Dwuosiowe radiograficzne urządzenie do badań hydrodynamicznych
Dwuosiowe Radiograficzne Centrum Testów Hydrodynamicznych ( DARHT ) to obiekt w Los Alamos National Laboratory , który jest częścią programu zarządzania zapasami Departamentu Energii . Wykorzystuje dwa duże rentgenowskie do rejestrowania trójwymiarowych obrazów wnętrza materiałów. W większości eksperymentów materiały poddawane są szokowi hydrodynamicznemu w celu symulacji implozji w bombach atomowych i/lub skutków silnego naprężenia hydrodynamicznego. Testy są opisane jako „pełnowymiarowe makiety wydarzeń, które wyzwalają detonację jądrową”. Potężne impulsowe promienie rentgenowskie pozwalają na stworzenie ultraszybkiego filmu pokazującego szczegóły badanego procesu w trzech wymiarach. Testy są często porównywane z symulacjami komputerowymi, aby poprawić dokładność kodu komputerowego. Takie testy należą do kategorii testów podkrytycznych .
Historia
Planowanie DARHT rozpoczęło się na początku lat 80. Opierając się na sukcesie Livermore's FXR, indukcyjnego akceleratora liniowego, w 1987 roku Los Alamos wybrał ten sam typ akceleratora, aby zastąpić PHERMEX, akcelerator RF oddany do użytku w 1963 roku.
Projekt stał się ważnym priorytetem po zaprzestaniu przez Stany Zjednoczone prób broni jądrowej w 1992 roku. Zgoda na remont i nową oś następowała etapami, przy czym pierwszą oś zatwierdzono do budowy w 1992 roku, a drugą oś (początkowo bliźniaczą pierwszą ) w 1997 roku. Plan ten został zmieniony, gdy Departament Energii zdecydował, że chce, aby druga oś dostarczała nie jeden widok implozji, ale serię widoków w krótkich odstępach czasu.
Budowa została wstrzymana w latach 1995-1996 z powodu procesów sądowych Los Alamos Study Group i Concerned Citizens for Nuclear Safety, dwóch organizacji zajmujących się bronią jądrową, żądających od laboratorium sporządzenia oświadczenia o wpływie na środowisko dla jego budowy i eksploatacji. Aktywiści argumentowali, że DARHT narusza Traktat o całkowitym zakazie prób i potencjalnie Traktat o nierozprzestrzenianiu broni jądrowej , chociaż laboratorium i DOE odrzucają ten pogląd.
Ukończony w 1999 r. akcelerator pierwszej osi wytworzył impuls elektronowy o długości 60 ns z prądem 2 kA i energią 20 MeV skupiony w plamce o średnicy 1 mm na tarczy - najmniejszy rozmiar plamki i najkrótsza długość impulsu, jakie kiedykolwiek osiągnięto przy takim natężeniu. W rezultacie jakość obrazu była około trzykrotnie wyższa niż w obiekcie FXR Livermore.
Druga maszyna (druga oś) jest bardziej skomplikowana i kiedy została ukończona po raz pierwszy w 2003 r., okazała się bezużyteczna z powodu awarii elektrycznej. Źródłem awarii elektrycznej okazało się nieoczekiwanie wysokie pole elektryczne między płytą wysokiego napięcia a izolowanymi olejem rdzeniami magnetycznymi oraz w miejscach, w których metal, izolator wysokiego napięcia i próżnia spotykają się wewnątrz ogniw. Po wielu analizach błąd projektowy został wyśledzony do wadliwego sprzętu używanego podczas kalibracji napięcia.
Wymagany był szeroko zakrojony przegląd projektu i przebudowa, która została zakończona w 2008 r. Początkowo oczekiwano, że projekt będzie kosztował 30 milionów dolarów w 1988 roku, ale ostatecznie koszty wzrosły do 350 milionów dolarów do 2008 roku, kiedy obiekt zaczął w pełni funkcjonować.
Opis
Podczas kluczowej fazy wyzwalania broni ładunki wybuchowe otaczające paliwo jądrowe są detonowane w wielu punktach. Rezultatem jest fala uderzeniowa, która porusza się do wewnątrz ( implozja ) z prędkością ponaddźwiękową, sprężając paliwo do coraz większej gęstości. Implozja kończy się, gdy paliwo osiąga gęstość nadkrytyczną, gęstość, przy której reakcje jądrowe w paliwie gromadzą niepohamowaną ilość energii, która jest następnie uwalniana podczas masowej eksplozji. Aby makieta była niejądrowa, surogat metalu ciężkiego (taki jak zubożony uran lub ołów ) zastępuje paliwo jądrowe, ale wszystkie inne składniki mogą być dokładnymi replikami. Można również zastosować masy podkrytyczne plutonu.
