核武器当量

核武器當量即核武器的爆炸当量，指其核爆炸可以釋放出的能量，通常用釋放出相同能量的三硝基甲苯（TNT）的噸位來衡量。常見的單位有千噸（kt）和百萬噸（Mt），有時也用太焦耳（TeraJoules）。因為測量TNT爆炸產生的能量具有一定主觀性，加之試驗誤差，精確測定很困難（特別是在核武器研發初期）。因此，一千噸TNT爆炸的能量約定俗成的定為1012卡路里，相當於4.184太焦耳。

當量-重量比是指核武器的當量與其自身重量的比值。對於聚變武器（熱核武器），當量-重量比的理論極限是每噸位炸彈6百萬噸TNT，相當於25太焦耳/千克。1960年代曾報道過當量在5.2百萬噸／噸，甚至更高的單彈頭核武器。但從那時起，為了增加打擊效率，多彈頭核武器受到青睞。因此，核武器開始小型化，現代單彈頭核武器的當量-重量比開始走下坡路。

核武器當量的具體例子

從上往下當量遞增（大部分數據為近似值）：

核彈當量備注千噸TNT太焦耳大衛克羅無後座力砲0.010.042當量可變的戰術核武器。彈頭重23千克，是美國核武器中最輕的。和特殊原子爆破彈藥和 GAR-11獵隼式核導彈是同一種彈頭。13-1854-75裝藥為鈾-235的裂變核武器，1945年由美國投擲於廣島，是人類第一顆用於實戰的原子彈。 自由落體核武器20-2284-92裝藥為鈈-239的裂變核武器，1945年由美國投擲於長崎，是人類第二顆用於實戰的原子彈。彈頭100420據猜測有12枚此類彈頭在具備多目標重返大氣層運載能力的三叉戟II型彈道飛彈上。國際條約限制為8枚。彈頭3001,300有10枚此類彈頭在具備多目標重返大氣層運載能力的LGM-118A維和者導彈上。W88彈頭4751,990據猜測有12枚此類彈頭在具備多目標重返大氣層運載能力的三叉戟II型彈道飛彈上。國際條約限制為8枚。彈頭5002,100威力最大的裂變核武器。裝藥為60千克鈾-235。B83核彈當量可變上限為120萬噸TNT; 美國現役核武器中威力最大的一種。常春藤麥克氫彈10,40044,000世界第一個氫彈Mk-17熱核武器15,00063,000是美國威力最大的核試驗。EC17/Mk-17, EC24/Mk-24和B41核彈（Mk-41）當量可變是美國威力最大的熱核武器：2500萬噸TNT；Mk-17是體積和質量最大的核武器（18,000千克）當量為1500萬噸TNT；Mk-41（或B41核彈）重達4800千克，當量為2500萬噸TNT，是有史以來當量-重量比最高的核彈。它們全部是自由落體炸彈，由B-36和平締造者轟炸機空投。城堡行動系列核試驗48,200202,000是美國威力最大的系列核試驗。沙皇炸彈50,000210,000是前蘇聯威力最大的核武器，當量為5000萬噸TNT。如果以貧化鈾代替包覆融合芯（tamper）中的鉛，該彈的當量據稱可以達到一億噸TNT。截止1996年以來的所有核試驗510,3002,135,000從1945年到1996年，美國、前蘇聯、法國、英國和中國大氣層核試驗的總當量為4.279億噸TNT；上述五國地下核試驗的總當量為0.824億噸TNT。全部加起來，上述五國的核試驗相當於爆炸了5.103億噸TNT。其他有核國家（比如印度、巴基斯坦和北朝鮮等）的當量還未計算進去。


作為比較，美國GBU-43大型空爆炸彈（MOAB，戲稱為“炸彈之母”）的當量只有11噸TNT；1995年俄克拉何馬城爆炸案中案犯使用的硝銨炸藥只相當於2噸TNT；2015年天津港危化品倉庫爆炸事故當量相當於445噸TNT；2020年貝魯特爆炸事故當量大約在數百噸至一千噸之間的TNT。即使跟最小的核武器相比，常規爆炸也難以企及。

當量的極限

理論上，裂變核武器所能達到的最高當量-重量比約為每噸位炸彈600萬噸TNT，相當於25太焦耳/千克。迄今達到的最高值略小於這個極限。現代小巧核武器的當量-重量比更低，因為需要考慮載具的運載能力。

2500萬噸級的B41核彈的當量-重量比可以達到每噸位炸彈510萬噸TNT。美國現有的核武器許多無法達到這個水平。有人猜測如果使用高濃縮氘化鋰-6作為聚變燃料，這個當量-重量比並非不可企及。目前，B41核彈仍然保持著當量-重量比的世界紀錄。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 .

