Американські лабораторії проводять перевірку ядерних запасів
На розгалуженому кампусі Лос-Аламосської національної лабораторії є лісиста місцевість, де вчені імітують перші моменти ядерного вибуху. Тут, на установці для двовісного радіографічного гідродинамічного випробування (DARHT), вони підривають моделі плутонієвих сфер розміром з м’яч для боулінгу, або «ям» у центрі бомб, і роблять рентгенівські знімки результатів.
У реальній зброї зазвичай використовується вибухівка, яка спричинює вибух плутонію в спеціальній ямі, що призводить до критичної щільності та запуску ланцюгової реакції розщеплення. Енергія, що виникає при цьому, сприятиме злиттю ізотопів водню на другому етапі зброї, що ще більше збільшить кількість нейтронів, які розщеплюватимуть додаткове паливо для подальшого ділення.
Цей процес з’їдає частину маси атомів і, згідно з E=mc 2 , відомим рівнянням Альберта Ейнштейна, вивільняє шалену кількість енергії. Тому боєголовка довжиною близько 1 метра може вибухнути з силою мегатонни тротилу. Якщо його впустити на таке місто, як Вашингтон, округ Колумбія, він миттєво випарує територію понад 2,5 кілометрів у поперечнику, а будинки, що знаходяться набагато далі, зім’яте своїм радіоактивним вибухом. Це може вбити майже півмільйона людей і поранити та й захворіє майже стільки ж.
Експерименти DARHT відбуваються в сталевій посудині, що має форму водолазного дзвона. Імітаційні ями, виготовлені з щільних металів, таких як свинець, тантал або збіднений уран, мають властивості, подібні до плутонію, без його схильності до розщеплення. Коли заряди вибухівки детонують, два перпендикулярні пучки рентгенівського випромінювання документують імплозію ями, як високошвидкісні камери. Науковці-збройовики порівнюють ці фотографії із секретними суперкомп’ютерними симуляціями вибухів бомб, щоб побачити, наскільки добре збігаються реальний і цифровий світи.
Такі об’єкти, як DARHT, були важливими з 1992 року, коли три збройові лабораторії Міністерства енергетики (DOE) — Лос-Аламос, Ліверморська національна лабораторія Лоуренса та Національна лабораторія Сандіа — припинили повноцінні випробування ядерної зброї. До 1996 року Сполучені Штати підписали Договір про всеохоплюючу заборону ядерних випробувань, який не лише зупинив екологічну шкоду від ядерних випробувань, але й позбавив стимулів до створення нових зразків зброї.
Однак без випробувань єдине, що гарантує роботу боєголовок, — це такі засоби, як DARHT, комп’ютерне моделювання за допомогою «кодів зброї» та кеш даних зі старих часів ядерних випробувань. Для відносно незначних змін у старій зброї — нових запалів, нових дозаправок ізотопу водню тритію — цього було достатньо. Щороку Національна адміністрація ядерної безпеки (NNSA) Міністерства енергетики США та Міністерство оборони сертифікували запаси, оцінка, яка означає, що вони переконані, що зброя працюватиме тоді, коли вона повинна, як вона повинна, і нічого не робитиме коли вони не повинні. «Оскільки ми підірвали так багато з них, ці речі неймовірно надійні», — каже Джефф Вілсон, директор Центру оборонної інформації в Проєкті державного нагляду, який стверджує, що витрати на ядерну зброю слід скоротити.
Але зараз відбувається капітальний ремонт запасів, найбільший за останні десятиліття. Цього фінансового року NNSA має рекордний бюджет у 22,2 мільярда доларів. Значна частина грошей піде на виробництво нових плутонієвих ям для заміни тих, що є в арсеналі, і на модернізацію чотирьох боєголовок. П’ята зброя під назвою W93 — боєголовка, що запускається з підводного човна — це нова програма розробки. «Це справді перша програма боєголовок, яку ми маємо після закінчення холодної війни», яка не є продовженням терміну служби чи модернізацією існуючої зброї, — каже Марвін Адамс, заступник адміністратора NNSA з оборонних програм.
Робота стала більш актуальною, оскільки спокій після холодної війни знову став бурхливим. Росія відмовилася від свого єдиного основного договору про контроль над озброєннями, який залишився зі Сполученими Штатами, водночас регулярно погрожуючи ядерною зброєю під час вторгнення в Україну. Вважається, що Китай нарощує свої запаси, а Іран і Північна Корея продовжують зміцнювати ядерні програми. «Усі спали протягом 25 років», — каже Чарлі Наклех, голова відділу фізики зброї в Лос-Аламосі. «Я думаю, ми зараз прокинулися».
