home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Group 42-Sells Out! - The Information Archive / Group 42 Sells Out (Group 42) (1996).iso / weapons / nukes.txt < prev    next >
Text File  |  1995-11-30  |  40KB  |  630 lines

  1.   
  2.     Third-Generation Nuclear Weapons
  3.  
  4.      During the early 1950's American weapon laboratories were
  5. exceptionally productive. They not only achieved dramatic improvements in
  6. the performance of fission bombs, which represent the first generation of
  7. nuclear weapons, but also succeeded in establishing a second generation of
  8. nuclear weapons by harnessing the explosive power of fusion in the form of
  9. the hydrogen bomb and its various derivatives. By the end of the 1950's the
  10. warheads in the U.S. nuclear armament bore little resemblance to the bombs
  11. that had ushered in the nuclear age over Hiroshima and Nagasaki.
  12.  
  13.      Today a third generation of nuclear weapons is technologically
  14. feasible. By altering the shape of the nuclear explosive and manipulating
  15. other design features, weapons could be built that generate and direct
  16. beams of radiation or streams of metallic pellets or droplets at such
  17. targets as missile-launch facilities on the ground, missiles in the air and
  18. satellites in space. These weapons would be as removed from current nuclear
  19. weapons in terms of military effectiveness as a rifle is technologically
  20. distant from gunpowder.
  21.  
  22.      The surge of technical creativity that produced the first two
  23. generations of nuclear weapons can be explained largely by the fact that
  24. the national laboratories had massive funding, a mandate to pursue new
  25. weapon possibilities and unqualified Government support. Yet speaking as
  26. one who worked at that time on the design of nuclear weapons, perhaps the
  27. most stimulating factor of all was simply the intense exhilaration that
  28. every scientist or engineer experiences when he or she has the freedom to
  29. explore completely new technical concepts and then to bring them into
  30. reality.
  31.  
  32.      The Strategic Defense Initiative, under which a vigorous military
  33. research and development program is currently being carried out, could well
  34. generate conditions at the U.S. weapon laboratories similar to those in the
  35. 1950's. The daunting technical challenge implied in President Reagan's call
  36. to search for a way to defend the nation against ballistic missiles is
  37. likely to spur modern-day weaponeers to consider radically new types of
  38. nuclear weapons--quite apart from concurrent advances in delivery and
  39. command-and-control systems.
  40.  
  41.      It would be logical for a weapon designer to build on the legacy of
  42. the first- and second-generation nuclear weapons, all of which transform
  43. mass into an abundance of energy that is then uniformly dissipated in a
  44. roughly spherical pattern. Such a new generation of nuclear weapons might
  45. selectively enhance or suppress certain types of energy from the vast
  46. energy source provided by a nuclear explosion. Moreover, the lethal effects
  47. of a selected energy carrier (such as electromagnetic radiation, subatomic
  48. particles or expelled material) might be increased by distorting its normal
  49. pattern of emission into a highly asymmetrical one--in essence
  50. concentrating the energy in a certain direction.
  51.  
  52.      Indeed, nuclear weapons that deliver 1,000 or more times the energy
  53. per unit area on a target than does a conventional nuclear weapon are
  54. entirely plausible. Special components or materials attached to the
  55. exterior of a nuclear device could convert the energy released by its
  56. detonation into a different form; configuring the nuclear explosive and its 
  57. casing in certain ways could channel most of the energy in certain
  58. directions. Alternatively, the energy released from a nuclear explosion
  59. could be converted and directed by exploiting the effect such an explosion
  60. has on natural surroundings. Regardless of their original intent, if such
  61. weapons are built, they will undoubtedly be modified for application in a
  62. wide variety of strategic and tactical missions--offensive as well as
  63. defensive --in all kinds of environments.
  64.  
  65.      Like previous generations of nuclear weapons, members of the new
  66. generation would derive their enormous explosive energy from fission (the
  67. splitting of a nucleus by a neutron into two nuclei of comparable size) or
  68. a combination of fission and fusion (the joining of two light nuclei to
  69. form a heavier nucleus). Fission explosions are easier to produce and
  70. essentially amount to bringing together, in the space of about a
  71. microsecond (a millionth of a second), enough fissile material (such as
  72. uranium 235 or plutonium 239) in a sufficiently small volume so that a huge
  73. number of fission-inducing neutrons can be quickly generated in the
  74. material. The high-speed assembly of the fissile material is generally
  75. achieved by precisely detonating chemical-explosive charges in such a way
  76. as to propel subunits of the material together to form a single compressed
  77. mass.
  78.  
