Rendimento da arma nuclear - Nuclear weapon yield

Gráfico log-log comparando o rendimento (em quilotons) e a massa (em quilogramas) de várias armas nucleares desenvolvidas pelos Estados Unidos.

O rendimento explosivo de uma arma nuclear é a quantidade de energia liberada quando aquela arma nuclear específica é detonada , geralmente expressa como um equivalente de TNT (a massa equivalente padronizada de trinitrotolueno que, se detonada, produziria a mesma descarga de energia), seja em quilotons (kt - milhares de toneladas de TNT), em megatons (Mt - milhões de toneladas de TNT), ou às vezes em terajoules (TJ). Um rendimento explosivo de um terajoule é igual a 0,239 quilotoneladas de TNT . Como a precisão de qualquer medição da energia liberada pelo TNT sempre foi problemática, a definição convencional é que um quilotonel de TNT é considerado simplesmente equivalente a 1012 calorias .

A relação peso-rendimento é a quantidade de rendimento da arma em comparação com a massa da arma. A relação peso-rendimento máxima prática para armas de fusão (armas termonucleares ) foi estimada em seis megatons de TNT por tonelada métrica de massa da bomba (25 TJ / kg). Rendimentos de 5,2 megatons / tonelada ou mais foram relatados para grandes armas construídas para uso em uma única ogiva no início dos anos 1960. Desde então, as ogivas menores necessárias para alcançar o aumento da eficiência de dano líquido (dano de bomba / massa da bomba) de sistemas de ogivas múltiplas resultaram em aumentos na relação rendimento / massa para ogivas modernas únicas.

Exemplos de rendimentos de armas nucleares

Em ordem de aumento de rendimento (a maioria dos valores de rendimento são aproximados):

Bombear Produção Notas Peso do material nuclear
kt TNT TJ
Davy Crockett 0,02 0,084 Arma nuclear tática de rendimento variável - massa de apenas 23 kg (51 lb), a mais leve já implantada pelos Estados Unidos (a mesma ogiva que a Munição de Demolição Atômica Especial e o míssil Falcão Nuclear GAR-11 ).
AIR-2 Genie 1,5 6,3 Um foguete ar-ar não guiado armado com uma ogiva nuclear W25 desenvolvido para interceptar esquadrões de bombardeiros. O peso total do material nuclear e da bomba era 98,8 - 100,2 kg
Bomba de gravidade " Little Boy " de Hiroshima 13-18 54-75 Bomba de fissão de urânio 235 do tipo arma (a primeira das duas armas nucleares que foram usadas na guerra). 64 kg de Urânio-235, cerca de 1,38% do urânio fissionado
Bomba de gravidade " Fat Man " de Nagasaki 19-23 79-96 Bomba de fissão de plutônio-239 do tipo implosão (a segunda das duas armas nucleares usadas na guerra). 6,2 kg de Plutônio-239, cerca de 1 kg fissionado