Вілсон стурбований тим, що міжнародна динаміка та реформа США можуть зрештою призвести до відновлення випробувань бомб, повернувши їх небезпеку та розпалюючи нові перегони озброєнь. «Мені це не незбагненно, про що страшно говорити». Одна справа налаштовувати зброю з глибокою спадщиною. За його словами, інше – зробити висновок про функціональність модифікованої зброї, яка ніколи не була повністю перевірена.
Фізики зброї в лабораторіях впевнені, що зможуть вдосконалити чинну зброю та розробити нову без випробувань. Їхнє комп’ютерне моделювання значно перевершує ті, що були в минулому, а експерименти, подібні до DAHRT, є потужнішими.
«Чи спроєктували б ви нову машину Формули-1, не беручи її на трасу? Або ви б сконструювали новий лайнер Boeing, не літаючи спочатку?» — запитує Роб Нілі, директор програми Лівермора з моделювання зброї та обчислень.
У випадку ядерної зброї та плутонієвих ям, каже він, відповідь виглядає так: «Насправді так».
У міру вдосконалення моделювання та експериментів вони також виявили прогалини в ядерних знаннях і наближення в кодах, які не оновлювалися десятиліттями. Попри сумніви, Нілі сповнена впевненості. «Ці речі не тільки працюватимуть, але й працюватимуть краще».
ПРОСТА ЗАМІНА плутонієвих ямок бомб ставить перед наукою завдання: зрозуміти, як тонкі зміни впливають на їх поведінку. Їх непросто зробити, частково через те, що плутоній, метал, який існує лише з 1940 року, загадковий і з ним важко поводитися. Останній раз, коли хтось робив ями в масштабі — у 1980-х роках на заводі Рокі Флетс у Колорадо — підрядник DOE був закритий за екологічні порушення та змушений був заплатити 18,5 мільйонів доларів штрафу.
Цього разу NNSA розподіляє виробництво між Лос-Аламосом і Саванна-Рівер Сайтом у Південній Кароліні. Їм було доручено будувати 80 нових ям на рік до 2030 року, термін, який NNSA визнає, що не встигне.
Ями Лос-Аламоса будуть створені на об’єкті під назвою PF-4, комплексі будівель високого рівня безпеки, оточених циклонними парканами з колючим дротом. Всередині PF-4 знаходяться бардачки — робочі станції, захищені від радіації, де працівники використовують товсті рукавички та вдивляються крізь скляні вікна, щоб маніпулювати екзотичним металом. Лабораторія наймає тисячі працівників, і її перша шахта, ймовірно, буде готова для зберігання наступного року.
Гігантські зусилля мотивуються простим фактом: багатьом нинішнім шахтам понад 40 років, і плутоній поводиться незрозумілим чином під час старіння та радіоактивного розпаду. У міру окислення поверхні на ньому з’являється зелений пухнастий наліт. Атоми в його металевій решітці збиваються з місця, коли він викидає ізотопи урану. Його розміри змінюються, коли він прослизає між шістьма різними твердими фазами. І ямки не обов’язково деградують плавно.
«Ми знаємо, що в якийсь момент буде нелінійна частина», — каже Девід Кларк, директор Освітнього центру національної безпеки в Лос-Аламосі та редактор Довідника з плутонію . «Ми просто цього не бачили».
Поки що сріблясті кулі, здається, тримаються. Внутрішні та зовнішні оцінки підтвердили їх цілісність , припускаючи, що ями можуть залишитися життєздатними десятиліттями. «Ми не бачили жодних проблем, — каже Кларк.
Але Джейсон, таємна група фізиків, які консультують уряд з питань національної безпеки , висловила занепокоєння, що підштовхнуло Міністерство енергетики. У звіті за 2019 рік група закликала агентство відновити кар’єрне виробництво «якомога швидше», щоб «пом’якшити потенційні ризики, пов’язані зі старінням Pu».
Можна подумати, що нові ями полегшать сертифікацію запасів, уникнувши невизначеності старіння плутонію. Але вони приходять із власною невизначеністю. Нові ями не будуть близнюками своїх попередників, тому вчені-зброєзнавці повинні зрозуміти, як зміни змінюють поведінку ями. Вони виготовляються з використанням переробленого та очищеного плутонію зі старих шахт, а не свіжого матеріалу, на відміну від оригіналів. Крім того, вони виготовлятимуться за різними процесами, а в деяких випадках розроблені відповідно до дещо інших специфікацій.