Pod tak ekstremalnymi siłami implozji materiały mają tendencję do zachowywania się jak płyny, więc ta pozorowana implozja nazywana jest testem hydrodynamicznym lub hydrotestem. Standardową praktyką jest zrobienie pojedynczego zdjęcia wnętrza makiety broni, gdy stopione komponenty pędzą do środka z prędkością tysięcy metrów na sekundę.
Promienie rentgenowskie , które mogą przenikać metal ciężki w makiecie broni, są wytwarzane za pomocą akceleratora elektronów . Wiązka elektronów poruszająca się z prędkością bliską prędkości światła uderza w wolframową tarczę. Elektrony są wyrywane z kursu przez silne przyciąganie elektrostatyczne dodatnio naładowanych jąder w atomach wolframu, a ich nagła zmiana kierunku powoduje wydzielanie energii w postaci wysokoenergetycznych promieni rentgenowskich w procesie zwanym bremsstrahlung .
Naukowcy wiedzieli już, jak wykorzystać krótki impuls (impuls) wysokoenergetycznych elektronów (zamiast ciągłej wiązki) do wytworzenia krótkiego impulsu wysokoenergetycznych promieni rentgenowskich zarejestrowanych na konwencjonalnych błonach rentgenowskich. Nowym wyzwaniem dla akceleratora było dostarczenie bardzo dużej liczby elektronów w niezwykle silnym impulsie w celu wygenerowania błysku rentgenowskiego, który może przeniknąć przez makietę podczas ultra-gęstej implozji. Specyfikacje wymagają szerokości impulsu 60 miliardowych części sekundy.
Każdy akcelerator elektronów składa się z długiego rzędu magnetycznych ogniw indukcyjnych w kształcie pączków, z których każde jest podłączone do generatora wysokiego napięcia. W każdym akceleratorze jest łącznie 74, ale nie wszystkie można wykorzystać. W momencie odpalenia każdy generator rozładowuje swoją moc, wytwarzając impuls prądu elektrycznego przez jego ogniwo indukcyjne, co z kolei powoduje dużą różnicę napięcia w szczelinie oddzielającej to ogniwo od sąsiedniego. Impuls wiązki elektronów przechodzi przez centralny otwór komórek, otrzymując energię 200 keV za każdym razem, gdy przechodzi przez szczelinę.
Jednym z problemów projektowych było zaprojektowanie nowych rdzeni indukcyjnych tak, aby mieściły się w granicach poprzedniego obiektu. Zespół projektowy musiał zastąpić ferryt używany w rdzeniach pierwszej osi „ metglasem ” — cienkimi jak papier taśmami z amorficznej taśmy żelaznej. Maksymalne natężenie pola magnetycznego (punkt nasycenia) w metglasie jest pięciokrotnie większe niż w ferrycie. Taśma magnetyczna była izolowana cienkimi warstwami mylaru i zwijana w rolkę zawierającą 20 000 zwojów, tworząc gigantyczne rdzenie o średnicy sześciu stóp, każdy o szerokości czterech cali i wadze ponad półtorej tony. Do każdej celi indukcyjnej pasują cztery rdzenie.
Być może najbardziej znaczącym postępem technicznym osiągniętym w obiekcie DARHT jest szybka kamera używana do obrazowania promieni rentgenowskich na drugiej osi. Ta kamera wykorzystuje największą na świecie matrycę kryształów LSO do przekształcania promieni rentgenowskich w światło widzialne, które jest następnie rejestrowane przez najszybszą na świecie kamerę CCD (opracowaną wspólnie przez MIT i Los Alamos) z szybkością ponad dwóch milionów klatek na sekundę. Ta kamera scyntylacyjna jest dodatkowo wzmocniona przez dużą siatkę przeciwrozpraszającą („Bucky”), aby poprawić kontrast obrazu. Unikalna kombinacja diagnostyki rozwiązuje problemy nadzoru technicznego, które utrzymywały się od czasu Projektu Manhattan, umożliwiając Stanom Zjednoczonym uzyskanie większego zaufania do wydajności swoich zapasów jądrowych i marginesów bezpieczeństwa bez potrzeby przeprowadzania testów jądrowych.
Obrazy
Akcelerator elektronów DARHT
Technik badający jedną z odnowionych komórek akceleratora pod kątem akceleratora drugiej osi DARHT.
Ten artykuł zawiera materiały będące własnością publiczną ze stron internetowych lub dokumentów Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych .