Двухосная радиографическая гидродинамическая испытательная установка
Двухосный радиографический гидродинамический испытательный стенд ( DARHT ) — это объект Национальной лаборатории Лос-Аламоса , который является частью энергетики Министерства программы управления запасами . Он использует два больших рентгеновских аппарата для записи трехмерных изображений внутренних частей материалов. В большинстве экспериментов материалы подвергаются гидродинамическому удару, чтобы имитировать процесс взрыва ядерных бомб и/или эффекты сильного гидродинамического стресса. Испытания описываются как «полномасштабные макеты событий, вызвавших ядерный взрыв». [1] Мощные импульсные рентгеновские лучи позволяют построить сверхбыстрое киноизображение, демонстрирующее детали изучаемого процесса в трех измерениях. Тесты сравниваются с компьютерным моделированием, чтобы повысить точность компьютерных кодов. Такое тестирование подпадает под категорию подкритического тестирования .
История
[ редактировать ]Планирование DARHT началось в начале 1980-х годов. [1] Основываясь на успехе ливерморского индукционного линейного ускорителя FXR, в 1987 году Лос-Аламос выбрал ускоритель того же типа для замены PHERMEX, радиочастотного ускорителя, введенного в эксплуатацию в 1963 году.
Этот проект стал важным приоритетом после того, как Соединенные Штаты прекратили испытания ядерного оружия в 1992 году. Утверждение капитального ремонта и новой оси происходило поэтапно: первая ось была одобрена к строительству в 1992 году, а вторая ось (первоначально она должна была быть близнецом первой оси) ) в 1997 году. Этот план был изменен, когда Министерство энергетики решило, что вторая ось должна предоставлять не один вид взрыва, а серию изображений в быстрой последовательности.
Строительство было остановлено в период с 1995 по 1996 год из-за судебных исков со стороны Лос-Аламосской исследовательской группы и организации «Обеспокоенные граждане за ядерную безопасность», двух организаций, выступающих против ядерного оружия, которые требовали, чтобы лаборатория подготовила заявление о воздействии на окружающую среду для ее строительства и эксплуатации. Активисты утверждали, что DARHT нарушает Договор о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний и, возможно, Договор о нераспространении ядерного оружия , хотя лаборатория и Министерство энергетики отвергают эту точку зрения.
После завершения строительства в 1999 году ускоритель первой оси произвел импульс электронов длительностью 60 нс с током 2 кА и энергией 20 МэВ, сфокусированный на пятне диаметром 1 мм на мишени - это самый маленький размер пятна и самая короткая длина импульса, когда-либо достигнутые при такой интенсивности. [1] В результате качество изображения было примерно в три раза выше, чем на объекте FXR в Ливерморе.
Вторая машина (вторая ось) более сложна и, когда она была впервые завершена в 2003 году, оказалась непригодной для использования из-за электрического поломки. [2] Причиной электрического пробоя оказались неожиданно сильные электрические поля между высоковольтной пластиной и масляно-изолированными магнитопроводами, а также в местах соединения металла, высоковольтного изолятора и вакуума внутри ячеек. После тщательного анализа ошибка конструкции была связана с неисправным оборудованием, используемым при калибровке напряжения. [1]
Требовался масштабный проектный ремонт и реконструкция, которая была завершена в 2008 году. [3] Первоначально предполагалось, что стоимость проекта составит 30 миллионов долларов в 1988 году, но в конечном итоге затраты выросли до 350 миллионов долларов к 2008 году, когда объект был полностью введен в эксплуатацию. [4] [5]
Описание
[ редактировать ]
Во время решающей фазы срабатывания оружия заряды взрывчатого вещества, окружающие ядерное топливо, взрываются в нескольких точках. В результате возникает ударная волна, которая движется внутрь ( имплозия ) со сверхзвуковой скоростью, сжимая топливо до все большей и большей плотности. Имплозия заканчивается, когда топливо достигает сверхкритической плотности, плотности, при которой ядерные реакции в топливе создают неудержимое количество энергии, которая затем высвобождается в результате мощного взрыва. Чтобы сделать макет неядерным, заменителем тяжелого металла (например, обедненного урана или свинца ядерное топливо заменяется ), но все остальные компоненты могут быть точными копиями. Также могут быть использованы докритические массы плутония. [1]
Под воздействием таких экстремальных сил сжатия материалы имеют тенденцию вести себя как жидкости, поэтому имитация имплозии называется гидродинамическим испытанием или гидроиспытанием. Стандартная практика — сделать одиночный снимок внутренней части макета оружия, пока расплавленные компоненты устремляются внутрь со скоростью тысячи метров в секунду.
