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核武器当量本文重定向自 核武器当量

美国部分核武器的当量(千吨)与核弹质量(千克)的关系图。纵横坐标均为对数。

核武器当量是指核武器爆炸后释放出的能量,通常用释放出相同能量的三硝基甲苯的吨位来衡量。常见的单位有千吨(kt)和百万吨(Mt),有时也用太焦耳(TeraJoules)。因为测量TNT爆炸产生的能量具有一定主观性,加之试验误差,精确测定很困难(特别是在核武器研发初期)。因此,一千吨TNT爆炸的能量约定俗成的定为1012大卡,相当于4.184太焦耳。

当量-重量比是指核武器的当量与其重量的比值。对于聚变武器热核武器),当量-重量比的理论极限是每吨位炸弹6百万吨TNT,相当于25太焦耳/千克。1960年代曾报道过当量在5.2百万吨/吨,甚至更高的单弹头核武器。但从那时起,为了增加打击效率,多弹头核武器受到青睐。因此,核武器开始小型化,现代单弹头核武器的当量-重量比开始走下坡路。

核武器当量的具体例子

从上往下当量递增(大部分数据为近似值):

核弹 当量 备注
千吨TNT 太焦耳
大卫克罗无后座力炮 0.01 0.042 当量可变的战术核武器。弹头重23千克,是美国核武器中最轻的。和特殊原子爆破弹药和 GAR-11猎隼式核导弹是同一种弹头。
"小男孩"自由落体核武器 13-18 54-75 装药为铀-235的裂变核武器,1945年由美国投掷于广岛,是人类第一颗用于实战的原子弹
"胖子" 自由落体核武器 20-22 84-92 装药为钚-239的裂变核武器,1945年由美国投掷于长崎,是人类第二颗用于实战的原子弹。
W76英语W76弹头 100 420 据猜测有12枚此类弹头在具备多目标重返大气层运载能力的三叉戟II型导弹上。国际条约限制为8枚。
W87英语W87弹头 300 1,300 有10枚此类弹头在具备多目标重返大气层运载能力的LGM-118A维和者导弹上。
W88英语W88弹头 475 1,990 据猜测有12枚此类弹头在具备多目标重返大气层运载能力的三叉戟II型导弹上。国际条约限制为8枚。
常青藤之王英语Ivy King弹头 500 2,100 威力最大的裂变核武器。装药为60千克铀-235
B83核弹 当量可变 上限为1200万吨TNT; 美国现役核武器中威力最大的一种。
常春藤麦克氢弹 10,400 44,000 世界第一个氢弹
勇敢城堡英语Castle Bravo热核武器 15,000 63,000 是美国威力最大的核试验。
EC17/Mk-17, EC24/Mk-24和B41核弹(Mk-41) 当量可变 是美国威力最大的热核武器:2500万吨TNT;Mk-17是体积和质量最大的核武器(18,000千克);Mk-41(或B41核弹)重达4800千克,当量为2500万吨TNT,是有史以来当量-重量比最高的核弹。它们全部是自由落体炸弹,由B-36和平缔造者轰炸机空投。
城堡行动系列核试验 48,200 202,000 是美国威力最大的系列核试验。
沙皇炸弹 50,000 210,000 是前苏联威力最大的核武器,当量为5000万吨TNT。如果以贫化铀代替包覆融合芯(tamper)中的,该弹的当量据称可以达到一亿吨TNT。
截止1996年一来的所有核试验 510,300 2,135,000 从1945年到1996年,美国、前苏联法国英国中国大气层核试验的总当量为4.279亿吨TNT;上述五国地下核试验的总当量为0.824亿吨TNT。全部加起来,上述五国的核试验相当于爆炸了5.103亿吨TNT。其他有核国家(比如印度巴基斯坦北朝鲜等)的当量还未计算进去。
几个核武器爆炸产生的火球半径比较。注意爆炸波及的地区要比火球的范围大得多。

作为比较,美国GBU-43 大型空爆炸弹(MOAB,戏称为“炸弹之母”)的当量只有11吨TNT;1995年俄克拉何马城爆炸案中案犯使用的硝铵炸药只相当于2吨TNT;2015年天津港危化品仓库爆炸事故当量相当于445吨TNT;2020年贝鲁特爆炸事故当量大约在数百吨至3000吨之间的TNT。即使跟最小的核武器相比,常规爆炸也难以企及。

当量的极限

理论上,裂变核武器所能达到的最高当量-重量比约为每吨位炸弹600万吨TNT,相当于25太焦耳/千克。迄今达到的最高值略小于这个极限。现代小巧核武器的当量-重量比更低,因为需要考虑载具的运载能力。

