Двухосевой радиографический гидродинамический испытательный центр ( DARHT ) — это объект в Лос-Аламосской национальной лаборатории , который является частью программы по управлению запасами Министерства энергетики . Он использует два больших рентгеновских аппарата для записи трехмерных внутренних изображений материалов. В большинстве экспериментов материалы подвергаются гидродинамическому удару для имитации процесса имплозии в ядерных бомбах и/или эффектов сильного гидродинамического напряжения. Испытания описываются как «полномасштабные макеты событий, которые вызывают ядерную детонацию». [1] Мощные импульсные рентгеновские лучи позволяют создавать сверхбыструю кинокартину, показывающую детали изучаемого процесса в трех измерениях. Испытания сравниваются с компьютерным моделированием, чтобы помочь повысить точность компьютерных кодов. Такое тестирование подпадает под категорию докритических испытаний .
Планирование DARHT началось в начале 1980-х годов. [1] Основываясь на успехе ливерморского индукционного линейного ускорителя FXR, в 1987 году Лос-Аламос выбрал тот же тип ускорителя для замены PHERMEX, радиочастотного ускорителя, введенного в эксплуатацию в 1963 году.
Проект стал важным приоритетом после того, как Соединенные Штаты прекратили испытания ядерного оружия в 1992 году. Одобрение капитального ремонта и новой оси происходило поэтапно: первая ось была одобрена для строительства в 1992 году, а вторая ось (первоначально должна была быть близнецом первой) — в 1997 году. Этот план был изменен, когда Министерство энергетики решило, что вторая ось должна обеспечивать не один вид на взрыв, а ряд видов, быстро сменяющих друг друга.
Строительство было остановлено в период с 1995 по 1996 год из-за судебных исков Los Alamos Study Group и Concerned Citizens for Nuclear Safety, двух антиядерных организаций, требовавших, чтобы лаборатория представила Заявление о воздействии на окружающую среду для своего строительства и эксплуатации. Активисты утверждали, что DARHT нарушает Договор о всеобъемлющем запрещении испытаний и, возможно, Договор о нераспространении ядерного оружия , хотя лаборатория и DOE отвергают эту точку зрения.
После завершения строительства в 1999 году ускоритель первой оси вырабатывал электронный импульс длительностью 60 нс с током 2 кА и энергией 20 МэВ, сфокусированный на пятне диаметром 1 мм на мишени — наименьший размер пятна и наименьшая длительность импульса, когда-либо достигнутые при такой интенсивности. [1] В результате качество изображения было примерно в три раза выше, чем на установке FXR в Ливерморе.
Вторая машина (вторая ось) более сложная и, когда ее впервые завершили в 2003 году, она оказалась непригодной к использованию из-за электрического пробоя. [2] Причиной электрического пробоя оказались неожиданно высокие электрические поля между высоковольтной пластиной и масляными магнитными сердечниками, а также в местах, где внутри ячеек встречаются металл, высоковольтный изолятор и вакуум. После тщательного анализа ошибка проектирования была отслежена до неисправного оборудования, используемого при калибровке напряжения. [1]
Потребовалось масштабное проектирование и перестройка, которые были завершены в 2008 году. [3] Первоначально предполагалось, что стоимость проекта в 1988 году составит 30 миллионов долларов, но в конечном итоге расходы выросли до 350 миллионов долларов к 2008 году, когда объект был полностью введен в эксплуатацию. [4] [5]
Во время решающей фазы запуска оружия взрывные заряды, которые окружают ядерное топливо, детонируют в нескольких точках. Результатом является ударная волна, которая движется внутрь ( имплозия ) со сверхзвуковой скоростью, сжимая топливо до все более высокой плотности. Имплозия заканчивается, когда топливо достигает сверхкритической плотности, плотности, при которой ядерные реакции в топливе накапливают неудержимое количество энергии, которая затем высвобождается в виде мощного взрыва. Чтобы сделать макет неядерным, суррогат тяжелого металла (например, обедненный уран или свинец ) заменяет ядерное топливо, но все остальные компоненты могут быть точными копиями. Также могут использоваться субкритические массы плутония. [1]
Под воздействием таких экстремальных сил имплозии материалы ведут себя как жидкости, поэтому этот имитационный имплозий называется гидродинамическим испытанием или гидротестом. Стандартная практика заключается в том, чтобы сделать один снимок с покадровой съемкой внутренней части макета оружия, пока расплавленные компоненты устремляются внутрь со скоростью в тысячи метров в секунду.