1963年美國能源部解密的文件顯示，美國有技術能力部署運載3500萬噸級核彈頭的大力神II型導彈，也有能力在B-52轟炸機上運載5000到6000萬噸級的核彈頭。美國政府並未真正執行。但是，計算顯示這些核彈的當量-重量比都超過2500萬噸級的B41核彈。有人猜測，保持B41核彈的設計不變，如果用鈾-235代替包覆融合芯中的鈾-238，就可以進一步提高當量-重量比。在泰勒-烏拉姆設計方案中，鈾-238是最常用的包覆融合芯材料。

美國現有小巧核武器的當量-重量比在每噸位炸彈60萬到220萬噸TNT之間。大衛克羅無後座力砲的彈頭的當量-重量比在每噸位炸彈400噸至4萬噸TNT。“小男孩”核彈的當量-重量比在每噸位炸彈4000噸TNT。已知威力最大的“沙皇炸彈”的當量-重量比在每噸位炸彈200萬噸TNT；據信若使用合適的材料，“沙皇炸彈”的比值可以達到每噸位炸彈400萬噸TNT。

有史以來最大的純裂變核武器“常青藤之王”的當量為50萬噸TNT，也許已經達到了其設計的極限。使用聚變增強能大大提高此類核彈的效率，但是裂變材料在超過臨界質量後會帶來嚴峻的設計和工程問題，因此裂變核武器的當量是有極限的。純聚變核武器卻沒有這個問題。

理論上裂變核武器所能達到的最高當量-重量比約為每噸位炸彈600萬噸TNT，實際所達到的值為每噸位炸彈520萬噸TNT。因此對於空投的核彈，其總當量有一個實際界限。新一代核武器基本不再有笨重的外殼，增強了提高當量-重量比的可能性。比如，Mk-36核彈的當量-重量比約為每噸位炸彈125萬噸TNT。如果其外殼能夠減重2/3，其當量-重量比可提高到每噸位炸彈230萬噸TNT，和更新且更輕的Mk/B-53核彈幾乎一樣。

運載工具的運載能力可以用來猜測核彈的當量。烏克蘭的安-225運輸機的最大運載能力是250噸；如果有這樣一顆250噸的核彈，其當量將達到13億噸TNT。俄羅斯的大型火箭SS-18（R-36導彈）的有效載荷為7.2噸；其能夠攜帶的最大裂變武器相當於3740萬噸TNT。美國的土星五號火箭的有效載荷為120噸；其能夠攜帶的最大裂變武器相當於7亿噸TNT。

現代核武庫中已經很少有大型單彈頭。取而代之的是多目標重返大氣層載具運載的多彈頭系統。在當量或者載荷相近時，後者的破壞力遠遠超出前者。單個彈頭的破壞力是其當量的2/3。在多彈頭系統中，雖然每個彈頭的破壞力相對小些，但是整體上多彈頭的破壞力不但能夠補償失去的當量數，反而會因為更好的當量-重量比而具有更大的破壞力。

當量的計算和爭議

核爆炸的當量有時很難計算，誤差較大。當量的計算有幾種方式，比如通過爆炸的範圍、亮度、地震數據和衝擊波的強度來確定。恩裡科·費米曾用過一種非常粗略的方法來估計三位一體核試的當量。他在爆炸衝擊波到來時扔出一把碎紙片，然後測量紙片飛了多遠，以此估計爆炸的強度。


1950年，英國物理學家傑弗里·泰勒曾利用簡單的量綱分析和對極熱空氣熱容的估計，估算了聖三一核試驗的當量。他得到的近似值精度頗佳。起初泰勒的工作是嚴格保密的。1950年代，當前蘇聯爆炸了同類核彈之後，聖三一核試驗被解密。泰勒於是發表了一篇文章，其中包括對聖三一核試驗中火球的分析。泰勒指出，開始時火球的大小R僅僅依賴於爆炸產生的能量E、引爆後的時間t和空氣的密度ρ。唯一能得到長度量綱的計算公式為：

S是一個無量綱的常數，是熱容比（γ = Cp/Cv，或者稱作絕熱指數）的低階函數，因此在任何條件下都近似為1。

泰勒觀察了聖三一核試驗中的火球隨時間的變化後發現，R5/t2對核試驗是一個常數，特別是時間在0.38毫秒（衝擊波剛剛形成）和1.93毫秒（大量能量以輻射熱的形式散失）之間。

泰勒選擇了爆炸後t=25毫秒，這時火球半徑為140米。爆炸當天聖三一的空氣密度為1千克/立方米。用這些值代入以上公式，泰勒得到聖三一核試驗爆炸當量為二萬二千噸TNT（90太焦耳）。值得注意的是，聖三一核試驗中的火球是半個火球，而不是一個完整的球。但是這個簡單的計算得到的結果同官方數據（二萬噸TNT）相差僅10%。

當熱容比γ小於2時，泰勒的常數S可以用下式來估計：

S = [75(γ-1)/8π]1/5

完全解離空氣分子的熱容比為1.67；極熱的未解離空氣分子的熱容比為1.20。在核彈火球中的空氣與標准狀態下的空氣恰好有同樣的熱容比：1.40。根據這個數據，泰勒的常數S在絕熱衝擊波區為1.036。

其他方法和爭議

許多核爆未公布數據，因此其當量均有爭議，特別是涉及到政治的時候。比如，在廣島和長崎爆炸的原子彈設計相當不同。事後估計它們的當量很困難。投擲於廣島的“小男孩”的當量估計為一萬二千到一萬八千噸TNT（誤差30%），投擲於長崎的“胖子”估計為一萬八千到二萬三千噸TNT（誤差10%）。這樣的數據可以用來評估其它炸彈在實戰中的性能。比如“常春藤麦克”熱核武器相當於867或578個廣島核彈。其它受到爭議的還包括“沙皇炸彈”的當量。不同的政治人物使用不同的數值。有的說“只有五千萬噸”，另外的則說“五千七百萬噸”。

參考文獻

外部連結

"What was the yield of the Hiroshima bomb?"  (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.

Discusses some of the controversy over the Indian test yields 

"What are the real yields of India's nuclear tests?" from Carey Sublette's NuclearWeaponArchive.org

High-Yield Nuclear Detonation Effects Simulator 

Category:核子武器設計

Category:能量測量