Рентгеновские лучи , способные проникнуть в тяжелый металл в макете оружия, производятся с помощью ускорителя электронов . Электронный луч, движущийся со скоростью, близкой к скорости света, сталкивается с вольфрамовой мишенью. Электроны сбиваются с 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) электронов высокой энергии (а не непрерывный луч) для создания короткого импульса высокоэнергетического рентгеновского излучения, записанного на обычных рентгеновских пленках. Новая задача для ускорителя заключалась в том, чтобы доставить очень большое количество электронов в чрезвычайно мощном импульсе, чтобы создать рентгеновскую вспышку, которая сможет проникнуть в макет во время сверхплотного взрыва. Технические характеристики предусматривают ширину импульса 60 миллиардных долей секунды.
Каждый ускоритель электронов состоит из длинного ряда ячеек магнитной индукции в форме пончика, каждый из которых подключен к генератору высокого напряжения. Всего в каждом ускорителе их 74, но не все можно использовать. В момент срабатывания каждый генератор разряжает свою энергию, создавая импульс электрического тока через свою индукционную ячейку, что, в свою очередь, создает большую разницу напряжений в зазоре, отделяющем эту ячейку от соседней. Импульс электронного пучка проходит через центральное отверстие ячеек, получая энергию 200 кэВ каждый раз, когда он проходит через зазор.
Одной из проблем было проектирование новых индукционных сердечников, которые бы вписывались в пределы прежнего объекта. Группе разработчиков пришлось заменить феррит, используемый в сердечниках первой оси, на « метглас » — тонкие, как бумага, ленты из аморфной железной ленты. Максимальная напряженность магнитного поля (точка насыщения) у метгласа в пять раз выше, чем у феррита. Магнитная лента была изолирована тонкими слоями майлара и смотана в рулон из 20 000 витков, образуя гигантские сердечники диаметром шесть футов, шириной каждый четыре дюйма и весом более полутора тонн. В каждую индукционную ячейку помещается четыре ядра. [1]
Возможно, самым значительным техническим достижением, достигнутым на объекте DARHT, являются высокоскоростные камеры. [6] используется для изображения рентгеновских лучей по второй оси. В этих камерах используется крупнейшая в мире кристаллическая матрица LSO для преобразования рентгеновских лучей в видимый свет, который затем отображается с помощью самых высокоскоростных в мире ПЗС-матриц (разработанных совместно Массачусетским технологическим институтом и Лос-Аламосом) со скоростью более двух миллионов кадров в секунду. Эти сцинтилляционные камеры дополнительно дополнены большой сеткой против рассеяния («Bucky») для улучшения контрастности изображения. Уникальное сочетание диагностических средств решает проблемы технического надзора, которые сохраняются со времен Манхэттенского проекта, позволяя Соединенным Штатам утверждать большую уверенность в работоспособности своих ядерных арсеналов и запасах безопасности без необходимости проведения ядерных испытаний.
Изображения
[ редактировать ]
Ускоритель электронов ДАРХТ
Техник осматривает одну из отремонтированных ускорительных ячеек для ускорителя второй оси DARHT.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с д и ж «Новый гидродинамический испытательный стенд для управления запасами» . Новости LANL 1663 . Май 2007 года . Проверено 19 сентября 2010 г.
В эту статью включены материалы LANL: © Copyright 2010 Los Alamos National Security, LLC. Все права защищены. Уведомление об авторских правах . Если не указано иное, автором этой информации является сотрудник или сотрудники Los Alamos National Security, LLC (LANS), оператора Лос-Аламосской национальной лаборатории по контракту № DE-AC52-06NA25396 с Министерством энергетики США. Правительство США имеет права использовать, воспроизводить и распространять эту информацию. Публика может копировать и использовать эту информацию бесплатно при условии, что настоящее Уведомление и любое заявление об авторстве воспроизводятся на всех копиях. - ^ Флек, Джон. «Провал лабораторий Axis Plagues Labs», Albuquerque Journal (26 декабря 2005 г.): A1.
- ^ «Национальная лаборатория Лос-Аламоса начнет работу по DARHT 2» . Пресс-релиз LANL . 29 января 2008 года . Проверено 19 сентября 2010 г.
- ↑ Первое испытание асов DARHT в Лос-Аламосе. Архивировано 21 ноября 2008 г., в Wayback Machine, 9 ноября 1999 г.
- ^ Министерство энергетики заявляет, что DARHT полностью работоспособен; Вопросы остаются 26 мая 2008 г.
- ^ https://permalink.lanl.gov/object/tr?what=info:lanl-repo/lareport/LA-UR-03-4985 [ пустой URL PDF ]
Эта статья включает общедоступные материалы с веб-сайтов или документов Министерства энергетики США .
35 ° 50'02 "N 106 ° 18'09" W / 35,83389 ° N 106,30250 ° W