У ПЕВНОМУ СПОСІБІ зрозуміти поведінку ядерної зброї стало важче, оскільки науковці стали кращими у своїй роботі. Симуляції вищої якості, які дають змогу використовувати дедалі потужніші суперкомп’ютери, іноді виявляють нові проблеми. Це було у випадку з «фізикою посилення», або процесами, що відбуваються на першому етапі термоядерної бомби, де розщеплення плутонію запускає реакції синтезу в дейтерієво-тритієвому прискорювачі, що вивільняє нейтрони, які викликають більше поділу в отворі зброї.
Довгий час моделювання не могло відтворити те, що фізики бачили в даних підземних ядерних випробувань без застосування цифрових факторів помилки. У 2006 році вчені збільшили роздільну здатність моделювання. «І, ось, ми знайшли, очевидно, кілька цікавих речей, які змусили купу людей почухати голови», — каже Нілі. Це допомогло започаткувати роки досліджень у програмі під назвою National Boost Initiative, яка мала на меті зрозуміти фундаментальну фізику термоядерного горіння та включити більш базову фізику в моделювання, а не покладатися на калібрування та наближення.
Нілі каже, що надокучливі наближення нечіткі для всіх кодів зброї. Одна з них властива природі моделювання. Усі вони є «сітчастими» — змодельовані у вигляді сітки, як пікселі в цифровому зображенні. У кожному елементі сітки фізичні властивості вважаються однаковими. Сітка стає дедалі витонченішою, але все ще не є точним відображенням реальності.
«Ви просто можете отримувати кращі наближення, — каже Нілі, — але все одно наближення».
Існує також нечіткість у фізиці, яка керує моделюванням. Щоб зробити симуляції більш ефективними, вчені часто покладаються на математичні трюки та наближення, а не на чіткі рішення з перших принципів.
Крістофер Фраєр, керівник Центру нелінійних досліджень Лос-Аламоса, виявив, що коди зброї все ще містять обчислювальні трюки, створені десятиліттями тому світилами Манхеттенського проєкту, такими як Ганс Бете та Річард Фейнман.
«Замість того, щоб покладатися на них як на розумних людей, нам знову доведеться бути розумними», — каже він.
Часи буму
Три збройові лабораторії Міністерства енергетики США отримують мільярди доларів на модернізацію чотирьох видів зброї. Нова програма розробки, W-93, може призвести до створення першої нової зброї з 1988 року.
| ІМ’Я | ОНОВЛЕННЯ |
|---|---|
| W93 | Буде прийнятий на озброєння до 2040 року і запускатиметься з підводних човнів |
| W88-Alt-370 | Зміни в озброєнні W88 для підводних човнів замінять деталі, додадуть блискавкозахист і замінять звичайну вибухівку. |
| W87-1 | Заміна наземного W78, W87-1 матиме покращені функції безпеки та використовуватиме нечутливу вибухівку. |
| W80-4 | Ця зброя продовжить термін служби авіаційної ракети W80-1. Він був розроблений спільно з ВПС, які розробляють системи доставки. |
| B61-12 | Програма продовження терміну експлуатації для заміни всіх чотирьох варіантів повітряного десантування B61. Він матиме маневрені плавники, що забезпечить краще націлювання, що дозволить конструкторам зменшити врожайність. |
Один із рецептів Бете, який досі вмішується в деяких моделях термоядерного синтезу, передбачає рух заряджених частинок. Рецепт припускає, що якщо частинка проходить відстань X, вона втрачає енергію Y — свого роду середнє розсіювання, яке не завжди є реалістичним, особливо в реакціях, які відбуваються швидко.
«Це так добре відповідає даним, поки ви не виявите, що це не так», — каже Фраєр. Його заміна може означати симуляцію кожної частинки та її деталей — надто важке завдання навіть для новітніх суперкомп’ютерів. «Ось чому ми цього не зробили», — каже Фраєр.
Але іншу наближену фізику можна було б замінити кращими чи точнішими формулами. Фізик-теоретик з Лос-Аламоса Марк Періс працює над чисельним підходом до вирішення нелінійних диференціальних рівнянь, які пульсують у кодах зброї.
«Ви фактично розв’язуєте систему рівнянь, яка керує системою, — каже він, — а не пастишу фізичних механізмів, які приблизно виведені із системи рівнянь».
Проте моделювання не може бути єдиним інструментом, який використовується для розуміння бомб. Усі люди, навіть фізики, які займаються зброєю, є оповідачами, каже Нахле, і моделювання допомагає їм створювати впевнені оповіді. Але це може бути лише так далеко.
«У якийсь момент, — каже Наклех, — вам доведеться зробити крок у невідоме — зайти в темну кімнату й подивитися: «Що мав сказати експеримент?»
ЦЕ СУТЬ дорогих, потужних зусиль, таких як DARHT. Щоб допомогти прояснити внутрішню роботу первинних бомб, Лос-Аламос хоче збільшити кількість тестів DARHT на рік, наразі сім, і покращити свої можливості зображення, щоб можна було робити більше рентгенівських знімків під час будь-якого тесту.
