核武器当量
核武器当量即核武器的爆炸当量，指其核爆炸可以释放出的能量，通常用释放出相同能量的三硝基甲苯（TNT）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卡路里，相当于4.184太焦耳。[1]
当量-重量比是指核武器的当量与其自身重量的比值。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。[2]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。[2]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型弹道导弹上。国际条约限制为8枚。 |
| 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型弹道导弹上。国际条约限制为8枚。 |
| 常青藤之王弹头 | 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120万吨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）中的铅，该弹的当量据称可以达到一亿吨TNT。 |
| 截止1996年以来的所有核试验 | 510,300 | 2,135,000 | 从1945年到1996年，美国、前苏联、法国、英国和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、巴基斯坦和北朝鲜等）的当量还未计算进去。[3] |
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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一千吨之间的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。[2]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。[2][4]
- 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吨；如果有这样一颗250吨的核弹，其当量将达到13亿吨TNT。俄罗斯的大型火箭SS-18（R-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。[5]
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，而不是一个完整的球。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%。[6]
当热容比γ小于2时，泰勒的常数S可以用下式来估计：[7]
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”。
参考文献
- ^ Babrauskas, Vytenis. Ignition Handbook. Issaquah, WA: Fire Science Publishers/Society of Fire Protection Engineers. 2003: 453. ISBN 0-9728111-3-3.
- ^ 2.0 2.1 2.2 2.3 The B-41 Bomb. [2013-03-27].
- ^ Norris, R. S.; Arkin, W. M. known nuclear tests worldwide, 1945-1995. Bulletin of the Atomic Scientists. 1996年5月: 61–63 [2013-03-27]. （原始内容存档于2020-08-20）.
- ^ The MK-41, or B41 when given its bomb designation, was ...the most efficient bomb or warhead actually deployed by any country during the Cold War and afterwards. http://www.ieri.be/fr/publications/ierinews/2011/juillet/fission-fusion-and-staging （页面存档备份，存于互联网档案馆）.
- ^ Trinity Test, July 16, 1945 Eyewitness Report by Enrico Fermi. [2013-03-27]. （原始内容存档于2018-10-04）.
- ^ 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 [2013-03-27]. （原始内容存档于2017-08-12）.
- ^ Analytical mathematics for physical understanding, versus abstract numerical computation. [2013-03-27]. （原始内容存档于2019-11-30）.
外部链接
- "What was the yield of the Hiroshima bomb?" （页面存档备份，存于互联网档案馆） (excerpt from official report)
- "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.).
- "THE MAY 1998 POKHRAN TESTS: Scientific Aspects", discusses different methods used to determine the yields of the Indian 1998 tests.
- "What are the real yields of India's nuclear tests?" from Carey Sublette's NuclearWeaponArchive.org