地下核试验

地下核试验是地下进行的核武器试爆。当试爆装置都在足够深的地方时，核爆炸便可被控制，不会释放放射性物质到大气。

地下核试验所产生的极端的热和压力会导致周边岩石发生变化。最接近试爆地点的岩石会汽化，形成空洞。远一些的地方有粉碎，破裂，变形，等不同破坏程度的区域。爆炸后，空洞上方的岩石可能会坍塌，形成一条向上的通道。如果这通道到达地面，可能会形成一个碗形下陷坑。

第一次地下核试验始于1951年，随后的试验所提供的资料最终导致在1963年《部分禁止核试验条约》的签署，该条约禁止了除在地下外的一切核武器试验。从那时起直到1996年《全面禁止核试验条约》的签署，大部分核试验都在地下进行，以避免放射性落尘进入大气。

## 背景

尽管在1950年代初期公众对核试验的放射性落尘越来越关注，放射性落尘是在1945年的第一次试爆原子弹(三位一体)后发现。摄影胶卷的制造商后来报告“胶片起雾”(胶卷起雾)，这可以追溯到来自印第安纳州作物的摄影胶卷包装物料，作物被三位一体核试验和之后在内华达试验场的核试验所污染，内华达试验场与印第安纳州相距超过1600公里远。1953年的Simon核试验所产生的大量放射性落尘远及纽约雅宾利，已被纪录在案。

1954年3月在太平洋的Bravo核试验产生的放射性落尘对“科学、政治和社会上持续影响长达40年”。高爆炸当量核弹的核试验导致放射性落尘在朗格里克环礁和朗格拉普环礁，以及日本一艘远洋鲔鱼渔船第五福龙丸上出现。在这次核试验之前，人们对放射性落尘的危险性“没有充分”了解。

这场核试验成为了国际事件。在公共广播电视公司(PBS)的采访中，历史学家Martha Smith争论着“在日本，这不仅是对政府及美国的抗议，而且是日本所有不同群体和不同的人都开始抗议，这成为一个巨大的问题。它在媒体中演变成巨大的问题。毫无疑问，日本渔民、渔民的妻子的各类型信件和抗议接踵而来，也有学生团体，所有不同类型的人，抗议美国利用太平洋进行核试验。他们对此非常关注，为什么美国有在太平洋上进行这些测试的权利。他们也非常关注(这场核试验)对健康和环境的影响。”印度总理呼吁在世界范围内消除所有核试验时“表达了国际社会的高度关注”。

关于核爆炸对人类健康的影响的知识越来越多，随之而来的是放射性落尘对生态系统的影响和基因突变的关注。在1955年5月，美国、英国、加拿大、法国和苏联就终止核试验的国际协议进行会谈。在1963年8月5日，美国、英国、苏联代表签署《部分禁止核试验条约》，禁止在大气层、太空和水下进行核武器试验。允许地下核试验的决定促成了协议的达成。地下核试验被准许，前提是它不导致“放射性碎片存在于其管辖或控制此类爆炸的国家的领土范围之外”。

## 地下核试验的早期历史

在对1946年十字路口行动中的水下起爆核弹进行分析后，关于高当量核弹在地下进行核试验可能具有的军事价值进行了调查。美国参谋长联席会议因此取得美国原子能委员会的准许，对在地面和地下起爆核弹进行实验。阿姆奇特卡岛在1950年最初被选为这些核试验的地点，但随后被认为不适合，这些核试验移至内华达试验场。

<image>

第一次地下核试验在1951年11月29日内华达试验场进行，名称为Uncle(克星-争吵行动的核试验之一)，爆炸当量为1.2 千吨，于地下5.2米引爆。这次核试验是对23千吨透地枪式核分裂武器的影响进行的缩小版调查，透地枪式核分裂武器当时被考虑用于制作碉堡克星。爆炸导致蘑菇云上升到3500米，放射性落尘沉积于北部和东北偏北地区。弹坑被炸至79米宽，16米深。

<image>

下一次的地下核试验是在1995年3月23日的Teapot Ess。是一千吨核子爆破武器(英语: Atomic demolition munition)的爆炸试验。它在地下20.4米，在有波纹钢的竖井中引爆，然后用沙袋和泥土回填。因为它被埋在地下，爆炸扬起数吨的泥土，形成一个91米宽，39米深的坑。其导致的蘑菇云升至3700米高，放射性落尘向东漂移，漂至225公里远。

