قوة الأسلحة النووية

نسبة القوة التدميرية إلى الكتلة هي مقدار القوة التدميرية للسلاح مقارنةً بكتلته. وتكون أعلى القيم المُحققة أقل نوعًا ما، وتميل هذه القيمة إلى الانخفاض بالنسبة للأسلحة الأصغر حجمًا والأخف وزنًا، من النوع الذي يُركز عليه في الترسانات الحالية، والمصمم للاستخدام الفعال لأنظمة الرؤوس الحربية المتعددة المستقلة (MIRV) أو إطلاقها بواسطة أنظمة صواريخ كروز.

• إن خيار قوة الانفجار البالغة 25 ميغا طن، المُعلن عنه للقنبلة B41، سيمنحها نسبة قوة انفجار إلى كتلة تبلغ 5.1  ميغا طن من مادة TNT لكل طن. ورغم أن هذا يتطلب كفاءة أعلى بكثير من أي سلاح أمريكي حالي آخر (كفاءة لا تقل عن 40% في وقود الاندماج من ديوتيريد الليثيوم)، إلا أنه كان من الممكن تحقيقه على ما يبدو، ربما باستخدام نسبة تخصيب أعلى من المعتاد لليثيوم-6 في وقود الاندماج من ديوتيريد الليثيوم . ونتيجة لذلك، لا تزال القنبلة B41 تحتفظ بالرقم القياسي لأعلى نسبة قوة انفجار إلى كتلة تم تصميمها على الإطلاق. ^{[ 10 ]}
• أظهرت القنبلة النووية W56 نسبة قوة تفجيرية إلى كتلة تبلغ 4.96  كيلوطن لكل كيلوغرام من كتلة الجهاز، وهي نسبة قريبة جدًا من النسبة المتوقعة البالغة 5.1  كيلوطن/كيلوغرام التي يمكن تحقيقها في أعلى سلاح نووي من حيث نسبة القوة التفجيرية إلى الكتلة على الإطلاق، وهو القنبلة B41 التي تبلغ قوتها 25 ميغاطن. وعلى عكس القنبلة B41، التي لم تخضع لاختبارات التحقق من قوتها التفجيرية الكاملة، أثبتت القنبلة W56 كفاءتها في تجربة إطلاق القنبلة XW-56X2 Bluestone ضمن عملية دومينيك عام 1962، ^{[ 11 ]} وبالتالي، استنادًا إلى المعلومات المتاحة للجمهور، قد تتميز القنبلة W56 بإظهارها أعلى كفاءة في سلاح نووي حتى الآن.
• في عام 1963، رفعت وزارة الطاقة الأمريكية السرية عن بيانات تفيد بأن الولايات المتحدة تمتلك القدرة التكنولوجية على نشر  رأس حربي بقوة 35 ميغا طن على صاروخ تيتان  2، أو  قنبلة جاذبية بقوة 50-60 ميغا طن على قاذفات بي-52. لم يتم السعي وراء أي من السلاحين، لكن أياً منهما كان سيتطلب نسب قوة إلى كتلة أعلى من  قنبلة مارك-41 بقوة 25 ميغا طن.
• بالنسبة للأسلحة الأمريكية الصغيرة الحالية، تتراوح قوة التفجير بين 600 و2200  كيلوطن من مادة تي إن تي لكل طن. وبالمقارنة، بالنسبة للأجهزة التكتيكية الصغيرة جدًا مثل قنبلة ديفي كروكيت، كانت القوة تتراوح بين 0.4 و40  كيلوطن من مادة تي إن تي لكل طن. وللمقارنة التاريخية، كانت قوة تفجير قنبلة ليتل بوي  4 كيلوطن فقط من مادة تي إن تي لكل طن، أما بالنسبة لأكبر قنبلة قيصرية ، فكانت قوتها 2  ميغاطن من مادة تي إن تي لكل طن (تم تخفيضها عمدًا من ضعف هذه القوة تقريبًا لنفس السلاح، لذا لا شك في أن هذه القنبلة، كما صُممت، كانت قادرة على إحداث  قوة تفجير تبلغ 4 ميغاطن لكل طن).
• كانت قنبلة "آيفي كينغ" ، وهي أكبر قنبلة انشطارية خالصة تم بناؤها على الإطلاق، بقوة 500 كيلوطن، ^{[ 2 ]} وهو ما يُرجح أنه يقع ضمن الحد الأقصى لمثل هذه التصاميم. من المحتمل أن يؤدي تعزيز الاندماج النووي إلى رفع كفاءة هذا النوع من الأسلحة بشكل ملحوظ، ولكن في نهاية المطاف، فإن جميع الأسلحة القائمة على الانشطار النووي لها حد أقصى للقوة التفجيرية نظرًا لصعوبة التعامل مع الكتل الحرجة الكبيرة. (كانت قنبلة "أورانج هيرالد" البريطانية قنبلة انشطارية معززة ضخمة جدًا، بقوة تفجيرية تبلغ 800 كيلوطن). ومع ذلك، لا يوجد حد أقصى معروف للقوة التفجيرية لقنبلة الاندماج النووي.  

