Британская программа обеспечения боеспособности ядерных боеприпасов при их длительном хранении. Гидродинамика.

При взрывном сжатии первичной ступени ядерного боеприпаса ее компоненты (включая плутониевое ядро) деформируются с очень высокой скоростью. В этих условиях их поведение подобно поведению жидкостей, которое описывается законами гидродинамики и активно изучается специалистами, работающими на объектах комплекса AWE. Эксперименты, проведенные указанными специалистами, включают в себя взрывное сжатие материалов с целью наблюдения развития процессов возникновения ударных волн и поведения материалов в местах соприкосновения компонентов.

Эксперименты, требующие проведения взрывов, осуществляются внутри прочных установок, специально спроектированных таким образом, чтобы весь ход эксперимента и полученные в его результате продукты гарантированно не выходили бы за пределы этих установок. В подобных экспериментах, как правило, используются материалы-имитаторы, такие как тантал или свинец, однако по причине уникальных свойств плутония небольшое число экспериментов по необходимости проводится с использованием плутония. В этих случаях делящийся материал используется в количествах, намного меньших, чем те, что необходимы для высвобождения атомной энергии. Помимо экспериментов, запланированных к проведению на объектах и установках комплекса AWE, дополнительные эксперименты выполняются в сотрудничестве с оружейными лабораториями США, причем некоторые из этих экспериментов осуществляются на установках Невадского испытательного полигона.

С целью изучения движения ударных волн сквозь материал высокой плотности специалисты, работающие на объектах комплекса AWE, разработали метод, в котором используются мощные рентгеновские аппараты для получения фотографических снимков эксперимента. Установка комплекса AWE является уникальной в том отношении, что она использует два рентгеновских аппарата совместно. Установка может предоставлять информацию в одной из двух конфигураций:

– одновременное получение изображений эксперимента по различным осям (дает трехмерную картину изучаемого явления);
– запись двух изображений в различные моменты времени (дает возможность изучения развития ударных волн в материале).

Как считают британские специалисты, данные, получаемые с использованием установки, имеющей в своем составе два рентгеновских аппарата, являются достаточно ценными, однако их объем несколько ограничен, поскольку при каждом из экспериментов делаются только два рентгеновских снимка. Используя опыт британских ученых-ядерщиков в этой сфере, сотрудники комплекса в настоящее время проектируют новую гидродинамическую установку, которая будет иметь в своем составе до пяти рентгеновских аппаратов (hydrodynamics research facility, HRF). Данные, которые будут получены на этой установке, будут обрабатываться с целью синтезирования трехмерных последовательных по времени изображений эксперимента.

По оценкам британских специалистов, предлагаемая гидродинамическая исследовательская установка обеспечит существенное повышение возможностей проведения экспериментов в сфере рентгенографии. Рентгенографические аппараты, которые планируется применять в новой установке HRF, будут использовать технологию, получившую название «индукционный сумматор напряжения» (Inductive Voltage Adder, IVA). Подобные устройства для установки HRF будут изготовлены в США компанией Titan PSD. Однако прототип модуля IVA уже действует на одном из объектов комплекса AWE с тем, чтобы ученые комплекса могли приобрести опыт использования данной технологии.

Лазерная физика. В целях более полного понимания тех процессов, которые происходят во время ядерного взрыва, необходимо получить фундаментальные сведения о материалах, участвующих во взрыве, причем о материалах, находящихся под воздействием температур и давлений, соизмеримых с теми, что наблюдаются в момент взрыва. Специалисты, работающие на объектах комплекса AWE, используют с этой целью лазер чрезвычайно большой мощности.
Если лучи лазера большой мощности сфокусировать на малом объеме (меньше 1 кубического миллиметра) на очень короткий промежуток времени (около 1 наносекунды), то возможно развить температуру около одного миллиона градусов Цельсия. В результате создаются условия, близкие к тем, которые наблюдаются в центре ядерного взрыва, и достаточные для получения в ходе экспериментов результативных данных, связанных со свойствами материалов.
Одной из главных целей программы в области лазерной физики, которая ведется специалистами на объектах комплекса AWE, является изучение «коэффициента непрозрачности для излучения» – меры того, насколько различные материалы, находящиеся в состоянии плазмы, препятствуют потоку излучения.