  79.      Initiating a fusion explosion is a much more complex affair, because
  80. extremely high temperatures (on the order of hundreds of millions of
  81. degrees Kelvin) are required. In fact, the only practical mechanism by
  82. which to generate such temperatures in a transportable device is a fission
  83. explosive. A pure-fusion explosive--without a fission trigger--reportedly
  84. still eludes weapon designers.
  85.   
  86.      Fusion reactions not only release substantially more energy per unit
  87. weight than fission reactions but also produce more high-energy neutrons.
  88. The additional neutrons can in fact "boost' the yield of a fission weapon
  89. if they are allowed to interact with uranium or plutonium in the weapon's
  90. core. Hence placing small quantities of thermonuclear fuel such as tritium
  91. or deuterium (both are isotopes of hydrogen) in a fission weapon increases
  92. the overall yield-to-weight ratio of the weapon, since the added weight
  93. needed for boosting is insignificant.
  94.  
  95.      Unlike boosted weapons, in which the energy released by fusion does
  96. not significantly contribute to the overall weapon yield, so-called
  97. thermonuclear weapons derive a substantial part of their explosive energy
  98. from fusion reactions. The relative amounts of energy attributable to
  99. fusion and fission depend on the design of the weapon. If a considerable
  100. amount of lithium deuteride (which, when it is irradiated with neutrons,
  101. produces tritium) is compressed and heated by the energy released from a
  102. small fission-explosive trigger, the fraction of the total yield due to
  103. fusion in relation to the fraction due to fission can become very large.
  104. Such weapons are sometimes called "clean' thermonuclear weapons, because
  105. they release relatively few radioactive fission products.
  106.  
  107.      At the other extreme are weapons in which the thermonuclear fuel is
  108. enclosed in a substantial quantity of ordinary uranium (uranium 238). The
  109. high-energy neutrons produced by fusion in the thermonuclear fuel can
  110. induce fission in the surrounding uranium, multiplying the total fission
  111. yield considerably.
  112.  
  113.      The yield-to-weight ratios of pure fission warheads have ranged from a
  114. low of about .0005 kiloton per kilogram to a high of about .1 kiloton per
  115. kilogram. (One kiloton is equivalent to the detonation of about 1,000 tons
  116. of TNT.) The overall yield-to-weight ratio of strategic thermonuclear
  117. warheads has been as high as about six kilotons per kilogram. Although the
  118. maximum theoretical ratios are 17 and 50 kilotons per kilogram respectively
  119. for fission and fusion reactions, the maximum yield-to-weight ratio for
  120. U.S. weapons has probably come close to the practical limit owing to
  121. various unavoidable inefficiencies in nuclearweapon design (primarily
  122. arising from the fact that it is impossible to keep the weapon from
  123. disintegrating before complete fission or fusion of the nuclear explosive
  124. has taken place). Yet even the lowest yield-to-weight ratio of a pure 
  125. fission weapon is orders of magnitude higher than the ratio of chemical
  126. explosives.
  127.  
  128.      Indeed, the discharge of energy from a detonated nuclear weapon is so
  129. massive and violent that it immediately vaporizes and ionizes the weapon
  130. itself, converting it into plasma: an extremely hot gas of positively
  131. charged ions and negatively charged electrons. In addition substantial
  132. quantities of gamma rays and neutrons are emitted as by-products of the
  133. fission and fusion reactions. The kinetic energy of the weapon-debris
  134. plasma as well as the nuclear emanations constitute what could be called
  135. the primary effects of a nuclear explosion; they arise in any nuclear
  136. burst, regardless of the environment in which it takes place.
  137.  
  138.      Plasma at the temperatures prevailing just after a nuclear explosion
  139. radiates X rays. Indeed, about 70 percent of the energy emitted in the
  140. first few microseconds after an explosion consists of this radiation. The
  141. exact fraction of the total explosive energy released in the form of
  142. primary X rays tends to increase with the yield-to-weight ratio, since the
  143. ratio determines the overall temperature of the weapon-debris plasma. The
  144. greater the amount of energy dissipated in the form of X rays, the less the
  145. kinetic energy of the expanding weapon-debris plasma. A typical plasma
  146. velocity for a thermonuclear weapon with a high yield-to-weight ratio would
  147. be about 1,000 kilometers per second, representing some 10 percent of the
  148. total explosive energy.
  149.  
