мощности первого поколения.

Таким образом, подобная диаграмма позволяет вам начать думать действительно визуально и в некоторой степени количественно о сложности поздних конструкций ядерного оружия. Например, вы легко можете увидеть, что радикальное снижение веса, подобное тому, которое требуется для создания небольшого тактического ядерного оружия, обычно приводит к реальному снижению эффективности. Это оружие в левом нижнем углу, почти единственное оружие в диапазоне эффективности Маленького Мальчика/Толстяка (или хуже). Также можно увидеть, что есть несколько общих тенденций в развитии дизайна с течением времени, если посмотреть, как меняются цвета.

Сначала идет движение вниз и вправо (меньше вес, больше мощность — улучшенные бомбы деления); есть также движение резко вверх и вправо (большой вес, очень высокая мощность — термоядерное оружие), которое затем снова движется вниз и влево (большая мощность, меньший вес — улучшенное термоядерное оружие). Есть также осколок легкого и маломощного тактического оружия, который мелькает в левом нижнем углу. В середине справа находится то, что кажется сложным.сладкое пятно», место, где все оружие США, которое в настоящее время находится на складах, оказывается в диапазоне 0,1–3 кт/кг, особенно в диапазоне 2–3 кт/кг:

Это бомбы типа W-76 или B-61 — бомбы со «средней» мощностью боеголовок (100, а не 1000 кгс).тонн) в упаковках с относительно небольшим весом (100, а не 1000 килограммов).грамм).Это оружие использует тот факт, что оно, как ожидается, будет относительно точным (и, следовательно, не должно быть в диапазоне нескольких мегатонн, чтобы иметь стратегические последствия), наряду с тем, что, по-видимому, представляет собой изощренные приемы термоядерной конструкции (например, сферические). вторичные), чтобы выжать много энергии из относительно небольшого количества материала. Возьмем, к примеру, W-76: ему удается получить 100 килотонн мощности из 164 килограммов. Если мы предположим, что это отношение деления к синтезу 50/50, это означает, что ему удается полностью расщепить около 5 кг делящегося материала и полностью расплавить около 2 кг термоядерного материала. И для получения такого результата требуется всего 157 кг другого оборудования (и нерасщепленного или нерасплавленного материала), что чуть больше, чем весит Шакил О’Нил.

Такое оружие не самый эффективный. Конструктор оружия Теодор Тейлор писал в 1987 году, что 6 килотонн/килограмм были в значительной степени верхним пределом того, что было достигнуто1. Лишь немногие образцы оружия приблизились к этому. Самым эффективным оружием в арсенале США был Mk-41. нелепо оружие большой мощности (25 мегатонн), которое компенсировало свой вес большой энергией синтеза.

Компоненты ядерного оружия В-61 — боеголовка пулевидной формы в центре слева. B-61 был разработан для гибкости, а не для миниатюризации, но все же впечатляет то, что он может получить мощность, в 20 раз превышающую мощность бомбы, сброшенной на Хиросиму, из этой боеголовки размером с мусорный бак.

Но учитывая, что высокая эффективность связана с высокой мощностью и относительно большим весом, становится ясно, что инновации, позволившие разместить боеголовки на платформах с РГЧ, запускаемых с подводных лодок, по-прежнему впечатляют. По-настоящему волшебный диапазон, кажется, для оружия в диапазоне сотен килотонн (более 100 килотонн, но меньше мегатонны), но менее 1000 килограммов.Каждая из этих дат датируется после 1962 года и, вероятно, связана с настоящими прорывами в конструкции боеголовок, которые впервые были использованы в серии испытаний операции «Доминик» (1962 год). Это своего рода стратегическая миниатюризация, которая делает военных планировщиков счастливыми.

Какова отдача от размышлений о таких числах? Во-первых, это позволяет вам увидеть, где были сделаны инновации, даже если вы ничего не знаете о том, как работает оружие. Другими словами, отношение урожайности к весу может обеспечить эвристический за понимание сложности ядерной конструкции, сравнение разработок с течением времени, не заботясь о внутренностях самого оружия. Это также позволяет вам проводить межнациональные сравнения таким же образом. К 1970-м годам французский ядерный арсенал, по-видимому, разработал оружие в том же миниатюрном диапазоне удельной мощности, что и в Соединенных Штатах, — по-видимому, с некоторой помощью Соединенных Штатов, — и поэтому мы, вероятно, можем предположить, что они знают все, что выяснили Соединенные Штаты. миниатюрная конструкция водородной бомбы в 1960-х годах.

Царь-бомба: много шума, но много веса. США думали, что они могут сделать такое же количество стрелы при вдвое меньшем весе.

Или, если взять другой подход и вернуться к первоначальному импульсу для меня, глядя на эту тему, мы знаем, что знаменитая «Царь-бомба» Советского Союза весила 27 000 кг и имела максимальную мощность 100 Мт, что давало ей мощность- удельный вес «всего» 3,43 килотонны/килограмм. Это довольно много, но не для оружия, использующего столько термоядерной энергии. Комиссии по атомной энергии было ясно, что Советы только что расширили традиционную конструкцию водородной бомбы и не разработали никаких новых уловок. Напротив, в 1961 году США были уверены, что они могут создать 100-мегатонное оружие, которое весило бы около 13 600 кг (30 000 фунтов) — впечатляющее соотношение 7,35 килотонн/килограмм, что намного выше достигнутого максимума в 6 кт/кг.К 1962 году, после серии «Доминик», они думали, что смогут поднять 50 Мт в упаковке всего 4500 кг (10 000 фунтов) — как-то нелепо Соотношение 11 кт/кг. (В этой оценке они отметили, что в результате оружие могло иметь непрактично большой диаметр, возможно, потому, что вторичная часть была сферической, а не цилиндрической.) Таким образом, мы можем видеть, не зная многого о том, что США имели в виду, что они планировали что-то очень, очень отличное от того, что затеяли Советы.

Именно этот подход «черного ящика» я нахожу таким интересным в отношении этих соотношений. Конечно, это грубый инструмент, но тем не менее инструмент. Глядя на общие тенденции, мы получаем представление о специфике и откинуть завесу совсем чуть-чуть.

1. Теодор Б. Тейлор, «Ядерное оружие третьего поколения», Научный американец 256, № 4 (апрель 1987 г.), 30-39, на 34: «Отношение мощности к весу боеголовок чистого деления колеблется от низкого порядка 0,0005 килотонны на килограмм до высокого порядка 0,1 килотонны на килограмм. […] Общая удельная мощность стратегических термоядерных боеголовок достигает шести килотонн на килограмм. Хотя максимальное теоретическое отношение составляет 17 и 50 килотонн на килограмм соответственно для реакций деления и синтеза, максимальное отношение мощности к весу для американского оружия, вероятно, приблизилось к практическому пределу из-за различных неизбежных неэффективностей в конструкции ядерного оружия (в первую очередь возникающих из того факта, что невозможно удержать оружие от распада до того, как произойдет полное деление или синтез ядерной взрывчатки». [↩]

Эта запись была опубликована в понедельник, 23 декабря 2013 г., в 9:20 и размещена в разделе «Размышления». Вы можете следить за любыми ответами на эту запись через ленту RSS 2.0. И комментарии и запросы в настоящий момент закрыты.