核兵器の威力

核兵器の爆発出力は、その核兵器が爆発したときに爆風、熱、放射線などによって放出されるエネルギーの量であり、通常はTNT当量（爆発した場合に同じエネルギー放出を生じるトリニトロトルエンの標準化された当量質量）として、キロトン（kt - TNT火薬1,000トン）、メガトン（TNT火薬1,000万トン）、またはテラジュール（TJ）のいずれかの単位で表されます。1テラジュールの爆発出力は、TNT火薬0.239キロトンに相当します。TNTによって放出されるエネルギーの測定精度は常に問題があったため、従来の定義では、TNT火薬1キロトンは単に10 ¹²カロリーに相当するとされています。

威力重量比とは、兵器の質量に対する兵器の威力の量のことです。核融合兵器（熱核兵器）の実用的な最大威力重量比は、爆弾の質量1トンあたりTNT換算で6メガトン（25 TJ/kg）と推定されています。1960年代初頭に単一弾頭用に製造された大型兵器では、5.2メガトン/トン以上の威力が報告されています。^{[1]それ以来、}複数弾頭システムの増加した純損害効率（爆弾の損害/爆弾の質量）を達成するために必要な弾頭の小型化により、単一の最新式弾頭の威力/質量比が増加しました。

収量の増加順（ほとんどの収量数値は概算値です）：

比較すると、 GBU-43大規模爆風爆弾の爆発力は0.011kt、トラックに積んだ肥料爆弾を使用したオクラホマシティ爆破事件の爆発力は0.002ktである。ベイルート港での爆発の推定強度は0.3～0.5ktである。^[9]人工の非核爆発のほとんどは、超小型核兵器と見なされるものよりもかなり小さい。

質量に対する威力比は、武器の質量に対する威力の量です。達成される最高値はいくらか低く、今日の兵器で重視されている、効率的なMIRVの使用や巡航ミサイルシステムによる発射を目的とした小型軽量の武器では、値が低くなる傾向があります。

• B41の 25 メガトンの威力オプションは、1 トンあたり 5.1 メガトンの TNT の威力対質量比となる。これには、現在の米国の他のどの兵器よりもはるかに高い効率 (重水素化リチウムの核融合燃料で少なくとも 40% の効率) が必要であるが、これは明らかに達成可能であり、おそらく重水素化リチウム核融合燃料で通常よりも高いリチウム 6濃縮度を使用することで達成可能であった。この結果、B41 はこれまで設計された中で最も威力対質量比の高い兵器の記録を今も保持している。^[10]
• W56は、装置質量1キログラムあたり4.96キロトンの威力対質量比を実証した。これは、史上最高の威力対質量比を持つ兵器である25メガトンのB41で達成可能なと予測された5.1キロトン/キログラムに非常に近い。完全な威力で実証試験されたことのないB41とは異なり、W56は1962年のドミニク作戦のXW-56X2ブルーストーン発射でその効率を実証した。 ^[11]したがって、公開されている情報から判断すると、W56はこれまでで最高の効率を示した核兵器という栄誉を保持している可能性がある。
• 1963年、エネルギー省は、米国がタイタン II に 35 Mt の弾頭を搭載するか、B-52 に 50～60 Mt の重力爆弾を搭載する技術的能力を持っているという声明を機密解除しました。どちらの兵器も開発は進められませんでしたが、どちらも 25 Mt の Mk-41 よりも優れた威力対質量比を必要とします。
• 現在の米国の小型兵器の場合、威力は1トンあたり600～2200キロトンのTNTである。比較すると、デイビー・クロケットなどの非常に小型の戦術兵器の場合、1トンあたり0.4～40キロトンのTNTであった。歴史的な比較では、リトルボーイの場合、威力は1トンあたりわずか4キロトンのTNTであり、最大のツァーリ・ボンバの場合、威力は1トンあたり2メガトンのTNTであった（同じ兵器の約2倍の威力から意図的に削減されているため、この爆弾が設計されたとおりに1トンあたり4メガトンの威力を発揮できたことにほとんど疑いの余地はない）。
• これまでに作られた最大の純​​粋な核分裂爆弾であるアイビー・キングは500キロトンの威力を持っていたが^[2] 、これはおそらくそのような設計の上限の範囲内である。^[要出典]核融合ブーストはおそらくそのような兵器の効率を大幅に高めることができるだろうが、最終的にはすべての核分裂ベースの兵器は、大きな臨界質量を扱うことの難しさから、威力の上限を持つことになる。（英国のオレンジ・ヘラルドは非常に大きなブースト核分裂爆弾で、威力は800キロトンだった。）しかし、核融合爆弾の威力の上限は知られていない。

