La Instalación de Pruebas Hidrodinámicas Radiográficas de Doble Eje ( DARHT , por sus siglas en inglés) es una instalación en el Laboratorio Nacional de Los Álamos que forma parte del programa de administración de reservas del Departamento de Energía . Utiliza dos grandes máquinas de rayos X para registrar imágenes tridimensionales del interior de los materiales. En la mayoría de los experimentos, los materiales sufren un choque hidrodinámico para simular el proceso de implosión en bombas nucleares y/o los efectos de una tensión hidrodinámica severa. Las pruebas se describen como "maquetas a escala real de los eventos que desencadenan la detonación nuclear". [1] Los potentes rayos X pulsados permiten construir una película ultrarrápida que muestra los detalles del proceso que se está estudiando en tres dimensiones. Las pruebas se comparan con simulaciones por computadora para ayudar a mejorar la precisión de los códigos informáticos. Dichas pruebas entran en la categoría de pruebas subcríticas .
La planificación de DARHT comenzó a principios de los años 1980. [1] Basándose en el éxito de la instalación de acelerador lineal de inducción FXR de Livermore, en 1987 Los Alamos eligió el mismo tipo de acelerador para reemplazar a PHERMEX, un acelerador de RF puesto en servicio en 1963.
El proyecto se convirtió en una prioridad importante después de que Estados Unidos dejara de probar armas nucleares en 1992. La aprobación para una revisión y un nuevo eje se produjo en etapas: el primer eje se aprobó para su construcción en 1992 y el segundo eje (que inicialmente sería un gemelo del primero) en 1997. Este plan se modificó cuando el Departamento de Energía decidió que quería que el segundo eje no ofreciera una vista de la implosión, sino una serie de vistas en rápida sucesión.
La construcción se detuvo entre 1995 y 1996 debido a demandas presentadas por Los Alamos Study Group y Concerned Citizens for Nuclear Safety, dos organizaciones contrarias a las armas nucleares que exigían que el laboratorio elaborara una Declaración de Impacto Ambiental para su construcción y funcionamiento. Los activistas argumentaron que DARHT viola el Tratado de Prohibición Completa de los Ensayos Nucleares y, potencialmente, el Tratado de No Proliferación Nuclear , aunque el laboratorio y el DOE rechazan esta opinión.
Cuando se completó en 1999, el acelerador de primer eje produjo un pulso de electrones de 60 ns con una corriente de 2 kA y una energía de 20 MeV enfocado en un punto de 1 mm de diámetro en el objetivo: el tamaño de punto más pequeño y la longitud de pulso más corta jamás logrados con esa intensidad. [1] Como resultado, la calidad de la imagen fue aproximadamente tres veces mayor que en las instalaciones FXR de Livermore.
La segunda máquina (segundo eje) es más complicada y, cuando se completó por primera vez en 2003, se descubrió que no se podía utilizar debido a una falla eléctrica. [2] El origen de la falla eléctrica resultó ser campos eléctricos inesperadamente altos entre la placa de alto voltaje y los núcleos magnéticos aislados con aceite y en los sitios donde el metal, el aislante de alto voltaje y el vacío se encuentran dentro de las celdas. Después de mucho análisis, se atribuyó el error de diseño a un equipo defectuoso utilizado para realizar las calibraciones de voltaje. [1]
Fue necesaria una revisión y reconstrucción exhaustiva del diseño, que se completó en 2008. [3] Se esperaba inicialmente que el proyecto costara 30 millones de dólares en 1988, pero los costos finalmente aumentaron a 350 millones de dólares en 2008, cuando la instalación estuvo completamente operativa. [4] [5]
Durante la fase crucial de activación de un arma, las cargas explosivas que rodean el combustible nuclear se detonan en múltiples puntos. El resultado es una onda de choque que se mueve hacia adentro ( implosión ) a velocidades supersónicas, comprimiendo el combustible a una densidad cada vez mayor. La implosión termina cuando el combustible alcanza una densidad supercrítica, la densidad a la que las reacciones nucleares en el combustible acumulan una cantidad incontenible de energía, que luego se libera en una explosión masiva. Para hacer que la maqueta no sea nuclear, un sustituto de metal pesado (como uranio empobrecido o plomo ) reemplaza al combustible nuclear, pero todos los demás componentes pueden ser réplicas exactas. También se pueden utilizar masas subcríticas de plutonio. [1]
Bajo fuerzas de implosión tan extremas, los materiales tienden a comportarse como fluidos, por lo que esta implosión simulada se denomina prueba hidrodinámica o hidrotest. La práctica habitual es tomar una única instantánea en movimiento del interior de la maqueta del arma mientras los componentes fundidos se precipitan hacia el interior a miles de metros por segundo.