Ogiva W76 100 420 Doze deles podem estar em um míssil MIRVed Trident II ; tratado limitado a oito.
W87 ogiva 300 1.300 Dez deles estavam em um Peacekeeper LGM-118A com MIRV .
W88 ogiva 475 1.990 Doze deles podem estar em um míssil Trident II; tratado limitado a oito.
Dispositivo Ivy King 500 2.100 Bomba de fissão pura americana mais poderosa, 60 kg de urânio, tipo implosão. Nunca implantado. 60 kg de urânio altamente enriquecido (HEU)
Orange Herald Small 720 3.000 A mais poderosa ogiva de míssil de fissão impulsionada testada no Reino Unido . 117 kg de Urânio-235
Bomba nuclear B83 1.200 5.000 Arma de rendimento variável, arma mais poderosa dos EUA em serviço ativo.
Bomba nuclear B53 9.000 38.000 Foi a bomba mais poderosa dos Estados Unidos em serviço ativo até 1997. 50 foram retidas como parte da parte "Hedge" do Estoque Duradouro até ser completamente desmontado em 2011. A variante Mod 11 do B61 substituiu o B53 na função de detonador de bunker. A ogiva W53 da arma foi usada no míssil Titan II até o sistema ser desativado em 1987.
Dispositivo Castle Bravo 15.000 63.000 Teste mais poderoso dos EUA. Nunca implantado. 400 kg de deutereto de lítio-6
EC17 / Mk-17, EC24 / Mk-24 e B41  (Mk-41) 25.000 100.000 As armas americanas mais poderosas de todos os tempos: 25 megatons de TNT (100 PJ); o Mk-17 também era o maior em metragem quadrada de área e metragem cúbica de massa: cerca de 20 toneladas curtas (18.000 kg). O Mk-41 ou B41 tinha massa de 4800 kg e rendimento de 25 Mt; isso equivale a ser a arma de maior rendimento por peso já produzida. Todas eram bombas de gravidade carregadas pelo bombardeiro B-36 (retirado em 1957).
Toda a série de testes nucleares da Operação Castelo 48.200 202.000 A série de testes de maior rendimento conduzida pelos EUA.
Dispositivo Czar Bomba 50.000 210.000 URSS, a arma nuclear mais poderosa já detonada, rendimento de 50 megatons, (50 milhões de toneladas de TNT). Em sua forma "final" (ou seja, com um adulterador de urânio empobrecido em vez de um feito de chumbo ) teria sido de 100 megatons.
Todos os testes nucleares em 1996 510.300 2.135.000 Energia total gasta durante todos os testes nucleares. [1]
Raios de bola de fogo comparativos para uma seleção de armas nucleares. Ao contrário da imagem, que pode representar o raio inicial da bola de fogo, o raio médio máximo da bola de fogo do Castelo Bravo, uma explosão de superfície de rendimento de 15 megatons , é de 3,3 a 3,7 km (2,1 a 2,3 mi), e não os 1,42 km exibidos na imagem . Da mesma forma, o raio médio máximo da bola de fogo de uma explosão aérea de 21 quilotons em baixa altitude , que é a estimativa moderna para o homem gordo , é de 0,21 a 0,24 km (0,13 a 0,15 mi), e não os 0,1 km da imagem.