نادرًا ما تُستخدم الرؤوس الحربية الكبيرة المفردة في ترسانات الأسلحة الحديثة، إذ أن الرؤوس الحربية الصغيرة متعددة الرؤوس المستقلة (MIRV) ، المنتشرة على مساحة تدميرية مسطحة، تُعدّ أكثر تدميرًا بكثير لنفس كمية الطاقة التدميرية الإجمالية، أو وحدة كتلة الحمولة. ويعود هذا التأثير إلى أن القوة التدميرية لرأس حربي واحد على الأرض تتناسب تقريبًا مع الجذر التكعيبي لطاقته التدميرية، نظرًا لضياع جزء من طاقة الانفجار على مساحة نصف كروية تقريبًا، بينما يتوزع الهدف الاستراتيجي على مساحة دائرية محدودة الارتفاع والعمق. ويعوض هذا التأثير، بل ويزيد، عن انخفاض كفاءة الطاقة التدميرية/الكتلة الناتج عن تصغير حجم رؤوس الصواريخ الباليستية بشكل فردي من الحجم الأقصى الذي يمكن أن يحمله صاروخ برأس حربي واحد.

كفاءة القنبلة الذرية هي نسبة الناتج الفعلي إلى الناتج النظري الأقصى. لا تمتلك جميع القنابل الذرية نفس كفاءة الناتج، إذ يلعب تصميم كل قنبلة دورًا كبيرًا في تحديد كفاءتها. ولتحقيق أقصى كفاءة ناتجة، يجب التأكد من تجميع الكتلة الحرجة بشكل صحيح، بالإضافة إلى استخدام أدوات مثل أجهزة الكبح أو المفجرات في التصميم. يُصنع جهاز الكبح عادةً من اليورانيوم، وهو يحافظ على تماسك قلب القنبلة باستخدام قصوره الذاتي. يُستخدم لمنع انفصال القلب مبكرًا جدًا لتوليد أقصى قدر من الانشطار، وبالتالي تجنب حدوث "فشل". أما المفجر فهو مصدر للنيوترونات، إما داخل القلب أو على سطح القنبلة، وفي هذه الحالة يُطلق النيوترونات على القلب لحظة الانفجار. وهو يُحفز التفاعل النووي بشكل أساسي، مما يسمح بحدوث أقصى تفاعلات الانشطار لزيادة الناتج إلى أقصى حد. ^{[ 12 ]}

قام إنريكو فيرمي بحساب تقريبي (جداً) لقوة انفجار تجربة ترينيتي، وذلك بإسقاط قطع صغيرة من الورق في الهواء وقياس المسافة التي قطعتها بفعل موجة الانفجار . أي أنه وجد ضغط الانفجار عند مسافة معينة من موقع الانفجار بوحدة رطل لكل بوصة مربعة ، مستخدماً انحراف سقوط الأوراق عن الوضع الرأسي كمقياس تقريبي لضغط الانفجار . ثم، انطلاقاً من الضغط X بوحدة رطل لكل بوصة مربعة، عند المسافة Y بوحدة ميل، استنتج قوة انفجار جهاز ترينيتي، والتي وجد أنها تبلغ حوالي 10 كيلوطن من طاقة الانفجار. ^{[ 21 ] [ 22 ]} 

وتذكر فيرمي لاحقاً:

كنتُ متمركزًا في المعسكر الأساسي في ترينيتي، على بُعد حوالي 16 كيلومترًا  من موقع الانفجار...  بعد حوالي 40 ثانية من الانفجار، وصلتني موجة الانفجار. حاولتُ تقدير قوتها بإسقاط قطع صغيرة من الورق من ارتفاع حوالي مترين قبل وأثناء وبعد مرور موجة الانفجار. ولأنه لم تكن هناك رياح في ذلك الوقت، تمكنتُ من ملاحظة وقياس إزاحة قطع الورق أثناء سقوطها خلال مرور الانفجار بوضوح تام. بلغت الإزاحة حوالي مترين  ونصف  ، وهو ما قدّرته حينها بأنه يُعادل قوة الانفجار الناتج عن عشرة آلاف طن من مادة تي إن تي. ^{[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]}

مساحة سطح الكرة (A) وحجمها (V) هما${\displaystyle A=4\pi r^{2}}$و${\displaystyle V={\frac {4}{3}}\pi r^{3}}$على التوالى.

مع ذلك، يُفترض أن موجة الانفجار تتمدد على مساحة سطح موجة الانفجار شبه الكروية القريبة من سطح الأرض لجهاز ترينيتي. تتحرك الورقة مسافة 2.5  متر بفعل الموجة، لذا فإن تأثير جهاز ترينيتي هو إزاحة غلاف نصف كروي من الهواء بحجم 2.5  متر × 2π(16  كيلومترًا) ^² . اضرب هذا الرقم في 1  ضغط جوي للحصول على طاقة مقدارها4.1 × 10 ¹⁴  جول ~ 100  كيلو طن من مادة تي إن تي.

في عام 1950، توصل الفيزيائي البريطاني جي. آي. تايلور إلى تقدير دقيق لقوة انفجار جهاز اختبار ترينيتي، وذلك من خلال تحليل بسيط للأبعاد وتقدير السعة الحرارية للهواء شديد السخونة. وكان تايلور قد أنجز هذا العمل السري للغاية في منتصف عام 1941، ونشر مقالاً يتضمن تحليلاً لبيانات كرة اللهب الناتجة عن اختبار ترينيتي، وذلك بعد رفع السرية عن بيانات صور ترينيتي في عام 1950 (بعد أن فجّر الاتحاد السوفيتي نسخته الخاصة من هذه القنبلة).

أشار تايلور إلى أن نصف قطر الانفجار R يجب أن يعتمد مبدئيًا فقط على طاقة الانفجار E ، والزمن t بعد الانفجار، وكثافة الهواء ρ. المعادلة الوحيدة ذات الأبعاد المتوافقة التي يمكن بناؤها من هذه الكميات هي

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

هنا ، S ثابت بلا أبعاد له قيمة تساوي تقريبًا 1، لأنه دالة منخفضة الرتبة لنسبة السعة الحرارية أو معامل التمدد الحراري الأديباتي

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

وهو ما يعادل تقريبًا 1 لجميع الحالات.

^{باستخدام صورة اختبار ترينيتي الموضحة هنا} (والتي نشرتها الحكومة الأمريكية علنًا في مجلة لايف )، وباستخدام لقطات متتالية للانفجار، وجد تايلور أن R⁵ ^/ t² ثابت في أي انفجار نووي (خاصةً بين 0.38 مللي ثانية، بعد تشكل الموجة الصدمية، و1.93 مللي ثانية، قبل فقدان طاقة كبيرة بالإشعاع الحراري). علاوة على ذلك، قدّر قيمة S عدديًا بـ 1.  

وبالتالي، مع اعتبار t = 0.025  ثانية ونصف قطر الانفجار 140  مترًا، وبافتراض أن ρ تساوي 1  كجم/م³ ⁽ القيمة المقاسة في ترينيتي يوم الاختبار، مقابل القيم عند مستوى سطح البحر التي تبلغ حوالي 1.3  كجم/م³ ⁾ ، وبحل المعادلة لإيجاد E ، توصل تايلور إلى أن الناتج كان حوالي 22  كيلوطن من مادة TNT (90  تيرا جول). لا يأخذ هذا في الحسبان حقيقة أن الطاقة يجب أن تكون حوالي نصف هذه القيمة فقط في حالة الانفجار نصف الكروي، إلا أن هذه الحجة البسيطة جدًا اتفقت في حدود 10% مع القيمة الرسمية لناتج القنبلة في عام 1950، والتي كانت 20 كيلوطن من مادة TNT (84 تيرا جول) (انظر: G. I. Taylor, Proc. Roy. Soc. London A 200 ، الصفحات 235-247 (1950)).   