Рентгеновские лучи , способные проникать сквозь тяжелый металл в макете оружия, производятся с помощью электронного ускорителя . Электронный луч, движущийся со скоростью, близкой к скорости света, врезается в вольфрамовую мишень. Электроны отклоняются от курса сильным электростатическим притяжением положительно заряженных ядер в атомах вольфрама, и их внезапное изменение направления заставляет их выделять энергию в виде высокоэнергетических рентгеновских лучей в процессе, называемом тормозным излучением .
Ученые уже знали, как использовать короткий всплеск (импульс) высокоэнергетических электронов (а не непрерывный луч), чтобы создать короткий импульс высокоэнергетических рентгеновских лучей, записанных на обычных рентгеновских пленках. Новая задача состояла в том, чтобы ускоритель доставил очень большое количество электронов в чрезвычайно мощном импульсе, чтобы сгенерировать рентгеновскую вспышку, которая может проникнуть в макет во время сверхплотного имплозии. Технические характеристики требуют ширины импульса в 60 миллиардных долей секунды.
Каждый ускоритель электронов состоит из длинного ряда ячеек магнитной индукции в форме пончика, каждая из которых подключена к высоковольтному генератору. Всего в каждом ускорителе их 74, но не все могут быть использованы. В момент запуска каждый генератор разряжает свою мощность, создавая импульс электрического тока через свою индукционную ячейку, который, в свою очередь, создает большую разницу напряжений в зазоре, отделяющем эту ячейку от соседней. Импульс электронного пучка проходит через центральное отверстие ячеек, получая энергетический толчок в 200 кэВ каждый раз, когда он проходит через зазор.
Одной из проблем было проектирование новых индукционных сердечников, которые бы соответствовали ограничениям предыдущего объекта. Группе разработчиков пришлось заменить феррит, используемый в сердечниках первой оси, на « метглас » — тонкие как бумага ленты из аморфного железа. Максимальная напряженность магнитного поля (точка насыщения) в метгласе в пять раз выше, чем в феррите. Магнитная лента была изолирована тонкими слоями майлара и смотана в рулон из 20 000 витков, чтобы сделать гигантские сердечники диаметром шесть футов, шириной четыре дюйма каждый и весом более полутора тонн. Четыре сердечника помещались в каждую индукционную ячейку. [1]
Возможно, наиболее значительным техническим достижением, достигнутым на объекте DARHT, являются высокоскоростные камеры [6], используемые для получения изображений рентгеновских лучей на второй оси. Эти камеры используют самую большую в мире решетку кристаллов LSO для преобразования рентгеновских лучей в видимый свет, которые затем отображаются с помощью самых высокоскоростных ПЗС в мире (разработанных совместно MIT и Лос-Аламосом) со скоростью более двух миллионов кадров в секунду. Эти сцинтилляционные камеры дополнительно дополнены большой антирассеивающей сеткой («Bucky») для улучшения контрастности изображения. Уникальное сочетание диагностики решает технические проблемы наблюдения, которые сохранялись со времен Манхэттенского проекта, что позволяет Соединенным Штатам утверждать более высокую уверенность в эффективности и запасах безопасности своего ядерного арсенала без необходимости проведения ядерных испытаний.
В статье использованы материалы, являющиеся общественным достоянием, с веб-сайтов или документов Министерства энергетики США .
35°50′02″с.ш. 106°18′09″з.д. / 35,83389°с.ш. 106,30250°з.д. / 35,83389; -106,30250