  • 2500万吨级的B41核弹的当量-重量比可以达到每吨位炸弹510万吨TNT。美国现有的核武器许多无法达到这个水平。有人猜测如果使用高浓缩氘化锂-6作为聚变燃料,这个当量-重量比并非不可企及。目前,B41核弹仍然保持着当量-重量比的世界纪录。
  • 1963年美国能源部解密的文件显示,美国有技术能力部署运载3500万吨级核弹头的大力神II型导弹,也有能力在B-52轰炸机上运载5000到6000万吨级的核弹头。美国政府并未真正执行。但是,计算显示这些核弹的当量-重量比都超过2500万吨级的B41核弹。有人猜测,保持B41核弹的设计不变,如果用铀-235代替包覆融合芯中的铀-238,就可以进一步提高当量-重量比。在泰勒-乌拉姆设计方案中,铀-238是最常用的包覆融合芯材料。
  • 美国现有小巧核武器的当量-重量比在每吨位炸弹60万到220万吨TNT之间。大卫克罗无后座力炮的弹头的当量-重量比在每吨位炸弹400吨至4万吨TNT。“小男孩”核弹的当量-重量比在每吨位炸弹4000吨TNT。已知威力最大的“沙皇炸弹”的当量-重量比在每吨位炸弹200万吨TNT;据信若使用合适的材料,“沙皇炸弹”的比值可以达到每吨位炸弹400万吨TNT。
  • 有史以来最大的纯裂变核武器“常青藤之王”的当量为50万吨TNT,也许已经达到了其设计的极限。使用聚变增强能大大提高此类核弹的效率,但是裂变材料在超过临界质量后会带来严峻的设计和工程问题,因此裂变核武器的当量是有极限的。纯聚变核武器却没有这个问题。
  • 理论上裂变核武器所能达到的最高当量-重量比约为每吨位炸弹600万吨TNT,实际所达到的值为每吨位炸弹520万吨TNT。因此对于空投的核弹,其总当量有一个实际界限。新一代核武器基本不再有笨重的外壳,增强了提高当量-重量比的可能性。比如,Mk-36核弹的当量-重量比约为每吨位炸弹125万吨TNT。如果其外壳能够减重2/3,其当量-重量比可提高到每吨位炸弹230万吨TNT,和更新且更轻的Mk/B-53核弹几乎一样。
  • 运载工具的运载能力可以用来猜测核弹的当量。乌克兰的安-225运输机的最大运载能力是250万吨;如果有这样一颗250万吨的核弹,其当量将达到13亿吨TNT。俄罗斯的大型火箭SS-18R-36导弹)的有效载荷为7.2吨;其能够携带的最大裂变武器相当于3740万吨TNT。美国的土星五号火箭的有效载荷为120吨;其能够携带的最大裂变武器相当于7亿吨TNT。

现代核武库中已经很少有大型单弹头。取而代之的是多目标重返大气层载具运载的多弹头系统。在当量或者载荷相近时,后者的破坏力远远超出前者。单个弹头的破坏力是其当量的2/3。在多弹头系统中,虽然每个弹头的破坏力相对小些,但是整体上多弹头的破坏力不但能够补偿失去的当量数,反而会因为更好的当量-重量比而具有更大的破坏力。

当量的计算和争议

核爆炸的当量有时很难计算,误差较大。当量的计算有几种方式,比如通过爆炸的范围、亮度、地震数据和冲击波的强度来确定。恩里科·费米曾用过一种非常粗略的方法来估计三位一体核试的当量。他在爆炸冲击波到来时扔出一把碎纸片,然后测量纸片飞了多远,以此估计爆炸的强度。

三位一体核试(钚弹)中的火球,曾被英国物理学家杰弗里·泰勒用于估测爆炸当量。

1950年,英国物理学家杰弗里·泰勒曾利用简单的量纲分析和对极热空气热容的估计,估算了圣三一核试验的当量。他得到的近似值精度颇佳。起初泰勒的工作是严格保密的。1950年代,当前苏联爆炸了同类核弹之后,圣三一核试验被解密。泰勒于是发表了一篇文章,其中包括对圣三一核试验中火球的分析。泰勒指出,开始时火球的大小R仅仅依赖于爆炸产生的能量E、引爆后的时间t和空气的密度ρ。唯一能得到长度量纲的计算公式为:

S是一个无量纲的常数,是热容比(γ = Cp/Cv,或者称作绝热指数)的低阶函数,因此在任何条件下都近似为1。

泰勒观察了圣三一核试验中的火球随时间的变化后发现,R5/t2对核试验是一个常数,特别是时间在0.38毫秒(冲击波刚刚形成)和1.93毫秒(大量能量以辐射热的形式散失)之间。

泰勒选择了爆炸后t=25毫秒,这时火球半径为140米。爆炸当天圣三一的空气密度为1千克/立方米。用这些值代入以上公式,泰勒得到圣三一核试验爆炸当量为二万二千吨TNT(90太焦耳)。值得注意的是,圣三一核试验中的火球是半个火球,而不是一个完整的。但是这个简单的计算得到的结果同官方数据(二万吨TNT)相差仅10%。

当热容比γ小于2时,泰勒的常数S可以用下式来估计:

S = [75(γ-1)/8π]1/5

完全解离空气分子的热容比为1.67;极热的未解离空气分子的热容比为1.20。在核弹火球中的空气与标准状态下的空气恰好有同样的热容比:1.40。根据这个数据,泰勒的常数S在绝热冲击波区为1.036。

其他方法和争议

许多核爆未公布数据,因此其当量均有争议,特别是涉及到政治的时候。比如,在广岛和长崎爆炸的原子弹设计相当不同。事后估计它们的当量很困难。投掷于广岛的“小男孩”的当量估计为一万二千到一万八千吨TNT(误差20%),投掷于长崎的“胖子”估计为一万八千到二万三千吨TNT(误差10%)。这样的数据可以用来评估其它炸弹在实战中的性能。比如“常春藤麦克”热核武器相当于867或578个广岛核弹。其它受到争议的还包括“沙皇炸弹”的当量。不同的政治人物使用不同的数值。有的说“只有五千万吨”,另外的则说“五千七百万吨”。

外部链接

  • "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.).



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