  150.      Gamma rays that are emitted within a second or so of the explosion
  151. (so-called prompt gamma rays) account for about 3.5 percent of the total
  152. energy released by fission and for as much as 20 percent of the energy
  153. released from some cycles of thermonuclear reactions. In current types of
  154. nuclear explosives all but a few percent of these gamma rays are absorbed
  155. within the weapon. The kinetic energy of excess neutrons accounts for about
  156. another 1.8 percent of the energy released by fission and, depending on the
  157. type of thermonuclear fuel, between 40 and 80 percent of the energy
  158. released by fusion. High-energy neutrons, however, tend to be slowed down
  159. by inelastic scattering or collision with light elements in the materials
  160. of implosion systems. The average energy of the neutrons that actually
  161. escape capture in the weapon materials and are released into the
  162. environment is therefore typically much lower. This effect is particularly
  163. pronounced in thermonuclear weapons, since the fuel consists of light
  164. elements. Indeed, in such weapons the energy of the neutrons is
  165. deliberately deposited within the thermonuclear fuel, since neutrons play a
  166. vital role in maintaining the elevated temperatures needed to achieve high
  167. reaction rates.
  168.  
  169.      Most nuclear-weapon development for the past 40 years has not had the
  170. aim of significantly enhancing or suppressing particular forms of energy
  171. other than by adjusting the relative amounts of fission and fusion taking
  172. place in the warhead. One exception is the so-called neutron bomb [see
  173. "Enhanced-Radiation Weapons,' by Fred M. Kaplan; SCIENTIFIC AMERICAN, May,
  174. 1978]. A nuetron bomb is a low-yield thermonuclear explosive specifically
  175. designed for an increased output of high-energy neutrons per kiloton of
  176. total yield. It is intended to be a nuclear antipersonnel weapon that
  177. produces minimal concomitant blast damage and radioactive fallout.
  178.  
  179.      Yet just as a nuclear weapon can be designed to enhance its output of
  180. primary neutrons at the expense of blast and radioactive fallout, virtually
  181. any other primary energy released by a nuclear explosive could similarly be
  182. enhanced by placing appropriate materials in suitable geometries close to
  183. the explosive. Significant control over the amount and energy of
  184. X-radiation, for example, could be achieved by changing the average
  185. molecular weight of the materials in the weapon, the weapon's exterior
  186. surface area and the way the energy generated in its core is distributed
  187. over the expanding front of weapon debris after detonation.
  188.  
  189.      Changes in the design of thermonuclear weapons could also
  190. substantially increase the energy accounted for by prompt gamma rays. One
  191. possibility is to encase the weapon with an isotope that, when it is
  192. bombarded with neutrons, emits gamma rays. In this way excess fission or 
  193. fusion neutrons escaping from the weapon's core could induce the emission
  194. of gamma rays, nearly half of which would leave the expanding explosion
  195. debris. (The other half would radiate inward and be absorbed by the debris
  196. material.)
  197.  
  198.      The quantities of radioactive fission products (the main component of
  199. fallout) among the weapon debris could similarly be controlled over very
  200. wide ranges, particularly for thermonuclear weapons with yields greater
  201. than a few hundred kilotons. Furthermore, by blanketing the weapon with
  202. isotopes that, when they are irradiated with neutrons, produce radioactive
  203. nuclei having selected half-lives and decay modes, the lethality of the
  204. radioactive fallout could be increased.
  205.  
  206.      The effects of a nuclear explosion could also be made directional in
  207. the same way high-explosive devices such as conventional shaped charges can
  208. produce armor-penetrating jets of molten metal or directional shrapnel. By
  209. considering how explosive charges of nonspherical shape release their
  210. energy some insight can be gained on how this could be done [see
  211. illustration on next page].
  212.  
  213.      Detonating a disk of high explosive all at once, for example, causes
  214. the explosion products to be flung out in a characteristic double-cone
  215. pattern. The reason is that the velocity of the explosion products in a
  216. direction perpendicular to the disk's two surfaces will be higher than
  217. their radial velocity. The apex angle of the cones will
  218. direction perpby
  219. the ratio of the thickness of the disk to its diameter. The average total
  220. kinetic-energy flux (energy per unit area per unit time) of the explosion
  221. products crossing a plane perpendicular to the axis of the double cone
  222. could therefore be considerably greater than it would be if the same mass
  223. of high explosive expels its products spherically. If the average velocity
  224. of the explosion products in the direction of the cone's axis is 40 times
  225. their average radial velocity (corresponding to a cone angle of about three
  226. degrees), the enhancement factor would be about 3,000.
  227.  
  228.      Another example is the detonation of a long, thin cylinder of high
  229. explosive. In this case the highest explosion-product velocities would be
  230. perpendicular to the axis of the cylinder. Hence the explosion products
  231. would tend to preserve a cylindrical pattern; the energy-flux enhancement
  232. factor in this example tends to be smaller than the factor in the preceding
  233. one.
  234.  
