Rendimiento de armas nucleares

El rendimiento explosivo de un arma nuclear es la cantidad de energía liberada, como la explosión, la radiación térmica y la radiación nuclear, cuando se detona esa arma nuclear en particular , generalmente expresada como equivalente de TNT (la masa equivalente estandarizada de trinitrotolueno que, si se detona, produciría la misma descarga de energía), ya sea en kilotoneladas (kt: miles de toneladas de TNT), en megatoneladas (Mt: millones de toneladas de TNT) o, a veces, en terajulios (TJ). Un rendimiento explosivo de un terajulio es igual a 0,239 kilotoneladas de TNT . Debido a que la precisión de cualquier medición de la energía liberada por TNT siempre ha sido problemática, la definición convencional es que una kilotonelada de TNT se considera simplemente equivalente a 10 ¹² calorías .

La relación rendimiento-peso es la cantidad de rendimiento del arma en comparación con la masa del arma. La relación rendimiento-peso máxima práctica para las armas de fusión ( armas termonucleares ) se ha estimado en seis megatoneladas de TNT por tonelada de masa de bomba (25 TJ/kg). Se han reportado rendimientos de 5,2 megatoneladas/tonelada y más para armas grandes construidas para uso con una sola ojiva a principios de la década de 1960. ^[1] Desde entonces, las ojivas más pequeñas necesarias para lograr la mayor eficiencia de daño neto (daño de bomba/masa de bomba) de los sistemas de múltiples ojivas han dado como resultado aumentos en la relación rendimiento/masa para ojivas modernas individuales.

En orden de rendimiento creciente (la mayoría de las cifras de rendimiento son aproximadas):

En comparación, la potencia de explosión de la bomba GBU-43 Massive Ordnance Air Blast es de 0,011 kt, y la del atentado de Oklahoma City , en el que se utilizó una bomba de fertilizantes instalada en un camión, fue de 0,002 kt. La potencia estimada de la explosión en el puerto de Beirut es de entre 0,3 y 0,5 kt. ^[9] La mayoría de las explosiones artificiales no nucleares son considerablemente más pequeñas que incluso las que se consideran armas nucleares muy pequeñas.

La relación rendimiento-masa es la cantidad de rendimiento del arma en comparación con la masa del arma. Los valores más altos alcanzados son algo inferiores, y el valor tiende a ser más bajo para armas más pequeñas y ligeras, del tipo que se destaca en los arsenales actuales, diseñadas para el uso eficiente de MIRV o el lanzamiento por sistemas de misiles de crucero.

• La opción de rendimiento de 25 Mt anunciada para el B41 le daría una relación rendimiento-masa de 5,1 megatoneladas de TNT por tonelada. Si bien esto requeriría una eficiencia mucho mayor que cualquier otra arma estadounidense actual (al menos un 40% de eficiencia en un combustible de fusión de deuteruro de litio), esto aparentemente era alcanzable, probablemente mediante el uso de un enriquecimiento de litio-6 más alto de lo normal en el combustible de fusión de deuteruro de litio . Esto hace que el B41 todavía conserve el récord de arma con mayor relación rendimiento-masa jamás diseñada. ^[10]
• El W56 demostró una relación rendimiento-masa de 4,96 kt por kilogramo de masa del dispositivo, y muy cerca de los 5,1 kt/kg previstos que se pueden alcanzar en el arma con mayor relación rendimiento-masa jamás construida, el B41 de 25 megatoneladas. A diferencia del B41, que nunca se probó a pleno rendimiento, el W56 demostró su eficiencia en el disparo del XW-56X2 Bluestone de la Operación Dominic en 1962, ^[11] por lo que, a partir de la información disponible en el dominio público, el W56 puede tener la distinción de demostrar la mayor eficiencia en un arma nuclear hasta la fecha.
• En 1963, el Departamento de Energía desclasificó declaraciones según las cuales Estados Unidos tenía la capacidad tecnológica para desplegar una ojiva de 35 Mt en el Titan II, o una bomba de gravedad de 50-60 Mt en los B-52. Ninguna de las dos armas fue desarrollada, pero ambas requerirían relaciones de potencia-masa superiores a las de un Mk-41 de 25 Mt.
• En el caso de las armas estadounidenses más pequeñas actuales, el rendimiento es de 600 a 2200 kilotones de TNT por tonelada. En comparación, para los dispositivos tácticos muy pequeños, como el Davy Crockett, era de 0,4 a 40 kilotones de TNT por tonelada. A modo de comparación histórica, para Little Boy, el rendimiento fue de solo 4 kilotones de TNT por tonelada, y para la Tsar Bomba más grande , el rendimiento fue de 2 megatones de TNT por tonelada (reducido deliberadamente de aproximadamente el doble de rendimiento para la misma arma, por lo que no hay duda de que esta bomba, tal como fue diseñada, era capaz de producir 4 megatones por tonelada).
• La mayor bomba de fisión pura jamás construida, la Ivy King , tenía un rendimiento de 500 kilotones, ^[2] que probablemente está en el rango del límite superior de tales diseños. ^{[ cita requerida ]} La potenciación de la fusión probablemente podría aumentar significativamente la eficiencia de tal arma, pero eventualmente todas las armas basadas en la fisión tienen un límite superior de rendimiento debido a las dificultades de lidiar con grandes masas críticas. (La Orange Herald del Reino Unido era una bomba de fisión potenciada muy grande, con un rendimiento de 800 kilotones). Sin embargo, no se conoce un límite superior de rendimiento para una bomba de fusión.

