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Rendimiento de armas nucleares

Gráfico log-log que compara el rendimiento (en kilotones) y la masa (en kilogramos) de varias armas nucleares desarrolladas por Estados Unidos.

El rendimiento explosivo de un arma nuclear es la cantidad de energía liberada, como radiación explosiva, térmica y nuclear, cuando se detona esa arma nuclear en particular , generalmente expresada como equivalente de TNT (la masa equivalente estandarizada de trinitrotolueno que, si se detonara, producir la misma descarga de energía), ya sea en kilotones (kt—miles de toneladas de TNT), en megatones (Mt—millones de toneladas de TNT) o, a veces, en terajulios (TJ). Una potencia explosiva de un terajulio equivale a 0,239 kilotones de TNT . Debido a que la precisión de cualquier medición de la energía liberada por el TNT siempre ha sido problemática, la definición convencional es que un 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 megatones de TNT por tonelada de masa de bomba (25 TJ/kg). Se han informado rendimientos de 5,2 megatones/tonelada y superiores para armas grandes construidas para uso con una sola ojiva a principios del decenio de 1960. [1] Desde entonces, las ojivas más pequeñas necesarias para lograr una mayor eficiencia de daño neto (daño de bomba/masa de bomba) de múltiples sistemas de ojivas han resultado en aumentos en la relación rendimiento/masa para ojivas modernas individuales.

Ejemplos de rendimientos de armas nucleares

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

Radios comparativos de bolas de fuego para una selección de armas nucleares. [ cita necesaria ] Al contrario de la imagen, que puede representar el radio inicial de la bola de fuego, el radio máximo promedio de la bola de fuego de Castle Bravo, una explosión de superficie de rendimiento de 15 megatones , es de 3,3 a 3,7 km (2,1 a 2,3 millas), [7] [ 8] y no los 1,42 km que se muestran en la imagen. De manera similar, el radio máximo promedio de una bola de fuego de una explosión en el aire de baja altitud de 21 kilotones , que es la estimación moderna para el Fat Man , es de 0,21 a 0,24 km (0,13 a 0,15 mi), [8] [9] y no de 0,1 km. de la imagen.

En comparación, el rendimiento de la explosión de la bomba GBU-43 Massive Ordnance Air Blast es de 0,011 kt, y el del bombardeo de Oklahoma City , utilizando una bomba de fertilizante montada en un camión, fue de 0,002 kt. La fuerza estimada de la explosión en el puerto de Beirut es de 0,3-0,5 kt. [10] La mayoría de las explosiones artificiales no nucleares son considerablemente más pequeñas que incluso lo que se consideran armas nucleares muy pequeñas.

Límites de rendimiento

La relación rendimiento-masa es la cantidad de rendimiento del arma en comparación con la masa del arma. Según el diseñador de armas nucleares Ted Taylor , la relación práctica máxima entre rendimiento y masa para las armas de fusión es de aproximadamente 6 megatoneladas de TNT por tonelada (25 TJ/kg). [11] [ ¿ fuente autoeditada? ] El "límite de Taylor" no se deriva de los primeros principios , y se han teorizado armas con rendimientos de hasta 9,5 megatones por tonelada. [12] Los valores más altos alcanzados son algo más bajos, y el valor tiende a ser más bajo para armas más pequeñas y livianas, del tipo que se enfatiza en los arsenales actuales, diseñadas para el uso eficiente de MIRV o su lanzamiento mediante sistemas de misiles de crucero.

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

Eficiencia de rendimiento

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 del rendimiento es necesario asegurarse de ensamblar correctamente la masa crítica, así como implementar instrumentos como tampers o iniciadores en el diseño. Un pisón suele estar hecho de uranio y mantiene unido el núcleo gracias a su inercia. Se utiliza para evitar que el núcleo se separe demasiado pronto para generar la máxima fisión, a fin de no provocar un "fracaso". 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, se trata de iniciar la reacción para que puedan ocurrir las reacciones de fisión máximas y maximizar el rendimiento. [14]

Explosiones nucleares históricas

La siguiente lista es de explosiones nucleares históricas. Además de los bombardeos atómicos de Hiroshima y Nagasaki , se incluye la primera prueba nuclear de un tipo de arma determinado para un país, así como pruebas que por lo demás 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 pruebas putativas (como el incidente de Vela ).

Nota

Cálculo de rendimientos y controversia

Los rendimientos de las explosiones nucleares pueden ser muy difíciles de calcular, incluso utilizando cifras tan aproximadas como en el rango de kilotones o megatones (y mucho menos hasta la resolución de terajulios individuales ). Incluso en condiciones muy controladas, los rendimientos precisos pueden ser muy difíciles de determinar 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 obtiene del " análisis radioquímico /fallout"; es decir, medir 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 iniciado por Herbert L. Anderson .

Para dispositivos explosivos nucleares donde la precipitación radiactiva no es alcanzable o sería engañosa , el análisis de activación de neutrones a menudo se emplea como el segundo método más preciso, habiéndose utilizado para determinar el rendimiento tanto de Little Boy [16] [17] como de Ivy termonuclear . Los rendimientos respectivos de Mike [18] .

Los rendimientos también se pueden inferir mediante otros métodos de detección remota , 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 ), [19] y la fuerza de la onda de choque.

