Radiografisk hydrodynamisk testanlegg med to akser - Dual-Axis Radiographic Hydrodynamic Test Facility

Den Dual-Axis Radiografisk Hydrodynamisk Test Facility ( DARHT ) er et anlegg ved Los Alamos National Laboratory , som er en del av Department of Energy 's beredskapslager forvaltning program. Den bruker to store røntgenmaskiner for å ta opp tredimensjonale interiørbilder av materialer. I de fleste eksperimenter gjennomgår materialer hydrodynamisk sjokk for å simulere implosjonsprosessen i atombomber og / eller virkningene av alvorlig hydrodynamisk belastning. Testene er beskrevet som "fullskala mockups av hendelsene som utløser kjernefysisk detonasjon". De kraftige pulserte røntgenstrålene gjør det mulig å konstruere et ultra-raskt film som viser detaljene i prosessen som studeres i tre dimensjoner. Testene blir ofte sammenlignet med datasimuleringer for å forbedre nøyaktigheten til datakoden. Slik testing faller inn under kategorien underkritisk testing .

Historie

Planleggingen for DARHT begynte tidlig på 1980-tallet. Lawrence Livermore National Laboratory i California hadde allerede utviklet en avansert elektronakselerator for sitt eget røntgenhydrotestanlegg, og den maskinen, kjent som en lineær induksjonsakselerator , oppfylte mange av DARHTs krav. I 1987 valgte Los Alamos den samme typen gasspedal for sitt anlegg.

Prosjektet ble en viktig prioritering etter at USA sluttet å teste atomvåpen i 1992. Godkjennelse for en overhaling og ny akse kom i trinn, med den første aksen som ble godkjent for bygging i 1992 og den andre aksen (opprinnelig til å være en tvilling av den første ) i 1997. Denne planen ble endret da energidepartementet bestemte seg for at den andre aksen ikke skulle gi et syn på implosjonen, men en serie synspunkter i rask rekkefølge.

Byggingen ble stoppet mellom 1995 og 1996 på grunn av søksmål fra Los Alamos Study Group og Concerned Citizens for Nuclear Safety , to anti-atomvåpenorganisasjoner som krevde at laboratoriet skulle lage en miljøpåvirkningserklæring for bygging og drift. Det har også blitt hevdet av aktivister at DARHT er et brudd på traktaten om omfattende testforbud og potensielt den nukleare ikke-spredningstraktaten , selv om laboratoriet og DOE avviser dette synet.

Når den ble fullført i 1999, kunne den første aksen akselerator produsere en kort elektronpuls som varte 60 ns med en strøm på 2 kA og en energi på 20 MeV. Strålen kan fokuseres til en flekk på 2 millimeter i diameter på målet. Det var den minste spotstørrelsen og den korteste pulslengden som noen gang er oppnådd med den intensiteten. Som et resultat var bildekvaliteten omtrent tre ganger høyere enn på Livermores røntgenanlegg.

Den andre maskinen (andre aksen) er mer komplisert, og da den ble ferdigstilt i 2003, ble den funnet å være ubrukelig på grunn av elektrisk sammenbrudd. Opprinnelsen til det elektriske sammenbruddet viste seg å være uventet høye elektriske felt mellom høyspenningsplaten og de oljeisolerte magnetiske kjernene og på steder der metall, høyspenningsisolator og vakuum møtes inni cellene. Etter mye analyse ble feilen i design sporet å skyldes feil utstyr som ble brukt når du utførte spenningskalibreringer.

Det var nødvendig med en omfattende designoverhaling og ombygging, som ble fullført i 2008. Prosjektet ble opprinnelig antatt å koste 30 millioner dollar i 1988, men kostnadene økte til slutt til $ 350 millioner.

Beskrivelse

Lineær induksjonsakselerator skjematisk

Den andre, pussede gasspedalen

Under et våpens viktige utløsningsfase blir det sprengt sprengladninger som omgir kjernebrenselet på flere punkter. Resultatet er en sjokkbølge som beveger seg innover ( implosjon ) i supersoniske hastigheter, og presser drivstoffet til høyere og høyere tetthet. Implosjonen avsluttes når drivstoffet når en superkritisk tetthet, tettheten der kjernefysiske reaksjoner i drivstoffet bygger opp en uholdbar mengde energi, som deretter frigjøres i en massiv eksplosjon. For å gjøre mockupen ikke-kjernefysisk, står et tungmetallsurrogat (for eksempel utarmet uran eller bly ) inn for kjernefysisk drivstoff, men alle andre komponenter kan være eksakte kopier. Subkritiske masser av plutonium kan også brukes.

Under slike ekstreme implosjonskrefter har materialene en tendens til å oppføre seg som væsker, så denne spottige implosjonen kalles en hydrodynamisk test, eller hydrotest. Standard praksis er å ta et øyeblikksbilde med en stopp-action av våpenmodellets indre når de smeltede komponentene haster innover tusenvis av meter per sekund.

Røntgenbilder som kan trenge gjennom tungmetallet i en våpenmodell er laget med en elektronakselerator . En elektronstråle som beveger seg i nærheten av lysets hastighet, knuses til et wolframmål. Elektronene blir trukket av kurs av det kraftige elektrostatiske trekket av de positivt ladede kjernene i volframatomer, og deres plutselige endring i retning får dem til å gi fra seg energi i form av høyenergi røntgenstråler i en prosess som kalles bremsstrahlung .

Forskere visste allerede hvordan de skulle bruke en kort burst (puls) av høyenergi-elektroner (i stedet for en kontinuerlig stråle) for å lage en kort puls av høyenergi røntgenstråler. Den nye utfordringen var for gasspedalen å levere et veldig stort antall elektroner i en ekstremt kraftig puls for å generere en røntgenblitz som kan trenge gjennom mockupen under den ekstremt tette implosjonen. Spesifikasjoner krever en puls på 100 milliarddeler av et sekund, omtrent en million ganger kortere enn eksponeringer oppnådd med et high-end konvensjonelt kamera. Som med hullet i et kulehullskamera , jo mindre strålepunkt, jo mer poenglignende med området som produserer røntgenstråler, og desto skarpere blir det resulterende bildet.

Hver elektronakselerator består av en lang rekke donutformede magnetiske induksjonsceller , hver tilkoblet en høyspenningsgenerator. Det er totalt 74 i hver gasspedaler, men ikke alle kan brukes. På skyteøyeblikket tømmer hver generator sin kraft og skaper en puls med elektrisk strøm gjennom sin induksjonscelle, som igjen skaper en stor spenningsforskjell over gapet som skiller denne cellen fra naboen. Elektronstrålepulsen beveger seg gjennom den sentrale bore av cellene og mottar et energispark på 200 keV hver gang det passerer gjennom et gap.

Et av designproblemene var å designe de nye induksjonskjernene for å passe inn i rammen til det forrige anlegget. Designteamet måtte bytte ut ferritten som ble brukt i kjernene i den første aksen med " metglas " —papirtynne bånd av amorf jernbånd. Den maksimale magnetfeltstyrken (metningspunkt) i metglas er fem ganger høyere enn i ferritt. Magnetbåndet ble isolert av tynne lag med mylar og avviklet til en rull på 20.000 svinger for å lage enorme kjerner med seks meter i diameter, hver fire tomme brede og veide mer enn halvannet tonn. Fire kjerner passer inn i hver induksjonscelle.