Em comparação, o rendimento da explosão da bomba GBU-43 Massive Ordnance Air Blast é de 0,011 kt, e o do bombardeio de Oklahoma City , usando uma bomba de fertilizante baseada em caminhão, foi de 0,002 kt. A força estimada da explosão no porto de Beirute é 0,3-0,5 kt. A maioria das explosões não nucleares artificiais são consideravelmente menores do que até mesmo o que são consideradas armas nucleares muito pequenas.

Limites de rendimento

A relação rendimento-massa é a quantidade de rendimento da arma em comparação com a massa da arma. De acordo com o projetista de armas nucleares Ted Taylor , a proporção prática máxima de rendimento-massa para armas de fusão é de cerca de 6 megatons de TNT por tonelada métrica (25 TJ / kg). O "limite de Taylor" não é derivado dos primeiros princípios , e foram teorizadas armas com rendimentos de até 9,5 megatons por tonelada métrica. Os valores mais altos alcançados são um pouco mais baixos, e o valor tende a ser mais baixo para armas menores e mais leves, do tipo que são enfatizados nos arsenais de hoje, projetados para uso eficiente de MIRV ou lançamento por sistemas de mísseis de cruzeiro.

  • A opção de rendimento de 25 Mt informada para o B41 daria a ele uma relação rendimento-massa de 5,1 megatons de TNT por tonelada métrica. Enquanto isso exigiria uma eficiência muito maior do que qualquer outra arma atual dos EUA (pelo menos 40% de eficiência em um combustível de fusão de deutereto de lítio), isso era aparentemente alcançável, provavelmente pelo uso de enriquecimento de lítio-6 superior ao normal no deutereto de lítio combustível de fusão. Isso faz com que o B41 ainda retenha o recorde de arma de maior rendimento por massa já projetada.
  • O W56 demonstrou uma relação rendimento-massa de 4,96 kt por quilograma de massa do dispositivo, e muito perto dos 5,1 kt / kg previstos na arma de maior rendimento-massa já construída, o B41 de 25 megaton. Ao contrário do B41, que nunca foi testado com rendimento total, o W56 demonstrou sua eficiência no XW-56X2 Bluestone shot da Operação Dominic em 1962, portanto, a partir de informações disponíveis em domínio público, o W56 pode ter a distinção de demonstrar a maior eficiência em uma arma nuclear até hoje.
  • Em 1963, o DOE desclassificou as declarações de que os Estados Unidos tinham a capacidade tecnológica de lançar uma ogiva de 35 Mt no Titan II ou uma bomba de gravidade de 50 a 60 Mt nos B-52s. Nenhuma das armas foi perseguida, mas qualquer uma delas exigiria taxas de rendimento por massa superiores a 25 Mt Mk-41. Isso pode ter sido conseguido utilizando o mesmo design do B41, mas com a adição de um adulterador HEU , no lugar do adulterador U-238 mais barato, mas de baixa densidade de energia , que é o material de adulteração mais comumente usado em armas termonucleares Teller-Ulam .
  • Para as armas americanas menores atuais, o rendimento é de 600 a 2.200 quilotons de TNT por tonelada métrica. Em comparação, para os dispositivos táticos muito pequenos, como o Davy Crockett , era de 0,4 a 40 quilotons de TNT por tonelada métrica. Para comparação histórica, para Little Boy o rendimento foi de apenas 4 quilotons de TNT por tonelada métrica, e para o maior czar Bomba , o rendimento foi de 2 megatons de TNT por tonelada métrica (deliberadamente reduzido de cerca de duas vezes mais rendimento para a mesma arma, portanto, há poucas dúvidas de que essa bomba projetada era capaz de produzir 4 megatons por tonelada).
  • A maior bomba de fissão pura já construída, Ivy King , teve um rendimento de 500 quilotons, o que provavelmente está na faixa do limite superior de tais projetos. O aumento da fusão provavelmente poderia aumentar a eficiência de tal arma significativamente, mas eventualmente todas as armas baseadas em fissão têm um limite de rendimento superior devido às dificuldades de lidar com grandes massas críticas. (O Orange Herald, do Reino Unido, era uma bomba de fissão impulsionada muito grande, com um rendimento de 750 quilotons.) No entanto, não há limite superior de rendimento conhecido para uma bomba de fusão.

Grandes ogivas únicas raramente fazem parte dos arsenais de hoje, uma vez que ogivas MIRV menores , espalhadas por uma área destrutiva em forma de panqueca, são muito mais destrutivas para um determinado rendimento total ou unidade de massa de carga útil. Este efeito resulta do fato de que o poder destrutivo de uma única ogiva em terra escala aproximadamente apenas como a raiz cúbica de seu rendimento, devido à explosão "desperdiçada" sobre um volume de explosão aproximadamente hemisférico, enquanto o alvo estratégico é distribuído sobre uma área de terra circular com altura e profundidade limitadas. Este efeito mais do que compensa a redução do rendimento / eficiência de massa encontrada se as ogivas de mísseis balísticos forem individualmente reduzidas a partir do tamanho máximo que poderia ser transportado por um míssil de ogiva única.

Explosões nucleares marcantes

A lista a seguir é de explosões nucleares marcantes. Além dos bombardeios atômicos de Hiroshima e Nagasaki , o primeiro teste nuclear de um determinado tipo de arma para um país está incluído, bem como testes que foram notáveis ​​(como o maior teste de todos os tempos). Todos os rendimentos (potência explosiva) são dados em seus equivalentes de energia estimados em quilotons de TNT (consulte o equivalente de TNT ). Testes putativos (como Vela Incident ) não foram incluídos.

Encontro Nome País Significado
( 16/07/1945 )16 de julho de 1945 Trindade 18-20 Estados Unidos Primeiro teste de dispositivo de fissão, primeira detonação de implosão de plutônio.
( 06/08/1945 )6 de agosto de 1945 Garotinho 12-18 Estados Unidos Bombardeio de Hiroshima , Japão , primeira detonação de um dispositivo do tipo arma de urânio, primeiro uso de um dispositivo nuclear em combate.
( 09/08/1945 )9 de agosto de 1945 Homem gordo 18-23 Estados Unidos Bombardeio de Nagasaki , Japão , segunda detonação de dispositivo de implosão de plutônio (sendo o primeiro o Teste da Trindade), segundo e último uso de dispositivo nuclear em combate.
( 29/08/1949 )29 de agosto de 1949 RDS-1 22 União Soviética Primeiro teste de arma de fissão pela União Soviética.
( 1952-10-03 )3 de outubro de 1952 furacão 25 Reino Unido Primeiro teste de arma de fissão pelo Reino Unido.
( 01/11/1952 )1 de novembro de 1952 Ivy Mike 10.400 Estados Unidos Primeira arma termonuclear " encenada ", com combustível de fusão criogênica, principalmente um dispositivo de teste e não como arma.
( 1952-11-16 )16 de novembro de 1952 Ivy King 500 Estados Unidos A maior arma de fissão pura já testada.
( 12/08/1953 )12 de agosto de 1953 Joe 4 400 União Soviética Primeiro teste de arma de fusão pela União Soviética (não "encenado").
( 01/03/1954 )1 de março de 1954 Castelo bravo 15.000 Estados Unidos Primeira arma termonuclear "encenada" usando combustível de fusão a seco. Um grave acidente nuclear ocorreu. Maior detonação nuclear conduzida pelos Estados Unidos.
( 1955-11-22 )22 de novembro de 1955 RDS-37 1.600 União Soviética Primeiro teste de arma termonuclear "encenado" pela União Soviética (desdobrável).
( 31/05/1957 )31 de maio de 1957 Orange Herald 720 Reino Unido A maior arma de fissão reforçada já testada. Pretendido como uma alternativa "na faixa de megatons" no caso de o desenvolvimento termonuclear britânico fracassar.
( 08/11/1957 )8 de novembro de 1957 Grapple X 1.800 Reino Unido Primeiro (bem-sucedido) teste de arma termonuclear "encenado" pelo Reino Unido
( 13/02/1960 )13 de fevereiro de 1960 Gerboise Bleue 70 França Primeiro teste de arma de fissão pela França.
( 31/10/1961 )31 de outubro de 1961 Czar Bomba 50.000 União Soviética A maior arma termonuclear já testada - reduzida em 50% a partir de seu projeto inicial de 100 Mt.
( 16/10/1964 )16 de outubro de 1964 596 22 China Primeiro teste de arma de fissão pela República Popular da China.
( 17/06/1967 )17 de junho de 1967 Teste No. 6 3.300 China Primeiro teste de arma termonuclear "encenado" pela República Popular da China.
( 24/08/1968 )24 de agosto de 1968 Canopus 2.600 França Primeiro teste de arma termonuclear "encenado" pela França
( 18/05/1974 )18 de maio de 1974 Buda sorridente 12 Índia Primeiro teste de fissão explosivo nuclear pela Índia.
( 11/05/1998 )11 de maio de 1998 Pokhran-II 45–50 Índia Primeiro teste potencial de arma impulsionada por fusão pela Índia; primeiro teste de arma de fissão implantável pela Índia.
( 28/05/1998 )28 de maio de 1998 Chagai-I 40 Paquistão Teste da primeira arma de fissão (impulsionada) pelo Paquistão
( 2006-10-09 )9 de outubro de 2006 Teste nuclear de 2006 menos de 1 Coréia do Norte Primeiro teste de arma de fissão pela Coreia do Norte (baseado em plutônio).
( 03/09/2017 )3 de setembro de 2017 Teste nuclear de 2017 200–300 Coréia do Norte Primeiro teste de arma termonuclear "encenado" reivindicado pela Coréia do Norte.
Observação

Calculando rendimentos e controvérsias

Os rendimentos das explosões nucleares podem ser muito difíceis de calcular, mesmo usando números tão aproximados quanto na faixa dos quilotons ou megaton (muito menos até a resolução de terajoules individuais ). Mesmo sob condições muito controladas, os rendimentos precisos podem ser muito difíceis de determinar e, para condições menos controladas, as margens de erro podem ser muito grandes. Para dispositivos de fissão, o valor de rendimento mais preciso é encontrado na " análise radioquímica / Fallout"; isto é, medindo a quantidade de produtos de fissão gerados, da mesma forma que o rendimento químico em produtos de reação química pode ser medido após uma reação química . O método de análise radioquímica foi iniciado por Herbert L. Anderson .

Para dispositivos explosivos nucleares onde a precipitação radioativa não é alcançável ou seria enganosa , a análise de ativação de nêutrons é freqüentemente empregada como o segundo método mais preciso, tendo sido usada para determinar o rendimento de ambos os rendimentos de Little Boy e termonuclear Ivy Mike . Os rendimentos também podem ser inferidos de uma série de outras maneiras de sensoriamento remoto , incluindo cálculos de lei de escala com base no tamanho da explosão, infra-som , brilho da bola de fogo ( Bhangmeter ), dados sismográficos ( CTBTO ) e a força da onda de choque.

Juntamente com a física fundamental contemporânea, os dados dos testes nucleares resultaram na seguinte explosão total e fracionamento de energia térmica sendo observado para detonações de fissão perto do nível do mar
Explosão 50%
Energia térmica 35%
Radiação ionizante inicial 5%
Residual precipitação radiação 10%

Enrico Fermi fez um cálculo (muito) aproximado do rendimento do teste Trinity , deixando cair pequenos pedaços de papel no ar e medindo o quão longe eles foram movidos pela onda de choque da explosão; ou seja, ele encontrou a pressão de explosão em sua distância da detonação em libras por polegada quadrada , usando o desvio da queda dos papéis da vertical como um medidor de explosão / barógrafo bruto e, em seguida, com pressão X em psi, à distância Y , em números de milhas, ele extrapolou para trás para estimar o rendimento do dispositivo Trinity, que ele descobriu ter cerca de 10  quilotons de energia de explosão.

Fermi mais tarde lembrou:

Eu estava estacionado no acampamento-base em Trinity, em uma posição a cerca de 16 quilômetros do local da explosão ... Cerca de 40 segundos depois da explosão, o jato de ar me atingiu. Tentei estimar sua força deixando cair pedaços de papel de cerca de um metro e oitenta antes, durante e depois da passagem da onda de choque. Como, na época, não havia vento [,] eu pude observar de forma muito distinta e realmente medir o deslocamento dos pedaços de papel que estavam em processo de queda durante a passagem da explosão. O deslocamento foi de cerca de 2 1/2 metros, que, na época, estimei corresponder à explosão que seria produzida por dez mil toneladas de TNT

A área de superfície (A) e o volume (V) de uma esfera são e, respectivamente.

A onda de choque, no entanto, foi provavelmente assumida a crescer à medida que a área de superfície da onda de explosão, aproximadamente hemisférica próxima à superfície, do gadget Trinity. O papel é movido 2,5 metros pela onda, então o efeito do dispositivo Trinity é deslocar uma concha hemisférica de ar de volume 2,5 m × 2π (16 km) 2 . Multiplique por 1 atm para obter a energia de4,1 × 10 14  J ~ 100 kT TNT.

Esta fotografia da explosão Trinity, capturada por Berlyn Brixner , foi usada por G. I. Taylor para estimar seu rendimento.

Uma boa aproximação do rendimento do dispositivo de teste Trinity foi obtida em 1950 pelo físico britânico GI Taylor a partir de uma análise dimensional simples e uma estimativa da capacidade de calor para ar muito quente. Taylor tinha inicialmente feito este trabalho altamente classificado em meados de 1941 e publicou um artigo com uma análise da bola de fogo de dados da Trinity quando os dados das fotografias da Trinity foram desclassificados em 1950 (depois que a URSS explodiu sua própria versão desta bomba).

Taylor notou que o raio R da explosão deve depender inicialmente apenas da energia E da explosão, do tempo t após a detonação e da densidade ρ do ar. A única equação com dimensões compatíveis que podem ser construídas a partir dessas quantidades é

Aqui S é uma constante adimensional com um valor aproximadamente igual a 1, uma vez que é função de ordem inferior da razão de capacidade de calor ou índice adiabático

que é aproximadamente 1 para todas as condições.

Usando a imagem do teste Trinity mostrada aqui (que havia sido divulgada publicamente pelo governo dos Estados Unidos e publicada na revista Life ), usando quadros sucessivos da explosão, Taylor descobriu que R 5 / t 2 é uma constante em uma determinada explosão nuclear ( especialmente entre 0,38 ms, após a formação da onda de choque, e 1,93 ms, antes da perda significativa de energia pela radiação térmica). Além disso, ele estimou um valor para S numericamente em 1.

Assim, com t = 0,025 se o raio de explosão sendo de 140 metros, e tomando ρ como sendo 1 kg / m 3 (o valor medido em Trinity no dia do teste, em oposição aos valores do nível do mar de aproximadamente 1,3 kg / m 3 ) e resolvendo para E , Taylor obteve que o rendimento era de cerca de 22 quilotons de TNT (90 TJ). Isso não leva em consideração o fato de que a energia deveria ser apenas cerca de metade deste valor para uma explosão hemisférica, mas este argumento muito simples concordou em 10% com o valor oficial do rendimento da bomba em 1950, que era de 20 quilotons de TNT (84 TJ) (ver GI Taylor, Proc. Roy. Soc. London A 200 , pp. 235-247 (1950)).

Uma boa aproximação da constante S de Taylor para abaixo de cerca de 2 é

O valor da relação de capacidade de calor aqui está entre 1,67 de moléculas de ar totalmente dissociadas e o valor mais baixo para ar diatômico muito quente (1,2), e sob condições de uma bola de fogo atômica é (coincidentemente) próximo ao STP (padrão) gama para ar à temperatura ambiente, que é 1,4. Isso dá o valor da constante S de Taylor de 1,036 para a região de hipershock adiabático onde a condição R 5 / t 2 constante se mantém.

No que se refere à análise dimensional fundamental, se alguém expressa todas as variáveis ​​em termos de massa M , comprimento L e tempo T :

(pense na expressão para energia cinética ),

e, em seguida, derivar uma expressão para, digamos, E , em termos de outras variáveis, encontrando valores de , e na relação geral

de forma que os lados esquerdo e direito sejam dimensionalmente equilibrados em termos de M , L e T (ou seja, cada dimensão tem o mesmo expoente em ambos os lados).

Outros métodos e controvérsia

Onde esses dados não estão disponíveis, como em vários casos, rendimentos precisos têm sido contestados, especialmente quando estão vinculados a questões de política. As armas usadas nos bombardeios atômicos de Hiroshima e Nagasaki , por exemplo, eram projetos altamente individuais e muito idiossincráticos, e medir seu rendimento retrospectivamente tem sido bastante difícil. Estima-se que a bomba de Hiroshima, " Little Boy ", tenha entre 12 e 18 quilotoneladas de TNT (50 e 75 TJ) (uma margem de erro de 20%), enquanto a bomba de Nagasaki, " Fat Man ", é estimada em entre 18 e 23 quilotoneladas de TNT (75 e 96 TJ) (uma margem de erro de 10%). Essas mudanças aparentemente pequenas nos valores podem ser importantes ao tentar usar os dados desses bombardeios como reflexo de como outras bombas se comportariam em combate, e também resultar em avaliações diferentes de quantas "bombas de Hiroshima" outras armas são equivalentes (por exemplo , a bomba de hidrogênio Ivy Mike era equivalente a 867 ou 578 armas de Hiroshima - uma diferença retoricamente bastante substancial - dependendo de se usar o valor alto ou baixo para o cálculo). Outros rendimentos disputados incluíram o maciço Tsar Bomba , cujo rendimento foi reivindicado entre ser "apenas" 50 megatons de TNT (210 PJ) ou um máximo de 57 megatons de TNT (240 PJ) por diferentes figuras políticas, seja como uma forma de exagerando o poder da bomba ou como uma tentativa de miná-lo.

Veja também

Referências

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