1957年7月26日，铅锤行动-Pascal-A在 148 m (486 ft)竖井底部引爆。根据其中一个描述，“用华丽的烟火-罗马蜡烛迎来了地下核试验的时代!”与在地面进行核试验相比，释放至大气的放射性碎片减少了十倍。理论工作在可能的遏制方案上开始。

<image>

<image>

铅锤行动-Rainier于1957年9月19日，地下274米起爆。1.7千吨的爆炸被地下完全屏蔽，并没有产生放射性落尘。核试验于地下488米-610米(1,600-2,000 ft)的勾形水平管道中进行。勾形管道设计旨在气体和裂变碎片可以围绕隧道勾形的曲线排出之前，最接近起爆地点的非曲形部分封闭爆炸力。该次核试验将成为更大、更大威力核试验的原型。Rainier在核试验前宣布，所以地震台站可以尝试记录信号。分析在核试验中收集到的数据，使科学家能加深对地下核试验的理解。这些地下核试验的资料为随后同意签署《部分禁止核试验条约》的决定提供基础。

Cannikin是最后在阿姆奇特卡岛进行的核试验，在1971年11月6日进行，爆炸当量约为500万吨，是美国历史上最大的地下核试验。

## 影响

<image>

地下核试验的影响可能会因爆炸深度、核武器当量、以及四周岩石的性质等因素而有所不同。如果核试验于足够深的地方进行，这次试验会被称为被屏蔽，没有泄漏气体和污染物至环境。相反，如果核试验在不足够深的地方进行，岩石可能因爆炸而喷出，形成下沉坑，并释放高压气体至大气(形成的坑的外形通常是圆锥形，圆形，其直径和深度介乎几十到几百米)。用于决定核试验应在多深进行的数值是埋藏密封深度(英语:scaled depth of burial, SDOB)，以米为单位。这数值使用千吨爆炸当量的立方根计算其埋藏深度。据估计，为了确保核试验有足够的屏蔽，这个数值应大于100。

名称｜半径

熔洞｜4–12 m/kt1/3

破碎带｜30–40 m/kt1/3

破裂带｜80–120 m/kt1/3

不可逆应变带｜800–1100 m/kt1/3

核爆炸的能量在1微秒内释放出来。在随后的几微秒，其自身和四周岩石在数百万度和数百万倍的大气压下被汽化。在几毫秒内，形成高压气体和蒸气气泡。热和向外扩展的冲击波使四周岩石汽化，较远的岩石会熔化，形成熔洞(英语:melt cavity)。冲击波包含大量动能和高压导致此熔洞向外扩展，持续十分之几秒，直至压力下降至和上方的岩石的重量大致相同时，便不能再增长。虽然不能观察每场爆炸，但四个不同的区域(包括熔洞)会用于形容四周岩石。破碎带，大约是熔洞半径的2倍，这区域的岩石破碎，失去了它们原本的完整性。破裂带，大约是熔洞半径的3倍，这区域的岩石有放射状(指向外扩展)裂缝。最后，是不可逆应变带，这区域的岩石因压力变形。其后的岩石只发生弹性变形，形变和随后的释放形成地震波。数秒后，熔化的岩石会在熔洞底部聚集，熔洞的内容物开始冷却。冲击波之后的反弹导致压缩力在熔洞周围积聚，这被称为压力抑制笼(英语:stress containment cage)，封住裂缝。

<image>

数分钟至数日后，一旦热消散得足够多，蒸汽凝结，熔洞内的压力降至不足以承受外界压力时，上方的岩石便会坍塌，掉入熔洞。这种情况取决于十分多的因素，包括核武器当量、埋藏方式等，坍塌也可能会延续至地面，形成下陷坑。大多数的下陷坑呈碗形，下陷坑的直径介乎几十米至大于一公里。在内华达试验场，95%的核试验在其埋藏密封深度少于150米的地底下进行，导致地面下陷，而在埋藏密封深度不到180米的情况下进行的核试验约有一半。熔洞的半径r(以ft为单位)与核武器爆炸当量y(以kt为单位)的立方根是成正比的，如r = 55 * $\sqrt[3]{y}$，一个爆炸当量为8kt的核武器爆炸会产生一个半径为34米的熔洞。