تقريب جيد لثابت تايلور S لـ${\displaystyle \gamma }$أقل من 2 هو ^{[ 26 ]}

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

تتراوح قيمة نسبة السعة الحرارية هنا بين 1.67 لجزيئات الهواء المتفككة كليًا والقيمة الدنيا للهواء ثنائي الذرة شديد السخونة (1.2)، وفي ظروف كرة نارية ذرية، تكون (مصادفةً) قريبة من قيمة جاما القياسية ( STP ) للهواء عند درجة حرارة الغرفة، والتي تبلغ 1.4. وهذا يعطي قيمة ثابت تايلور S لتكون 1.036 لمنطقة الصدمة الفائقة الأديباتية حيث يتحقق شرط R⁵ ^/ t² ^الثابت .

فيما يتعلق بالتحليل البُعدي الأساسي، إذا عبرنا عن جميع المتغيرات بدلالة الكتلة M والطول L والزمن T : ^{[ 27 ]}

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

(فكر في التعبير عن الطاقة الحركية،${\displaystyle E=mv^{2}/2}$)

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

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

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

ثم اشتق تعبيرًا لـ E ، على سبيل المثال، بدلالة المتغيرات الأخرى، عن طريق إيجاد قيم لـ${\displaystyle \alpha }$،${\displaystyle \beta }$، و${\displaystyle \gamma }$في العلاقة العامة

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

بحيث يكون الجانبان الأيسر والأيمن متوازنين من حيث الأبعاد من حيث M و L و T (أي أن كل بُعد له نفس الأس على كلا الجانبين).

في الحالات التي لا تتوفر فيها هذه البيانات، كما هو الحال في عدد من المشاريع، كانت تقديرات القوة التفجيرية الدقيقة موضع جدل، لا سيما عندما ترتبط بقضايا سياسية. فعلى سبيل المثال، كانت الأسلحة المستخدمة في القصف الذري لهيروشيما وناغازاكي ذات تصميمات فريدة ومميزة للغاية، وكان من الصعب للغاية تقدير قوتها التفجيرية بأثر رجعي. ويُقدّر أن قنبلة هيروشيما، المعروفة باسم " ليتل بوي "، قد بلغت قوتها ما بين 12 و18 كيلوطن من مادة تي إن تي (50 و75 تيراجول) (بهامش خطأ 20%)، بينما يُقدّر أن قنبلة ناغازاكي، المعروفة باسم " فات مان "، قد بلغت قوتها ما بين 18 و23 كيلوطن من مادة تي إن تي (75 و96 تيراجول) (بهامش خطأ 10%).  

يمكن أن تكون هذه التغييرات الصغيرة ظاهريًا في القيم مهمة عند محاولة استخدام البيانات المستقاة من هذه القصفات كمؤشر على كيفية تصرف القنابل الأخرى في القتال، كما أنها تؤدي إلى تقييمات مختلفة لعدد "قنابل هيروشيما" التي تعادلها الأسلحة الأخرى (على سبيل المثال، كانت قنبلة Ivy Mike الهيدروجينية تعادل إما 867 أو 578 سلاح هيروشيما - وهو فرق كبير جدًا من الناحية البلاغية - اعتمادًا على ما إذا كان المرء يستخدم الرقم الأعلى أو الأدنى للحساب).

ومن بين العوائد المتنازع عليها الأخرى قنبلة القيصر الضخمة ، التي زعمت شخصيات سياسية مختلفة أن عوائدها تتراوح بين 50 ميغا طن من مادة تي إن تي (210 بيتاجول) أو 57 ميغا طن من مادة تي إن تي (240 بيتاجول) كحد أقصى ، إما كوسيلة لتضخيم قوة القنبلة أو كمحاولة لتقويضها.