Двухосная радиографическая гидродинамическая испытательная установка - Dual-Axis Radiographic Hydrodynamic Test Facility

Dual-Axis рентгенографическое Гидродинамический Test Facility ( DARHT ) является объект в Лос - Аламосской национальной лаборатории , которая является частью Департамента энергетики «ы запасов стратегического управления программой. Он использует два больших рентгеновских аппарата для записи трехмерных изображений материалов интерьера. В большинстве экспериментов материалы подвергаются гидродинамическому удару, чтобы моделировать процесс взрыва в ядерных бомбах и / или эффекты сильного гидродинамического напряжения. Испытания описываются как «полномасштабные модели событий, вызывающих ядерный взрыв». Мощные импульсные рентгеновские лучи позволяют создавать сверхбыстрое движущееся изображение, показывающее детали изучаемого процесса в трех измерениях. Эти тесты часто сравнивают с компьютерным моделированием, чтобы повысить точность компьютерного кода. Такое тестирование подпадает под категорию подкритического тестирования .

История

Планирование DARHT началось в начале 1980-х годов. Основываясь на успехе завода FXR, индукционного линейного ускорителя в Ливерморе, в 1987 году Лос-Аламос выбрал ускоритель того же типа для замены PHERMEX, высокочастотного 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 для строительства в 1992 году, а вторая ось (первоначально должна быть двойником первой оси). ) в 1997 году. Этот план был изменен, когда Министерство энергетики решило, что вторая ось должна доставлять не одно представление об имплозии, а серию изображений в быстрой последовательности.

Строительство было остановлено в период с 1995 по 1996 год из-за судебных исков Лос-Аламосской исследовательской группы и «Заинтересованные граждане за ядерную безопасность», двух организаций по борьбе с ядерным оружием, требующих, 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.

По завершении строительства в 1999 году ускоритель с первой осью генерировал электронный импульс 60 нс с током 2 кА и энергией 20 МэВ, сфокусированный в пятно диаметром 1 мм на мишени - наименьший размер пятна и наименьшую длину импульса, когда-либо достигнутые при такой интенсивности. В результате качество изображения было примерно в три раза выше, чем на объекте FXR в Ливерморе.

Вторая машина (вторая ось) более сложна и, когда первая была завершена в 2003 году, была признана непригодной для использования из-за электрического пробоя. Причиной электрического пробоя оказались неожиданно высокие электрические поля между высоковольтной пластиной и магнитными сердечниками с масляной изоляцией, а также в местах, где металл, высоковольтный изолятор и вакуум встречаются внутри элементов. После долгого анализа ошибка конструкции была обнаружена в неисправном оборудовании, используемом при калибровке напряжения.

Потребовались обширный проектный ремонт и реконструкция, которые были завершены в 2008 году. Первоначально предполагалось, что в 1988 году проект обойдется в 30 миллионов долларов, но в конечном итоге затраты выросли до 350 миллионов долларов к 2008 году, когда объект был полностью введен в эксплуатацию.

Описание

Схема линейного индукционного ускорителя

2-й отремонтированный ускоритель

Во время критической фазы срабатывания оружия заряды взрывчатого вещества, окружающие ядерное топливо, взрываются в нескольких точках. Результатом является 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 неограниченное количество энергии, которая затем высвобождается в результате мощного взрыва. Чтобы сделать макет неядерным, ядерное топливо заменяет суррогат тяжелого металла (например, обедненный уран или свинец ), но все остальные компоненты могут быть точными копиями. Также могут использоваться докритические массы плутония.

Под действием таких экстремальных сил сжатия материалы имеют тенденцию вести себя как жидкости, поэтому это имитация имплозии называется гидродинамическим испытанием или гидроиспытанием. Стандартная практика состоит в том, чтобы сделать один моментальный снимок внутренней части макета оружия, когда расплавленные компоненты устремляются внутрь со скоростью тысячи метров в секунду.

Рентгеновские лучи, которые могут проникать сквозь тяжелый металл в макете оружия, производятся с помощью ускорителя электронов . Электронный луч, движущийся со скоростью, близкой к скорости света, врезается в вольфрамовую мишень. Электроны сбиваются с курса из-за сильного электростатического притяжения положительно заряженных ядер в атомах вольфрама, и их внезапное изменение направления заставляет их излучать энергию в виде высокоэнергетических рентгеновских лучей в процессе, называемом тормозным излучением .

Ученые уже знали, как использовать короткий импульс (импульс) высокоэнергетических электронов (а не непрерывный пучок), чтобы сделать короткий импульс высокоэнергетического рентгеновского излучения, записанного на обычных рентгеновских пленках. Новая задача заключалась в том, что ускоритель доставил очень большое количество электронов в чрезвычайно мощном импульсе для генерации рентгеновской вспышки, которая может проникнуть в макет во время сверхплотного взрыва. Спецификации требуют ширины импульса 60 миллиардных долей секунды.

Каждый ускоритель электронов состоит из длинного ряда ячеек магнитной индукции в форме пончика, каждая из которых подключена к генератору высокого напряжения. Всего их 74 в каждом ускорителе, но не все могут быть использованы. В момент зажигания каждый генератор разряжает свою энергию, создавая импульс электрического тока через свою индукционную ячейку, который, в свою очередь, создает большую разницу напряжений в зазоре, отделяющем эту ячейку от соседнего. Импульс электронного луча проходит через центральное отверстие ячеек, получая импульс энергии 200 кэВ каждый раз, когда он проходит через зазор.

Одна из проблем проектирования заключалась в разработке новых индукционных сердечников, которые соответствовали бы условиям прежнего предприятия. Группе разработчиков пришлось заменить феррит, использованный в сердечниках первой оси, на « метглас » - ленты из аморфного железа толщиной в бумагу . Максимальная напряженность магнитного поля (точка насыщения) у метгласа в пять раз выше, чем у феррита. Магнитная лента была изолирована тонкими слоями майлара и намотана в рулон из 20 000 витков, чтобы сделать гигантские сердечники диаметром шесть футов, каждый четыре дюйма шириной и весом более полутора тонн. В каждую индукционную ячейку помещается по четыре сердечника.

Возможно, наиболее значительный технический прогресс, достигнутый на установке DARHT, - это высокоскоростная камера, используемая для изображения рентгеновских лучей на второй оси. В этой камере используется самая большая в мире матрица кристаллов LSO для преобразования рентгеновских лучей в видимый свет, которые затем отображаются с помощью самой высокоскоростной камеры CCD (разработанной совместно Массачусетским технологическим институтом и Лос-Аламосом) со скоростью более двух миллионов кадров в секунду. Эта сцинтилляционная камера дополнительно дополнена большой антирассеивающей сеткой («Баки») для улучшения контрастности изображения. Уникальное сочетание диагностики решает проблемы технического наблюдения, которые сохраняются после Манхэттенского проекта, позволяя Соединенным Штатам утверждать более высокую уверенность в своих ядерных арсеналах и запасах безопасности без необходимости проведения ядерных испытаний.