大型の単一弾頭が今日の兵器庫の一部になることはめったにありません。パンケーキ型の破壊領域に広がる小型のMIRV弾頭は、与えられた総威力、またはペイロード質量単位に対してはるかに破壊力が大きいからです。この効果は、戦略目標が高さと深さが制限された円形の陸地領域に分散されているのに対し、地上での単一弾頭の破壊力は、ほぼ半球形の爆風体積で「無駄に」爆風が広がるため、その威力の3乗根にほぼ比例するという事実から生じます。この効果は、弾道ミサイルの弾頭を、単一弾頭ミサイルが搭載できる最大サイズから個別に縮小した場合に発生する威力/質量効率の低下を補って余りあるものです。

原子爆弾の効率とは、実際の威力と理論上の最大威力の比率である。すべての原子爆弾が同じ威力効率を持つわけではなく、爆弾の設計が効率性に大きく影響する。威力効率を最大化するには、臨界質量を正しく組み立てるとともに、設計にタンパーやイニシエーターなどの器具を組み込む必要がある。タンパーは通常ウランで作られ、その慣性を利用してコアをまとめる。これは、コアが分離しすぎて最大の核分裂反応を起こさないようにし、「失敗」を起こさないようにするために使用される。イニシエーターは、コアの内部または爆弾の外部にある中性子源であり、この場合、爆発の瞬間にコアに中性子を発射する。これは基本的に、反応を開始して最大の核分裂反応を起こし、威力を最大化できるようにするものである。^[12]

以下のリストは、画期的な核爆発の一覧です。広島と長崎への原爆投下に加え、特定の兵器の種類による国の最初の核実験、およびそれ以外の点で注目に値する実験（史上最大の実験など）が含まれています。すべての威力（爆発力）は、TNTのキロトン単位での推定エネルギー当量で示されています（TNT 当量を参照）。推定される実験（ベラ事件など）は含まれていません。

注記

• 「段階的」とは、いわゆるテラー・ウラム構成の「真の」熱核兵器であったか、単にブースト核分裂兵器の一種であったかを指す。核実験シリーズのより完全なリストについては、核実験のリストを参照。ツァーリ・ボンバや1998年のインドとパキスタンによるテストなどの正確な威力の推定は、専門家の間でも多少異論がある。

核爆発の威力は、キロトンやメガトンの範囲のような大まかな数値を使用しても（個々のテラジュールの解像度まで細かく計算するのはなおさら）、計算が非常に難しい場合があります。非常に管理された状況下でも、正確な威力を決定するのは非常に難しく、管理が不十分な状況では誤差の範囲がかなり大きくなる可能性があります。核分裂装置の場合、最も正確な威力値は「放射化学分析/フォールアウト分析」から得られます。つまり、化学反応後に化学反応生成物の化学収量を測定できるのとほぼ同じ方法で、生成された核分裂生成物の量を測定します。放射化学分析法は、ハーバート・L・アンダーソンによって開拓されました。

放射性降下物が測定できない、または測定しても誤解を招く恐れのある核爆発装置の場合、中性子放射化分析は2番目に正確な方法としてよく使用され、リトルボーイ^{[14] [15]}と熱核融合爆弾 アイビーマイク[ ^16]のそれぞれの爆発力の測定に使用されています。