Другий об’єкт, підземний комплекс у Неваді під назвою U1A, також реконструюється. Незабаром він стане домом для Enhanced Capabilities for Subcritical Experiments (ECSE), установки, в якій вчені вибухають справжній плутоній, навшпиньки рухаючись до ланцюгової реакції, фактично не запускаючи її. У ECSE вчені зроблять рентгенівські знімки масштабних моделей ям, коли вони руйнуються, і дослідять, як поводяться нейтрони в ті вирішальні моменти перед ядерною детонацією. Оскільки потужності ядерної вибухової речовини немає, такі експерименти технічно відповідають умовам договору про заборону випробувань.
Мабуть, найвідомішим експериментальним майданчиком є Ліверморський національний запалювальний завод (NIF), який фокусує 192 лазерні промені на мішень розміром з наперсток, що містить ізотопи водню, щоб викликати крихітні термоядерні вибухи. NIF створює температуру та тиск, яких немає більше ніде на Землі, каже Лора Берзак Хопкінс, заступник директора програми інтегрованої науки про зброю в Ліверморі.
«Ці умови — умови астрофізичних тіл — центр Юпітера, ядро Сонця», — каже вона.
NIF привернув заголовки газет у 2022 році, коли він виробляв більше енергії від наперстка, ніж лазери, що стало важливою віхою для цивільних зусиль з виробництва енергії термоядерного синтезу. Але досягнення відбулося приблизно на десятиліття і мільярди доларів пізніше, ніж спочатку очікували вчені. І вони все ще не можуть точно передбачити, скільки енергії вони отримають від даного удару термоядерного синтезу.
«Ми не знаємо фізики, — каже Фраєр. Ця фізика важлива для розуміння термоядерних компонентів зброї, а також для того, як вони самі витримають ядерний вибух, галузь досліджень, яка називається «живучість зброї».
НЕЗВАЖНО ВІД ТОГО, НАКІМ ДОБРИМ буде поєднання теорії, моделювання та експерименту, воно, ймовірно, ніколи не зможе повністю відобразити те, що відбувається зі зброєю, каже Накле.
«Всезнання буде далеко», — каже він. «Ідея полягає в тому, щоб максимально розсунути цю межу знань».
Ці знання важливі не лише для підтримки арсеналу. Для трансляції світу також важливо, щоб країна знала, що зброя працюватиме. Ядерне стримування — ідея про те, що одна країна може запобігти атакам, погрожуючи нападом подібного масштабу — діє лише в тому випадку, якщо інша країна дійсно вважає вашу загрозу правдивою.
В епоху вибухових ядерних випробувань передати це повідомлення було просто. Інші країни можуть вловити сейсмічний сигнал від вибуху, що струсить Землю за півсвіту. Це не залишило жодних сумнівів у наших супротивників чи союзників, каже Адамс. Без тестів Сполучені Штати мають висловлювати впевненість у тихіший спосіб.
«Якщо ви можете довести їм, що достатньо добре розумієте цю фізику, ви не блефуєте», — каже Фраєр.
Це одна з причин, чому національні лабораторії також працюють над несекретною, фундаментальною наукою, яка збігається з наукою про зброю, такими як утворення зірок і наднові. Вчені лабораторії можуть опублікувати цю роботу, розповісти про неї, наклеїти на плакат на міжнародній конференції. У цьому сенсі, каже Фраєр, Центр теоретичної астрофізики Лос-Аламоса «є стримуючим фактором».
Проте дехто все ще сумнівається, чи й надалі ця розповідь, заснована на фізиці, належним чином замінить випробування в ході капітального ремонту зброї.
«Все добре і добре, що інженери сказали: «Бум, ось ця нова боєголовка. Ми дуже впевнені, що це працює», — каже Вілсон. Це може бути недостатньо певним для військових. У певний момент, каже Вілсон, хтось може сказати, що «дешевшим способом зробити це буде «Давайте просто підірвемо один».»
І є певний політичний апетит до випробувань: наприклад, сенатор Том Коттон запропонував країні вийти з договору про заборону випробувань. У 2020 році він запропонував внести поправку до Закону про дозвіл на національну оборону, яка передбачає фінансування підготовки до потенційних ядерних випробувань. Він був прийнятий Сенатом, але версія законопроєкту Палати представників забороняла такі витрати.
За його словами, відмова від будь-яких спроб тестування спонукає Фраєра глибше досліджувати фізику.
«Для мене це зводиться до «Я не хочу відновлювати тестування», — каже він. Якщо альтернативою є краще розуміння фізики, нехай так і буде.