  235.      A final example is a charge of high explosive that is tamped, or
  236. restricted, by dense material in all directions except forward. In such a
  237. case the explosion products would be projected primarily forward. The
  238. additional weight entailed by the inert mass around the explosive is more
  239. than balanced by the concentration of the energy through the opening in the
  240. tamper. That is why a rifle bullet can produce much greater damage to a
  241. target than the detonation of a mass of high explosive having the same
  242. weight as the rifle.
  243.  
  244.      Of course, nuclear reactions release many more forms of energy at much
  245. higher intensities than chemical high explosives, including gamma rays, X
  246. rays, neutrons and a wide variety of radioactive nuclei. It is clear that
  247. even nuclear explosives of very low yield offer many more opportunities
  248. than chemical explosives to produce such directional effects.
  249.  
  250.      Most of a nuclear explosion's lethal effects are actually secondary
  251. effects resulting from the interaction of the kinetic energy of the
  252. weapondebris plasma and the initial radiation (namely X-radiation) with the
  253. medium in which the detonation takes place. Hence many nuclear-explosion
  254. phenomena of military interest are determined by properties of the medium
  255. such as its pressure, density and composition. It is the variations in
  256. these properties that account for the widely divergent responses associated
  257. with nuclear bursts in space, in the atmosphere, on the surface of the
  258. earth and below the earth's surface. By choosing the appropriate primary
  259. effects to be enhanced or suppressed, depending on the prevailing
  260. environmental conditions, the secondary effects of the weapon can be more
  261. efficiently transmitted to targets. 
  262.  
  263.      Because space is essentially empty, there is no medium with which to
  264. interact, and the primary products of a nuclear explosion (X rays,
  265. weapondebris plasma and nuclear radiation) continue to travel in the same
  266. directions in which they were released until they hit something or are
  267. deflected by the earth's magnetic or gravitational field (depending on
  268. whether they have respectively electric charge or mass). That is why
  269. initial asymmetries in the distribution of mass in an explosive set off in
  270. space tend to be preserved out to great distances in the pattern of the
  271. energy radiated.
  272.  
  273.      If a nuclear explosive is detonated above the atmosphere but within
  274. the earth's magnetic field, the plasma expanding in directions more or less
  275. perpendicular to the magnetic field lines will distort the field. When this
  276. happens, a large fraction of the kinetic energy in the weapon debris is
  277. converted into electromagnetic energy, resulting in the emission of a
  278. sudden burst of radiation with a broad range of wavelengths --from a few
  279. meters to hundreds of kilometers or more. Such an electromagnetic pulse
  280. (EMP) can represent a substantial fraction of the total energy of the
  281. explosion and can propagate with little attenuation through the atmosphere
  282. to the earth's surface.
  283.  
  284.      Nuclear explosions in space or in the high-altitude regions of the
  285. atmosphere can produce another type of EMP. In this case gamma or
  286. high-energy X rays striking the upper part of the atmosphere cause
  287. electrons to be ejected from air molecules. Such a sudden cascade of
  288. electrons is equivalent to a huge surge of electric current. Since the
  289. current would not be spherically symmetrical (it would flow predominantly
  290. in the direction of higher air density, namely downward) and would vary
  291. with time, it would generate transient magnetic fields that in turn would
  292. produce electromagnetic radiation in the form of an EMP.
  293.  
  294.      As a result of the approximately exponential increase in the density
  295. of the atmosphere with decreasing altitude, much of the energy radiated
  296. downward by a nuclear explosion above the atmosphere is deposited in the
  297. atmosphere's upper reaches. Deposition of this energy can sometimes produce
  298. severe secondary effects that then propagate to the surface of the earth. X
  299. rays and weapon debris at sufficiently high fluences (total energy per unit
  300. area) can, for example, heat the atmosphere to such high temperatures that
  301. it radiates visible light and infrared radiation. Gamma rays, neutrons and
  302. X rays released by the weapon, as well as the decay products of
  303. radionuclides, can directly or indirectly generate electric currencts in
  304. the layer of the atmosphere where they deposit their energy. These currents
  305. can then generate other EMP's whose wavelengths and instantaneous power
  306. levels extend over a very wide range. Heating of the atmosphere can also
  307. initiate complex chemical reactions that affect its transmission and
  308. reflection of radio waves.
  309.  
  310.      In the lower atmosphere, underground or underwater the primary
  311. X-radiation leaving an exploding nuclear weapon is absorbed by the atoms
  312. and molecules of the surrounding medium within a few meters of the point of
  313. detonation. Consequently the medium is quickly heated, forming a fireball,
  314. which in turn reemits electromagnetic radiation of lower frequencies. Most
  315. of this radiation is in the visible and infrared regions of the spectrum
  316. and can travel considerable distances through the air.
  317.  
  318.      The radiative energy also combines with the kinetic energy of the
  319. outwardly expanding plasma to produce a pressure impulse of tremendous
  320. force on the surrounding medium. Such an impulse forms a shock, or blast,
  321. wave that propagates through the medium. The denser the medium, the greater
  322. the amount of energy transformed into the shock wave. Hence for explosions
  323. in water or earth a larger percentage of the explosion's energy is
  324. converted into a shock wave than is the case for explosions in air.
  325.  
  326.      Surface, subsurface or very-low-altitude explosions can also fling
  327. huge quantities of dust, crater debris, manmade structures or water into
  328. the air that can directly or indirectly cause considerable destruction.
  329. Moreover, much of this material is likely to be rendered radioactive,
  330. thereby severely contaminating extensive areas through fallout. 
  331.  
  332.      Forms of energy that are not normally released as primary or secondary
  333. effects can also be generated from the vast energy supply provided by a
  334. nuclear burst. Furthermore, such energy can be channeled into small
  335. emission angles. The key question about such weapons (which cannot be
  336. answered in detail here because the subject is classified) is how to
  337. convert a substantial fraction of the energy of a nuclear explosion into a
  338. particular energy that can be emitted with high directional enhancement.
  339. Suffice it to say that electromagnetic energy with wavelengths typical of
  340. gamma rays, X rays, visible light and microwaves can be focused by the
  341. equivalent of lasers: devices that cause the atoms or molecules of a
  342. material to radiate in phase. Longer-wavelength radiation can be emitted
  343. directionally if such weapons are equipped with the equivalent of antennas.
  344. The problem in either case is how to channel the torrential flow of energy
  345. from a nuclear explosion into an energy-conversion and -direction device in
  346. the few microseconds before the entire weapon assembly disintegrates.
  347. Another option, which may simplify the problem somewhat, is to set off
  348. nuclear devices in a reusable containment structure from which the
  349. explosive energy could then be tapped. Such structures, designed to
  350. withstand explosions with yields of up to perhaps one kiloton, have in fact
  351. been under study for several decades. The Lawrence Livermore National
  352. Laboratory has recently considered a proposal to construct such a chamber
  353. in which a variety of nuclear effects could be studied.
  354.  
  355.      For ground-based weapons intended to attack targets in space the
  356. weight of the needed equipment is not critical; for space-based weapons it
  357. is, however. It is therefore to be expected that the technical approaches
  358. for developing ground-based directed-energy nuclear weapons will be
  359. different from those required for similar weapons in space. Some advantages
  360. that ground-based weapons have over weapons placed in space include
  361. avoidance of treaties banning nuclear weapons in space, accessibility to
  362. large and heavy conversion equipment (with associated higher directivity
  363. and greater efficiency of conversion of the explosion energy into the form
  364. radiated), much lower cost and possible reusability of the equipment.
  365.  
  366.      Conversion of the explosion energy into more tractable
  367. electrical-energy pulses can be accomplished by magnetohydrodynamic
  368. generators: devices that convert a plasma's kinetic energy directly into
  369. electricity. (Such devices have been proposed for converting fusion energy
  370. in a power reactor into electricity.) The pulses of electrical energy could
  371. then drive devices for conversion of the electricity into electromagnetic
  372. radiation (with or without an attendant self-destruction of the device)
  373. that could be tightly focused toward targets in space. In most cases the
  374. low efficiency of such energy conversion can be more than compensated for
  375. by a high degree of focusing in the direction of a target.
  376.  
  377.      An extremer possibility is the use of a relatively small nuclear
  378. explosion deep underground to accelerate very large projectiles through the
  379. equivalent of a cannon barrel. These so-called hypervelocity projectiles
  380. would reach velocities close to earth-escape velocity (about 10 kilometers
  381. per second). Appropriately shaped, compact projectiles can thus penetrate
  382. the atmosphere in a way that is somewhat analogous to penetration of the
  383. atmosphere by large meteorites. Such proposals were studied as long ago as
  384. the late 1950's as a method for placing massive loads of materials in space
  385. at relatively low cost.
  386.  
  387.      The kinetic energy of, say, 10 tons of material moving at 10
  388. kilometers per second is the equivalent of about 100 tons of TNT. This
  389. suggests that reasonably efficient use of a nuclear explosion with a yield
  390. in the vicinity of one kiloton could provide more than enough propulsive
  391. energy. If the "cannon barrel' were a few hundred meters long, the average
  392. acceleration of the projectile would be on the order of 10,000 times the
  393. acceleration of the earth's gravity, which is not beyond the strain-bearing
  394. capacity of a compact, high-density projectile. Subsequent fragmentation of
  395. such a projectile into solid chunks or liquid droplets could make it a
  396. highly effective weapon for destroying satellites or ballisticmissile
  397. warheads in space.