В течение последних полутора десятков лет имеющийся в составе комплекса AWE лазер HELEN мощностью 1 тераватт дал возможность собрать весьма значительный объем данных о коэффициентах непрозрачности. Однако даже этот мощный лазер не создает температур и давлений, возникающих при взрыве ядерного боеприпаса, поэтому коэффициенты непрозрачности для условий, имеющих место при ядерном взрыве, рассчитываются с использованием созданных британскими специалистами компьютерных моделей. Для подтверждения правильности прогнозируемых значений коэффициентов непрозрачности британские специалисты готовятся к проведению работ совместно с американскими коллегами на очень большом лазере, строительство которого ведется в настоящее время в США, а именно на «Национальной установке по инициированию термоядерной реакции» (National Ignition Facility, NIF). Когда эта установка вступит в эксплуатацию, она будет источником лазерного излучения мощностью 600 тераватт и сможет стать местом проведения экспериментов по определению коэффициента непрозрачности в условиях, близких к реальным условиям ядерного взрыва. Кроме того, установка NIF создаст возможность для осуществления термоядерного синтеза в контролируемых лабораторных условиях.

На рисунке проиллюстрированы изменения значений температуры и давления в ходе срабатывания ядерного боеприпаса. На проводимой диаграмме температуры выражены в электрон-вольтах (1 эВ = 1,16 х 104 0С). Степени сжатия, характеризующие давление, показаны в долях плотности твердого вещества, подвергаемого сжатию. На схеме указаны зоны, соответствующие условиям, которые уже достигнуты в ходе экспериментов с использованием взрывчатых веществ и лазера HELEN мощностью 1 тераватт (1012 Вт), имеющегося в Атомном оружейном комплексе (AWE), и которые будут достигнуты в лазерной установке NIF, строительство которой ведется в США.

По расчетам британских специалистов, в будущем создание лазеров с очень малой длительностью импульсов (около 1х10-15 секунды) может оказаться альтернативным путем к достижению температурных режимов, пригодных для проведения исследований процессов, протекающих при ядерном взрыве. Стремясь сохранить в силе соглашение с министерством обороны о продолжении работ по данному направлению, сотрудники объектов Атомного оружейного комплекса начали в 2002 г. проведение совместных с Эплтонской лабораторией им. Резерфорда работ по проектированию нового лазера, предназначенного для замены лазера HELEN, построенного более 20 лет назад. Проект, имеющий целью обеспечить сооружение новой лазерной установки, уже осуществляется и получил наименование «Проект ОРИОН» (Project ORION). По состоянию на 2002 г. министерство обороны Великобритании высказывалось за сооружение новой установки на территории одного из объектов Атомного оружейного комплекса.

Эта установка будет по своим габаритам в два раза больше установки HELEN, а по мощности превысит ее в тысячу раз. Излучение лазера будет разбиваться как на «длинные», так и на «короткие» импульсы. Десять лучей с «длинным» импульсом будут создавать огромное давление. В течение этого «длинного» периода продолжительностью в одну миллиардную (10-9) долю секунды, два луча с «коротким» импульсом, подаваемые всего в течение одной триллионной (10-12) доли секунды, будут создавать высокие температуры.

Источником «длинных» импульсов станет установка, являющаяся результатом прямого дальнейшего развития существующей установки HELEN с использованием многократного прохождения луча (multi-pass configuration). Лучи с короткими импульсами будут создаваться лазером, подобным лазеру VULCAN, который в 2002 г. был введен в строй в Эплтонской лаборатории им. Резерфорда в виде системы с единичным коротким импульсом (single short-pulse system).