Las ojivas individuales de gran tamaño rara vez forman parte de los arsenales actuales, ya que las ojivas MIRV más pequeñas , distribuidas sobre una zona destructiva con forma de panqueque, son mucho más destructivas para un rendimiento total determinado o unidad de masa de carga útil. Este efecto es el resultado del hecho de que el poder destructivo de una ojiva individual en tierra es aproximadamente igual a la raíz cúbica de su rendimiento, debido a la explosión "desperdiciada" en un volumen de explosión aproximadamente hemisférico, mientras que el objetivo estratégico se distribuye sobre una zona terrestre circular con altura y profundidad limitadas. Este efecto compensa con creces la menor eficiencia de rendimiento/masa que se produce si las ojivas de misiles balísticos se reducen individualmente a partir del tamaño máximo que podría transportar un misil de ojiva única.

La eficiencia de una bomba atómica es la relación entre el rendimiento real y el rendimiento máximo teórico de la bomba atómica. No todas las bombas atómicas poseen la misma eficiencia de rendimiento, ya que el diseño de cada bomba individual juega un papel importante en su eficiencia. Para maximizar la eficiencia de rendimiento, uno debe asegurarse de ensamblar correctamente la masa crítica, así como de implementar instrumentos como pisones o iniciadores en el diseño. Un pisón está hecho típicamente de uranio y mantiene unido el núcleo usando su inercia. Se utiliza para evitar que el núcleo se separe demasiado pronto para generar la fisión máxima, para no causar un "estallido". El iniciador es una fuente de neutrones ya sea dentro del núcleo o en el exterior de la bomba, y en este caso dispara neutrones al núcleo en el momento de la detonación. Básicamente, está iniciando la reacción para que puedan ocurrir las reacciones de fisión máximas para maximizar el rendimiento. ^[12]

La siguiente lista incluye explosiones nucleares que marcaron un hito. Además de los bombardeos atómicos de Hiroshima y Nagasaki , se incluye la primera prueba nuclear de un tipo de arma determinada para un país, así como pruebas que fueron notables (como la prueba más grande jamás realizada). Todos los rendimientos (poder explosivo) se dan en sus equivalentes de energía estimados en kilotones de TNT (ver equivalente de TNT ). No se han incluido las supuestas pruebas (como el incidente de Vela ).

Nota

• El término "ensayo" hace referencia a si se trataba de un arma termonuclear "real" de la denominada configuración Teller-Ulam o simplemente de una forma de arma de fisión potenciada . Para obtener una lista más completa de series de pruebas nucleares, véase Lista de pruebas nucleares . Algunas estimaciones exactas de rendimiento, como la de la bomba Tsar y las pruebas de la India y Pakistán en 1998, son algo controvertidas entre los especialistas.

El rendimiento de las explosiones nucleares puede ser muy difícil de calcular, incluso utilizando números tan aproximados como el rango de las kilotonelada o las megatonelada (y mucho menos con la resolución de terajulios individuales ). Incluso en condiciones muy controladas, puede ser muy difícil determinar rendimientos precisos, y en condiciones menos controladas los márgenes de error pueden ser bastante grandes. Para los dispositivos de fisión, el valor de rendimiento más preciso se encuentra a partir del " análisis radioquímico /de precipitación radiactiva"; es decir, midiendo la cantidad de productos de fisión generados, de la misma manera que se puede medir el rendimiento químico en los productos de una reacción química después de una reacción química . El método de análisis radioquímico fue desarrollado por Herbert L. Anderson .

En el caso de dispositivos explosivos nucleares en los que la precipitación radiactiva no se puede obtener o sería engañosa , el análisis de activación neutrónica se emplea a menudo como el segundo método más preciso, y se ha utilizado para determinar el rendimiento de Little Boy ^{[14] [15]} y el de Ivy Mike ^[16] termonucleares , respectivamente.