爆発の大きさ、超低周波音、火球の明るさ（バンメーター）、地震データ（CTBTO）^[17]、衝撃波の強さ に基づいたスケーリング則の計算など、リモートセンシングによるさまざまな方法で爆発力を推測することもできます。

エンリコ・フェルミは、トリニティ実験の威力を（非常に）大まかに計算したことで有名である。空中に小さな紙片を落とし、爆発の爆風でどれだけの距離を飛ばされたかを測定するという方法である。つまり、彼は紙片が垂直からどれだけ離れたかという偏差を大まかな爆風計/気圧計として使用し、爆発地点からの距離における爆風圧力をポンド/平方インチで求めた。そして、圧力Xをpsi、距離Yをマイルで表した数値から逆算してトリニティ装置の威力を推定し、爆風エネルギーは約10 キロトンであることを突き止めた。^{[21] [22]}

フェルミは後にこう回想している。

私はトリニティ基地の爆発現場から約10マイル（16 km）離れた場所に駐屯していた。爆発の約40秒後、爆風が私のところまで到達した。私は爆風の強さを推測しようと、爆風の通過前、通過中、通過後に約6フィートの高さから小さな紙片を落とした。当時は風がなかったので、爆風が通過する間に落下する紙片の変位を非常にはっきりと観察し、実際に測定することができた。変位は約2.5メートルで、当時の私はこれをTNT火薬1万トンが引き起こす爆風に相当すると見積もった。^{[23] [24] [25]}

球の表面積 (A) と体積 (V) はそれぞれ、です。 ${\displaystyle A=4\pi r^{2}}$${\displaystyle V={\frac {4}{3}}\pi r^{3}}$

しかし、爆風は、トリニティ装置のほぼ半球状の地表付近の爆発爆風の表面積に応じて大きくなると想定された。紙は波によって2.5メートル移動するので、トリニティ装置の効果は、体積2.5m×2π(16km) ^2の半球状の空気殻を移動させることになる。1気圧を掛けると、エネルギーは次のようになる。4.1 × 10 ¹⁴  J ~ 100 kT TNT。^[定量化]

トリニティ実験装置の威力の近似値は、1950 年にイギリスの物理学者GI テイラーが、単純な次元解析と非常に高温の空気の熱容量の推定から得たものです。テイラーは当初、この極秘作業を 1941 年半ばに実施し、1950 年にトリニティの写真データが機密解除されたときに (ソ連が独自のこの爆弾を爆発させた後)、トリニティ データの火球を分析した記事を発表しました。

テイラーは、爆発の半径 Rは、最初は爆発のエネルギーE、爆発後の時間t、空気の密度ρのみに依存すると指摘した。これらの量から構築できる互換性のある次元を持つ 唯一の方程式は、

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

ここでSは、熱容量比または断熱指数 の低次の関数であるため、ほぼ1に等しい値を持つ無次元定数である。

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

これはすべての条件でおよそ 1 になります。

テイラーは、ここに示したトリニティ実験の写真（米国政府によって公開され、ライフ誌に掲載された）と爆発の連続フレームを使用して、R ⁵ / t ²が特定の核爆発（特に、衝撃波が形成されてから 0.38 ミリ秒から、熱放射によってかなりのエネルギーが失われる前の 1.93 ミリ秒まで）で一定であることを発見しました。さらに、彼は数値的にSの値を1 と推定しました。

したがって、t = 0.025 秒、爆発半径が 140 メートル、ρが 1 kg/m ³ (実験当日のトリニティでの測定値、海面での値はおよそ 1.3 kg/m ^{3 ) とすると、} Eについてテイラーは、爆発力が TNT 換算で約 22 キロトン (90 TJ) であると結論付けた。これは、半球状の爆発の場合、エネルギーはこの値の約半分で済むはずであるという事実を考慮に入れていないが、この非常に単純な議論は、1950 年の爆弾の爆発力の公式値である TNT 換算で 20 キロトン (84 TJ) と 10% 以内で一致した (G. I. Taylor、Proc. Roy. Soc. London A 200、pp. 235–247 (1950) を参照)。