  398.  
  399.      Another possibility is to design nuclear weapons so that the act of 
  400. detonation itself directly accelerates material on the weapon that
  401. immediately fragments into small pellets or droplets moving at velocities
  402. substantially greater than 10 kilometers per second. Such weapons could
  403. readily focus the hypervelocity fragments into a conical volume, but they
  404. would have to have a mechanism to control the acceleration process in order
  405. to avoid vaporizing the fragments. In addition they would probably be
  406. limited to attacking targets in space or in the upper atmosphere, since at
  407. low altitudes the ranges of such fragments are much less than the distances
  408. at which the detonation's air blast causes severe damage.
  409.  
  410.      The damage an object is likely to suffer when it is exposed to the
  411. gamut of energy types emanating from a nuclear explosion can be roughly
  412. calculated by estimating the type of energy likely to reach the object, the
  413.  
  414.  
  415. way in which damage could be done and in many cases the rate of deposition
  416. of the energy. This aspect of the effects of nuclear explosions is
  417. extremely complex and often not well understood.
  418.  
  419.      Ranges of total energy fluence that can cause temporary malfunction or
  420. permanent damage in military or civilian targets vary over nine orders of
  421. magnitude [see illustration below]. The effects of the longer-wavelength
  422. radiation (such as that produced by an EMP) at the low end of the
  423. energy-fluence scale are the subtlest and the most difficult to assess and
  424. are therefore the most uncertain.
  425.  
  426.      A fluence of .1 joule per square meter is one million times greater
  427. than an easily detectable one-second radio signal emitted by a 10-kilowatt
  428. spherically symmetrical radio transmitter 100 kilometers away. Yet
  429. commercial and military communications and radar transmissions producing
  430. smaller fluences have been known to cause accidental firings of
  431. high-explosive detonators and malfunctions in computers and other
  432. electronic and electrical equipment. These effects would be similar to
  433. those produced by the EMP from nuclear explosions. Indeed, the effects of
  434. electromagnetic radiation on military ordnance have prompted efforts to
  435. protect against it. Some measures include enclosure in conducting shields
  436. and avoidance of components that can be sensitive to even small pulses of
  437. current induced by electromagnetic radiation that has leaked in. Yet these
  438. measures have not always been entirely successful.
  439.  
  440.      Some components of electronic systems, such as transistors, can be
  441. very sensitive to small currents and other effects resulting from gamma-ray
  442. and neutron bombardment. These effects can be minimized by shielding or by
  443. avoidance of highly sensitive components. Yet the general lack of
  444. protective measures in nonmilitary space systems makes them particularly
  445. vulnerable to such nuclear radiation.
  446.  
  447.      Gamma rays, neutrons, high-energy X rays or radionuclides impinging on
  448. targets in space can also cause the target to become charged to a potential
  449. that is on the order of the maximum energy of ejected charged particles. It
  450. is possible that the electric field strength near the surface could reach
  451. values on the order of one million volts per meter, sufficient to induce
  452. malfunctions or permanent damage in some types of internal electrical
  453. systems that are not well shielded.
  454.  
  455.      Unlike neutrons or gamma rays, hypervelocity fragments would pit the
  456. surface of a target. Exceedingly rapid ejection of the material during the
  457. pit formation drives a strong shock wave into the target. Because of their
  458. high velocities, which are up to about 100 times faster than a high-speed
  459. rifle bullet, hypervelocity fragments weighing much less than one gram can
  460. do considerable damage when they are aimed at targets in space.
  461.  
  462.      Visible light or infrared radiation released as a secondary effect
  463. from the heating of the atmosphere primarily causes damage by igniting
  464. combustible materials on the surface of targets. Even if the target surface
  465. is not combustible, nonuniform heating of the surface can nonetheless cause
  466. damage from the resulting thermal stresses.
  467.  
  468.      Incident high-energy X-radiation or weapon-debris plasma damages a
  469. target in space principally by the rapid blowoff of vaporized material from 
  470. the target's surface. If X rays are the agent, the resulting shock can be
  471. transmitted through the outer layers of the object, causing the inside
  472. surfaces to shatter, presuming the time necessary to deposit the incident
  473. energy is short compared with the time required for the shock to reach the
  474. inner surface. Such a process in called spalling. For incident
  475. weapon-debris plasma, however, spalling does not generally occur. The
  476. reason is that it takes too long for the weapon-debris plasma to deposit
  477. its kinetic energy. In any case, the overall momentum transferred inward
  478. from the surface blowoff can result in incapacitating damage even if there
  479. is no interior spalling.
  480.  
  481.      To help make these estimates more accessible, one can consider the
  482. range within which a particular energy carrier can produce destructive
  483. effects [see illustration on this page]. Potentially huge damage ranges
  484. (or, equivalently, large fluences at a given distance) can be readily
  485. achieved by emitting energy within a narrow angle. Microwaves that have
  486. wavelengths between three centimeters and one meter are particularly suited
  487. for such directional enhancement because the atmosphere is essentially
  488. transparent over this range, making it possible to use the radiation for
  489. ground-to-space, space-to-ground and space-to-space applications. Also, the
  490. ranges of the micro-wave-energy fluence needed to cause damage to many
  491. types of military and civilian targets are the lowest of all forms of
  492. electromagnetic radiation.
  493.  
  494.      The military potential of directed microwave beams is therefore
  495. awesome. Suppose, for example, it should become possible to convert 5
  496. percent of the energy released by a one-kiloton explosion into
  497. three-centimeter radiation that is emitted by a 50-meter-diameter antenna
  498. or an equivalent microwave laser. The explosion of such a device in a
  499. 30,000-kilometer geosynchronous orbit would deposit about 800 joules per
  500. square meter over an area of 250 square kilometers on the earth's surface
  501. (larger than the area of Washington, D.C.). This estimated energy fluence
  502. is greater than the level known to cause severe damage to many types of
  503. electrical equipment-- computers, antennas, relays and power lines. Of
  504. course, at much shorter distances the energy fluence would be much larger,
  505. about five million joules per square meter at a distance of 400 kilometers.
  506.  
  507.      The development and deployment of such a microwave weapon would
  508. greatly complicate both offensive and defensive military tactics and
  509. strategy. It could, for example, cause temporary malfunctions or permanent
  510. damage in the complex electronic and electrical equipment that is typically
  511. found in military systems for surveillance, tracking, communications,
  512. navigation and other command-and-control functions. Because the atmosphere
  513. is virtually transparent to microwaves, either the beam-generating device
  514. or the intended target could be based in space, in the atmosphere or on the
  515. earth's surface. In any event, the deployment of such weapons is likely to
  516. undermine confidence in the wartime reliability of strategic and tactical
  517. forces, including those forces that constitute the ultimate deterrent to
  518. nuclear war.
  519.  
  520.      How likely is it that these third-generation nuclear weapons will
  521. actually be developed and deployed? The answer depends largely on the
  522. character and extent of support provided by both the U.S.S.R. and the U.S.
  523. to their respective national weapon laboratories. Since developments in the
  524. military realm of one country invariably elicit emulative responses from
  525. the other, the likelihood strongly depends on what is perceived to be the
  526. pace of the adversary's research and development in this area.
  527.  
  528.      One key indicator of the extent of a country's effort is the frequency
  529. of nuclear testing. If the U.S. continues and the U.S.S.R. resumes
  530. underground nuclear testing even at levels substantially lower than the
  531. 150-kiloton limit stipulated in the Threshold Test Ban Treaty, it will
  532. probably be just a matter of time before these new types of offensive and
  533. defensive nuclear weapons are developed.
  534.  
  535.      Photo: PATTERN of energy emission distinguishes current nuclear
  536. warheads from those likely to be developed in the near future. Current
  537. warheads (top) release their explosive energy in many forms, each of which 
  538. is radiated uniformly outward. Hence the region in which military equipment
  539. would be destroyed or incapacitated for each of the major energy types
  540. (color key above) can be roughly represented as spheres. In contrast,
  541. warheads of future nuclear weapons could be equipped with devices that
  542. suppress, convert and direct energy, enabling a significant fraction of the
  543. explosive energy to be transformed into microwaves that are then
  544. concentrated on targets (bottom).
  545.  
  546.      Photo: ARRAY OF EFFECTS listed in the key at the left could be
  547. militarily exploited by the next generation of nuclear weapons, which would
  548. suppress certain effects, heighten others and perhaps channel them in
  549. certain directions as well. In space (top row) nuclear weapons could
  550. radiate incoherent X rays in all directions (a) or coherent X rays in a
  551. particular direction (b). Microwaves can readily penetrate the atmosphere
  552. and could therefore reach the surface of the earth from space, particularly
  553. if they were concentrated (c). Gamma rays also travel a certain distance
  554. through the air and could be directed to targets in the upper atmosphere
  555. (d). The ionized weapon debris produced by a nuclear explosion above the
  556. atmosphere but within the earth's magnetic field could produce a powerful
  557. pulse of long-wavelength electromagnetic radiation as it distorts the field
  558. (e). A similar effect can be achieved in the atmosphere (middle row): X
  559. rays can knock electrons loose from air molecules to create a sudden
  560. current surge through the air, which results in the emission of the
  561. radio-wave pulse (f). The more familiar neutron-emission (g), air-blast (h)
  562. and incendiary (i) effects of nuclear weapons could also be enhanced.