Los rendimientos también se pueden inferir mediante otras formas de teledetección , incluidos los cálculos de la ley de escala basados ​​en el tamaño de la explosión, el infrasonido , el brillo de la bola de fuego ( Bhangmeter ), los datos sismográficos ( CTBTO ), ^[17] y la fuerza de la onda de choque.

Enrico Fermi hizo un famoso cálculo (muy) aproximado del rendimiento de la prueba Trinity al dejar caer pequeños trozos de papel al aire y medir qué tan lejos se movían por la onda expansiva de la explosión; es decir, encontró la presión de la explosión a su distancia de la detonación en libras por pulgada cuadrada , usando la desviación de la caída de los papeles con respecto a la vertical como un rudimentario barógrafo/medidor de explosión , y luego con la presión X en psi, a la distancia Y , en cifras de millas, extrapoló hacia atrás para estimar el rendimiento del dispositivo Trinity, que encontró que era de aproximadamente 10  kilotoneladas de energía de explosión. ^{[21] [22]}

Fermi recordó más tarde:

Yo estaba destinado en el campamento base de Trinity, a unos 16 kilómetros del lugar de la explosión... Unos 40 segundos después de la explosión, la onda expansiva me alcanzó. Traté de calcular su fuerza arrojando pequeños trozos de papel desde una altura de unos dos metros antes, durante y después del paso de la onda expansiva. Como en ese momento no había viento, pude observar con mucha claridad y medir con exactitud el desplazamiento de los trozos de papel que estaban cayendo mientras pasaba la onda expansiva. El desplazamiento fue de unos dos metros y medio, lo que, en ese momento, calculé que correspondía a la explosión que producirían diez mil toneladas de TNT. ^{[23] [24] [25]}

El área superficial (A) y el volumen (V) de una esfera son y respectivamente.${\displaystyle A=4\pi r^{2}}$${\displaystyle V={\frac {4}{3}}\pi r^{3}}$

Sin embargo, se supuso que la onda expansiva probablemente se extendería a lo largo del área de superficie de la onda expansiva de la explosión de la superficie cercana a la superficie aproximadamente hemisférica del dispositivo Trinity. El papel se mueve 2,5 metros por la onda, por lo que el efecto del dispositivo Trinity es desplazar una capa hemisférica de aire de volumen 2,5 m × 2π(16 km) ² . Multiplique por 1 atm para obtener una energía de4,1 × 10 ¹⁴  J ~ 100 kT TNT. ^{[ cuantificar ]}

En 1950, el físico británico GI Taylor obtuvo una buena aproximación del rendimiento del dispositivo de prueba Trinity a partir de un simple análisis dimensional y una estimación de la capacidad térmica para aire muy caliente. Taylor había realizado inicialmente este trabajo altamente clasificado a mediados de 1941 y publicó un artículo con un análisis de la bola de fuego de los datos de Trinity cuando los datos de la fotografía de Trinity fueron desclasificados en 1950 (después de que la URSS hubiera hecho explotar su propia versión de esta bomba).

Taylor observó que el radio R de la explosión debería depender inicialmente sólo de la energía E de la explosión, el tiempo t después de la detonación y la densidad ρ del aire. La única ecuación que tiene dimensiones compatibles que se puede construir a partir de estas cantidades es

${\displaystyle R=S\left({\frac {Et^{2}}{\rho }}\right)^{\frac {1}{5}}.}$

Aquí S es una constante adimensional que tiene un valor aproximadamente igual a 1, ya que es una función de orden bajo de la relación de capacidad calorífica o índice adiabático.

${\displaystyle \gamma ={\frac {C_{P}}{C_{V}}},}$

que es aproximadamente 1 para todas las condiciones.

Utilizando la imagen de la prueba Trinity que se muestra aquí (que había sido difundida públicamente por el gobierno de los EE. UU. y publicada en la revista Life ), utilizando fotogramas sucesivos de la explosión, Taylor descubrió que R ⁵ / t ² es una constante en una explosión nuclear dada (especialmente entre 0,38 ms, después de que se haya formado la onda de choque, y 1,93 ms, antes de que se pierda energía significativa por radiación térmica). Además, estimó numéricamente un valor para S de 1.

Así, con t = 0,025 s y un radio de explosión de 140 metros, y tomando ρ como 1 kg/m ³ (el valor medido en Trinity el día de la prueba, en oposición a los valores a nivel del mar de aproximadamente 1,3 kg/m ³ ) y despejando E , Taylor obtuvo que el rendimiento fue de aproximadamente 22 kilotones de TNT (90 TJ). Esto no tiene en cuenta el hecho de que la energía solo debería ser aproximadamente la mitad de este valor para una explosión hemisférica, pero este argumento muy simple concordaba en un 10% con el valor oficial del rendimiento de la bomba en 1950, que era de 20 kilotones de TNT (84 TJ) (véase G. I. Taylor, Proc. Roy. Soc. London A 200 , pp. 235-247 (1950)).