Los rayos X que pueden penetrar el metal pesado de una maqueta de arma se crean con un acelerador de electrones . Un haz de electrones que se mueve a una velocidad cercana a la de la luz se estrella contra un objetivo de tungsteno. Los electrones son desviados de su curso por la fuerte atracción electrostática de los núcleos con carga positiva de los átomos de tungsteno, y su cambio repentino de dirección hace que emitan energía en forma de rayos X de alta energía en un proceso llamado bremsstrahlung .
Los científicos ya sabían cómo utilizar una ráfaga corta (pulso) de electrones de alta energía (en lugar de un haz continuo) para crear un pulso corto de rayos X de alta energía registrados en películas de rayos X convencionales. El nuevo desafío para el acelerador era entregar una gran cantidad de electrones en un pulso extremadamente potente para generar un destello de rayos X que pudiera penetrar la maqueta durante la implosión ultradensa. Las especificaciones exigen un ancho de pulso de 60 milmillonésimas de segundo.
Cada acelerador de electrones consta de una larga fila de celdas de inducción magnética con forma de rosquilla, cada una conectada a un generador de alto voltaje. Hay 74 en total en cada acelerador, pero no todas pueden utilizarse. En el momento de la activación, cada generador descarga su energía, creando un pulso de corriente eléctrica a través de su celda de inducción, que a su vez crea una gran diferencia de voltaje a través del espacio que separa esa celda de su vecina. El pulso del haz de electrones viaja a través del orificio central de las celdas, recibiendo un impulso de energía de 200 keV cada vez que pasa a través de un espacio.
Uno de los problemas fue diseñar los nuevos núcleos de inducción para que encajaran en los confines de la instalación anterior. El equipo de diseño tuvo que reemplazar la ferrita utilizada en los núcleos del primer eje con " metglas ", cintas de hierro amorfo tan delgadas como el papel. La intensidad máxima del campo magnético (punto de saturación) en el metglas es cinco veces mayor que en la ferrita. La cinta magnética estaba aislada por capas delgadas de mylar y enrollada en un rollo de 20.000 vueltas para formar núcleos gigantescos de seis pies de diámetro, cada uno de cuatro pulgadas de ancho y con un peso de más de una tonelada y media. Cuatro núcleos caben en cada celda de inducción. [1]
Tal vez el avance técnico más significativo logrado en las instalaciones de DARHT sean las cámaras de alta velocidad [6] que se utilizan para obtener imágenes de rayos X en el segundo eje. Estas cámaras utilizan el conjunto de cristales LSO más grande del mundo para convertir los rayos X en luz visible, que luego se capturan con los CCD de mayor velocidad del mundo (desarrollados conjuntamente por el MIT y Los Alamos) a más de dos millones de cuadros por segundo. Estas cámaras de centelleo se complementan con una gran rejilla antidispersión ("Bucky") para mejorar el contraste de la imagen. La combinación única de diagnósticos resuelve problemas de vigilancia técnica que han persistido desde el Proyecto Manhattan, lo que permite a los Estados Unidos afirmar una mayor confianza en el rendimiento de su arsenal nuclear y los márgenes de seguridad sin necesidad de realizar pruebas nucleares.
Este artículo incorpora material de dominio público de sitios web o documentos del Departamento de Energía de los Estados Unidos .
35°50′02″N 106°18′09″O / 35.83389, -106.30250