テイラー定数Sの約2以下の近似値は^{[26]である。}${\displaystyle \gamma}$

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

ここでの熱容量比の値は、完全に解離した空気分子の 1.67 と非常に高温の二原子空気の低い値 (1.2) の間であり、原子の火球の条件下では (偶然にも)室温の空気のSTP (標準) ガンマである 1.4 に近くなります。これにより、一定のR ⁵ / t ²条件が保持される断熱ハイパーショック領域でのテイラーのS定数の値は 1.036 になります。

基本的な次元解析に関連して、すべての変数を質量M、長さL、時間Tで表すと次のようになる。^[27]

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

（運動エネルギーの式を考えてみましょう。）、 ${\displaystyle E=mv^{2}/2}$

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

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

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

そして、一般的な関係式における 、、、およびの値を見つけることによって、他の変数に関して、例えば、 E の式を導出します。${\displaystyle \alpha}$${\displaystyle \beta}$${\displaystyle \gamma}$

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

左辺と右辺はM、L、Tに関して次元的にバランスが取れている（つまり、各次元の両側の指数が同じである）。

多くの場合、こうしたデータが入手できない場合、正確な威力は、特に政治問題に関係する場合に、論争の的となっている。たとえば、広島と長崎の原爆投下に使用された兵器は、非常に個別的で特異な設計であり、その威力を遡及的に測定することは非常に困難であった。広島の爆弾「リトルボーイ」は、TNT換算で12～18キロトン（50～75 TJ）と推定され（誤差20％）、長崎の爆弾「ファットマン」は、TNT換算で18～23キロトン（75～96 TJ）と推定されている（誤差10％）。

このような一見小さな値の変化は、これらの爆撃のデータを他の爆弾が戦闘でどのように動作するかを反映するものとして利用しようとするときに重要になる可能性があり、また、他の兵器が「広島型原爆」の何個に相当するかについての異なる評価にもつながる（例えば、アイビー・マイク水素爆弾は、計算に高い数字を使用するか低い数字を使用するかによって、867 個または 578 個の広島型原爆に相当し、修辞的にはかなり大きな違いとなる）。

他に議論の的となっている爆発力には、巨大なツァーリ・ボンバがある。その爆発力は、爆弾の威力を誇大宣伝するため、あるいは威力を弱めようとする試みとして、さまざまな政治家によって「わずか」50メガトンTNT（210 PJ）であると主張したり、最大で57メガトンTNT（240 PJ）であると主張したりした。

• 核爆発の影響— 異なる爆発力による異なる影響について詳しく説明します
• 核兵器のリスト

ウィキメディア・コモンズには、核兵器の威力に関連するメディアがあります。

• 「広島原爆の威力はどれくらいだったのか？」2017年9月13日、Wayback Machineにアーカイブ（公式報告書からの抜粋）
• 「核爆発の一般原理」、サミュエル・グラストンおよびフィリップ・ドラン編著『核兵器の影響』第 3 版 (ワシントン DC: 米国国防総省/米国エネルギー研究開発局、1977 年)、第 1 章。核爆発力とその他の影響 (放射線、損傷など) の関係に関する情報を提供します。
• 「1998 年 5 月のポカラン テスト: 科学的側面」では、1998 年のインドでのテストの成果を決定するために使用されたさまざまな方法について説明しています。
• インドの試験収量に関する論争のいくつかについて議論する
• 「インドの核実験の実際の威力は？」 キャリー・サブレットの NuclearWeaponArchive.org より
• 高出力核爆発効果シミュレーター 2009-02-16 にWayback Machineでアーカイブ