<image>

其他对地面的影响包括压力脊，断层，水的流动(包括地下水位的改变)，岩崩和坍塌等。熔洞中大部分气体是由蒸汽组成，其体积因温度下降和凝结而急剧减少。但那裹也有其他气体，主要是二氧化碳和氢气，它们不会凝结并保持在气态。二氧化碳是由碳酸盐的热分解所产生，氢气是核装置及周边设备的铁和其他金属反应产生的。在评估测试场地时，必须考虑土壤中碳酸盐和水的含量和铁的量。在常温常压下不凝结的气体可能会留在土壤的孔隙中，大量的上述气体可保持足够的压力并将裂变产物带到地面。

<image>

放射性物质从熔洞中泄漏被称为阻围失败(英语:containment failure)。因蒸汽或气体的压力导致的迅时大量、不可控的裂变产物泄漏被称为外泄(英语:venting)，如Baneberry核试验。缓慢、低压不可控的放射性物质泄漏被称为渗漏(英语:seeps)，这泄漏几乎没有能量，不可见，需要仪器才能探测到。延时渗漏(英语:Late-time seeps)是不凝结气体在试爆后数日或数周泄漏，通过泥土的孔隙和裂缝进行扩散，这可能与大气压力的下降有关。当测试管道需要被访问/进入时，管道中气体被过滤，被空气稀释并释放至大气时，风会将它们吹散到人烟稀少的地区。在测试的操作方面导致的小剂量泄漏被称为运行外泄(英语:operational releases)，它们可能在核试验后钻探至爆炸地点进行岩石取样或进行爆炸气体取样期间泄漏。放射性同位素的成分因释放方式而异，大量、迅时的外泄会释放出很大一部分（高达 10%）的裂变产物，而延时渗漏只包含最易挥发的气体。土壤吸收活泼的化合物，所以唯一通过土壤过滤进入大气的核素是贵气体，主要是氪-85和氙-133。

释放的核素可进行生物累积。放射性同位素如碘-131、锶-90、铯-137会被浓缩在放牧牛只的牛奶中，所以牛奶是一个十分方便、灵敏的放射性落尘指示器。可以分析在动物的软组织中的伽马发射体，分析骨骼、肝藏中的锶和钚，分析血液、尿液和软组织中的氚(氢的一种同位素)。

虽然早期公众担心地下核试验会导致地震，但没有证据表明会发生这种状况。但地面的断层运动和出现裂缝曾有发生，爆炸通常在一系列余震之前发生，被认为是熔洞坍塌所造成的。在少数情况下，断层运动释出的地震能量超过其核试验自身。

## 国际条约

1963年8月5日，美国、苏联、英国代表在莫斯科签署《部分禁止核试验条约》，该条约禁止在大气层、太空和水下进行核武器试验。108国签署此条约，但中华人民共和国和法国未签署该协议。

1974年，美国和苏联签署《限制地下核武器试验条约(英语: Treaty on the Limitation of Underground Nuclear Weapon Tests), 或称地下核试爆限制条约(英语: Threshold Test Ban Treaty)》，该条约禁止进行爆炸当量高于150千吨的地下核试验。到1990年代，监察和检测地下核试验的技术已经成熟，有很大的机会可以检测到1千吨或以上的核试验，至1996年，在联合国的支持下，各国开始商讨全面禁止核试验。在1996年，美国、俄罗斯、英国、法国、中华人民共和国签署《全面禁止核试验条约》。

## 监测

在1940年代后期，美国开始发展利用空气样本来检测大气核试验的能力，这糸统能够检测到苏联在1949年的第一次核试验。在接下来的十年中，这糸统也改进了，建立了地震监测站网络来检测地下核试验。1970年代中期，因《限制地下核武器试验条约》在核试验上的限制，使人们更好地了解爆炸产量与其产生的地震强度之间的关系。

## 照片

<image>

- 克星-争吵行动-Uncle

<image>

- Teapot Ess

<image>

- Sedan

<image>

- 萨当弹坑

<image>

- Bowline Schooner

<image>

- 内华达试验场的下陷坑