  563. Targets in space could be engaged by microwaves beamed upward (j). The
  564. energy of subsurface bursts (bottom row) could interact strongly with the
  565. surrounding medium to produce enhanced ground (k) or water (l) shock waves.
  566. The amount and distribution of radioactive fallout from nuclear weapons
  567. could be controlled, depending on the materials chosen to encase the weapon
  568. as well as on whether the weapon is detonated underground (m) or underwater
  569. (n). Finally, the blast of a subterranean explosion could conceivably
  570. propel projectiles through a "cannon barrel' and into space (o).
  571.  
  572.      Photo: FOUR TYPES OF NUCLEAR EXPLOSIVES are depicted schematically;
  573. all but one rely on fission (the splitting of a nucleus by a neutron into
  574. two lighter nuclei). A weapon relying solely on fission for its explosive
  575. energy (a) consists of a core of fissile material (uranium 235 or plutonium
  576. 239) surrounded by chemical-explosive charges and inert structures that
  577. focus the charges' blast energy inward, causing the core to implode and
  578. thereby initiate a runaway fission reaction. The yield of fission
  579. explosives can be "boosted' (b) by placing deuterium and tritium (isotopes
  580. of hydrogen) in them.  The temperatures produced on detonation of a fission
  581. explosive cause the hydrogen isotopes to undergo fusion (the joining of
  582. nuclei), releasing substantial quantities of neutrons, which induce more
  583. fission reactions. In boosted weapons the fusion reaction does not
  584. contribute significantly to the total yield of the weapon. Fusion reactions
  585. can account for most of a nuclear weapon's yield, however, if a substantial
  586. amount of such a thermonuclear fuel as lithium deuteride is exposed to the
  587. energy released by fission (c). An outer shell of normal uranium (uranium
  588. 238) serves to hold the warhead together just a fraction of a microsecond
  589. longer before it blows apart, enabling the nuclear reactions to produce
  590. more energy. Also, when it is irradiated with neutrons produced by fusion,
  591. the U-238 itself undergoes fission. A pure-fusion weapon (d), which
  592. dispenses with a fission trigger by applying laser, electron or ion beams
  593. to implode thermonuclear fuel, reportedly eludes weapon designers.
  594.  
  595.      Photo: ATMOSPHERIC PENETRATION of the energy emitted by a nuclear
  596. burst in space depends on the energy type. Radiation in the microwave,
  597. infrared and visible ranges of the electromagnetic spectrum could reach the
  598. ground with relatively little attenuation.
  599.  
  600.      Photo: SHAPED CHEMICAL CHARGES can eject their explosion products
  601. (primarily blast and weapon debris) in markedly nonspherical patterns. A
  602. flat disk of chemical explosive, for example, emits its products in a
  603. characteristic double cone. Setting off a long, thin cylinder of explosive
  604. produces a cylindrical pattern of emission. Finally, by tamping, or
  605. restricting, the effects of the explosion with inert, dense material in all 
  606. but one direction, the explosive products can be concentrated in that
  607. direction. Nuclear explosives could presumably apply such directional
  608. effects to control the pattern in which their explosive products are
  609. emitted.
  610.  
  611.      Photo: DESTRUCTIVE EFFECTS of different types of energy are listed in
  612. this chart as well as the fluence (total energy per unit area) necessary to
  613. achieve such effects on military equipment. Since relatively small fluences
  614. of microwave or longer-wavelength radiation are sufficient to cause damage,
  615. such kinds of radiation may be the energy types emphasized in
  616. third-generation nuclear weapons.
  617.  
  618.      Photo: MAXIMUM DISTANCE from the detonation of a nuclear weapon at
  619. which damage can be done to military targets in space depends on the type
  620. of energy causing the damage and how much of the total explosive energy it
  621. represents. Two cases are considered: a one-kiloton weapon (black) and a
  622. one-megaton weapon (color). (A kiloton is the energy equivalent of the
  623. detonation of 1,000 tons of TNT; a megaton is 1,000 kilotons.) The bars
  624. indicate the range of damage-radius estimates for plausible
  625. third-generation weapons, whose energies have been enhanced but not
  626. directed. The percentage of the total explosive energy funneled into each
  627. particular energy type is indicated next to each pair of bars. Much greater
  628. damage radii could be achieved if the weapons focus their energy.
  629. 
  630.