Una buena aproximación a la constante de Taylor S para valores inferiores a 2 es ^[26]${\estilo de visualización \gamma}$

${\displaystyle S=\left({\frac {75(\gamma -1)}{8\pi }}\right)^{\frac {1}{5}}.}$

El valor de la relación de capacidad térmica aquí está entre el 1,67 de las moléculas de aire completamente disociadas y el valor inferior para el aire diatómico muy caliente (1,2), y en condiciones de una bola de fuego atómica es (casualmente) cercano al gamma STP (estándar) para el aire a temperatura ambiente, que es 1,4. Esto da como resultado que el valor de la constante S de Taylor sea 1,036 para la región de hipershock adiabático donde se cumple la condición constante R ⁵ / t ² .

En relación con el análisis dimensional fundamental, si uno expresa todas las variables en términos de masa M , longitud L y tiempo T : ^[27]

${\displaystyle E=[M\cdot L^{2}\cdot T^{-2}]}$

(Piense en la expresión para la energía cinética, ),${\displaystyle E=mv^{2}/2}$

${\displaystyle \rho = [M\cdot L^{-3}],}$

${\displaystyle t=[T],}$

${\displaystyle r=[L],}$

y luego derivar una expresión para, digamos, E , en términos de las otras variables, encontrando valores de , , y en la relación general${\estilo de visualización \alpha}$${\estilo de visualización \beta}$${\estilo de visualización \gamma}$

${\displaystyle E=\rho ^{\alpha }\cdot t^{\beta }\cdot r^{\gamma }}$

de modo que los lados izquierdo y derecho estén dimensionalmente equilibrados en términos de M , L y T (es decir, cada dimensión tiene el mismo exponente en ambos lados).

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Cuando no se dispone de estos datos, como en muchos casos, los rendimientos precisos han sido objeto de controversia, especialmente cuando están vinculados a cuestiones políticas. Las armas utilizadas en los bombardeos atómicos de Hiroshima y Nagasaki , por ejemplo, fueron diseños muy individuales e idiosincrásicos, y ha sido bastante difícil calcular su rendimiento retrospectivamente. Se estima que la bomba de Hiroshima, " Little Boy ", tenía entre 12 y 18 kilotones de TNT (50 y 75 TJ) (un margen de error del 20%), mientras que la bomba de Nagasaki, " Fat Man ", tenía entre 18 y 23 kilotones de TNT (75 y 96 TJ) (un margen de error del 10%).

Estos cambios aparentemente pequeños en los valores pueden ser importantes cuando se intenta utilizar los datos de estos bombardeos como reflejo de cómo se comportarían otras bombas en combate, y también pueden dar lugar a diferentes evaluaciones de a cuántas "bombas de Hiroshima" equivalen otras armas (por ejemplo, la bomba de hidrógeno Ivy Mike equivalía a 867 o 578 armas de Hiroshima -una diferencia retóricamente bastante sustancial- dependiendo de si se utiliza la cifra alta o baja para el cálculo).

Otros rendimientos disputados incluyen la masiva Bomba del Zar , cuyo rendimiento fue afirmado entre "solamente" 50 megatoneladas de TNT (210 PJ) o un máximo de 57 megatoneladas de TNT (240 PJ) por diferentes figuras políticas, ya sea como una forma de exagerar el poder de la bomba o como un intento de socavarlo.

• Efectos de las explosiones nucleares : se detallan los diferentes efectos con diferentes niveles de potencia
• Lista de armas nucleares

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• "¿Cuál fue el rendimiento de la bomba de Hiroshima?" Archivado el 13 de septiembre de 2017 en Wayback Machine (extracto del informe oficial)
• "Principios generales de las explosiones nucleares", capítulo 1 de Samuel Glasstone y Phillip Dolan, eds., The Effects of Nuclear Weapons , 3.ª ed. (Washington DC: Departamento de Defensa de los Estados Unidos/Administración de Investigación y Desarrollo Energético de los Estados Unidos, 1977); proporciona información sobre la relación de los rendimientos nucleares con otros efectos (radiación, daños, etc.).
• "LAS PRUEBAS DE POKHRAN DE MAYO DE 1998: Aspectos científicos" analiza los diferentes métodos utilizados para determinar los rendimientos de las pruebas indias de 1998.
• Se analizan algunas de las controversias sobre los resultados de las pruebas indias.
• "¿Cuáles son los resultados reales de las pruebas nucleares de la India?", de NuclearWeaponArchive.org de Carey Sublette
• Simulador de efectos de detonación nuclear de alto rendimiento Archivado el 16 de febrero de 2009 en Wayback Machine