Enrico Fermi hizo un famoso cálculo (muy) aproximado del rendimiento de la prueba Trinity dejando caer pequeños trozos de papel en el aire y midiendo hasta qué punto eran movidos 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 desde la vertical como un barógrafo/barógrafo 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  kilotones de energía de explosión. [23] [24]

Fermi recordó más tarde:

Estaba estacionado en el campo base de Trinity, a unas diez millas [16 kilómetros] del lugar de la explosión... Unos 40 segundos después de la explosión, la ráfaga de aire me alcanzó. Intenté estimar su fuerza dejando caer pequeños trozos de papel desde unos dos metros antes, durante y después del paso de la onda expansiva. Como en ese momento no había viento[,] pude observar muy claramente y hasta medir el desplazamiento de los trozos de papel que estaban en proceso de caer mientras pasaba la explosión. El desplazamiento fue de unos dos metros y medio, lo que, en aquel momento, estimé que correspondería a la explosión que producirían diez mil toneladas de TNT. [25] [26] [27]

El área de superficie (A) y el volumen (V) de una esfera son y respectivamente.

Sin embargo, se suponía que la onda expansiva probablemente crecería como la superficie de la onda expansiva aproximadamente hemisférica cerca de la superficie del dispositivo Trinity. La onda mueve el papel 2,5 metros, por lo que el efecto del dispositivo Trinity es desplazar una capa hemisférica de aire de volumen 2,5 m × 2π(16 km) 2 . Multiplica por 1 atm para obtener una energía de4,1 × 10 14  J ~ 100 kT TNT. [ cuantificar ]

Esta fotografía de la explosión Trinity, capturada por Berlyn Brixner , fue utilizada por G. I. Taylor para estimar su rendimiento.

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 calorífica del 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 datos de Trinity cuando los datos de las fotografías de Trinity fueron desclasificados en 1950 (después de que la URSS explotara su propia versión de esta bomba).

Taylor señaló 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 y que se puede construir a partir de estas cantidades es

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

que es aproximadamente 1 para todas las condiciones.

Utilizando la imagen de la prueba Trinity que se muestra aquí (que había sido divulgada 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 determinada ( especialmente entre 0,38 ms, después de que se haya formado la onda de choque, y 1,93 ms, antes de que se pierda una cantidad significativa de energía por radiación térmica). Además, estimó un valor numérico para S en 1.

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

Una buena aproximación a la constante S de Taylor para valores inferiores a aproximadamente 2 es [28]

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

En lo que se refiere al análisis dimensional fundamental, si se expresan todas las variables en términos de masa M , longitud L y tiempo T : [29]

(piense en la expresión de energía cinética, ),

y luego derivar una expresión para, digamos, E , en términos de las otras variables, encontrando valores de , y en la relación general

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).

Otros métodos y controversia

Cuando estos datos no están disponibles, como en varios casos, los rendimientos precisos han estado en disputa, especialmente cuando están vinculados a cuestiones políticas. Las armas utilizadas en los bombardeos atómicos de Hiroshima y Nagasaki , por ejemplo, eran diseños muy individuales y muy idiosincrásicos, y calibrar su rendimiento retrospectivamente ha sido bastante difícil. Se estima que la bomba de Hiroshima, " Little Boy ", contuvo 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 ", se estima en 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 dar lugar a evaluaciones diferentes de a cuántas "bombas de Hiroshima" equivalen otras armas (por ejemplo, , la bomba de hidrógeno de 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 en disputa han incluido la enorme Bomba Zar , cuyo rendimiento fue afirmado entre "sólo" 50 megatones de TNT (210 PJ) o un máximo de 57 megatones de TNT (240 PJ) por diferentes figuras políticas, ya sea como una forma de exagerando el poder de la bomba o como un intento de socavarla.

Ver también

Referencias

  1. ^ La bomba B-41
  2. ^ ab "Lista completa de todas las armas nucleares estadounidenses". El archivo de armas nucleares . 14 de octubre de 2006 . Consultado el 29 de agosto de 2014 .
  3. ^ Ackerman, Spencer (23 de octubre de 2011). "Se desmantela la última 'arma monstruosa' nuclear". Cableado . Consultado el 23 de octubre de 2011 .
  4. ^ Rowberry, Ariana. "Castle Bravo: la mayor explosión nuclear de Estados Unidos". Institución Brookings . Consultado el 23 de septiembre de 2017 .
  5. ^ Norris, Robert S.; Arkin, William M. (mayo de 1996). "Pruebas nucleares conocidas en todo el mundo, 1945-1995". Boletín de los Científicos Atómicos . 52 (3): 63. Código bibliográfico : 1996BuAtS..52c..61.. doi : 10.1080/00963402.1996.11456628.
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  9. ^ Walker, John (junio de 2005). "Computadora de efectos de bombas nucleares". Fourmilab . Consultado el 22 de noviembre de 2009 .
  10. ^ Pickrell, Ryan. "La devastadora explosión de Beirut equivale a varios cientos de toneladas de TNT, dicen los expertos". Alerta científica . Consultado el 6 de agosto de 2020 .
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  23. ^ Artículo en el que Jack Aeby habla de su fotografía.
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  29. ^ Thayer Watkins. La expansión de la bola de fuego de una explosión. Universidad Estatal de San José.

enlaces externos