مرفق اختبار ديناميكي مائي شعاعي ثنائي المحور

مرفق اختبار التصوير الإشعاعي الهيدروديناميكي ثنائي المحور ( DARHT ) هو مرفق تابع لمختبر لوس ألاموس الوطني ، وهو جزء من برنامج إدارة المخزون التابع لوزارة الطاقة الأمريكية . يستخدم المرفق جهازين كبيرين للأشعة السينية لتسجيل صور ثلاثية الأبعاد للمواد من الداخل. في معظم التجارب، تتعرض المواد لصدمة هيدروديناميكية لمحاكاة عملية الانفجار الداخلي في القنابل النووية و/أو آثار الإجهاد الهيدروديناميكي الشديد. تُوصف هذه الاختبارات بأنها "نماذج بالحجم الطبيعي للأحداث التي تُحفز الانفجار النووي". ^{[ 1 ]} تسمح حزم الأشعة السينية النبضية القوية بإنشاء صورة متحركة فائقة السرعة تُظهر تفاصيل العملية قيد الدراسة في ثلاثة أبعاد. تُقارن نتائج هذه الاختبارات مع عمليات المحاكاة الحاسوبية للمساعدة في تحسين دقة برامج المحاكاة.

بدأ التخطيط لـ DARHT في أوائل الثمانينيات. ^{[ 1 ]} استنادًا إلى نجاح منشأة Flash X-Ray (FXR) التابعة لمختبر ليفرمور ، وهي منشأة حث خطية ، اختارت لوس ألاموس في عام 1987 نفس نوع المسرع ليحل محل PHERMEX، وهو مسرع ترددات الراديو (RF) الذي تم تشغيله في عام 1963.

أصبح المشروع أولوية مهمة بعد أن أوقفت الولايات المتحدة تجارب الأسلحة النووية في عام 1992. وجاءت الموافقة على عملية الإصلاح والمحور الجديد على مراحل، حيث تمت الموافقة على بناء المحور الأول في عام 1992 والمحور الثاني (الذي كان من المفترض أن يكون توأمًا للأول) في عام 1997. تم تغيير هذه الخطة عندما قررت وزارة الطاقة أنها تريد أن يقدم المحور الثاني ليس مشهدًا واحدًا للانفجار، بل سلسلة من المشاهد المتتابعة بسرعة.

توقف البناء بين عامي 1995 و1996 بسبب دعاوى قضائية رفعتها مجموعة لوس ألاموس للدراسات ومنظمة المواطنين المهتمين بالسلامة النووية، وهما منظمتان مناهضتان للأسلحة النووية، طالبتا المختبر بإعداد دراسة تقييم الأثر البيئي لبنائه وتشغيله. جادل النشطاء بأن مختبر دارت هايتس للأبحاث النووية (DARHT) ينتهك معاهدة الحظر الشامل للتجارب النووية ، وربما معاهدة عدم انتشار الأسلحة النووية ، على الرغم من رفض المختبر ووزارة الطاقة الأمريكية لهذا الرأي.

عند اكتماله عام ١٩٩٩، أنتج مُسرِّع المحور الأول نبضة إلكترونية مدتها ٦٠ نانوثانية بتيار ٢ كيلو أمبير وطاقة ٢٠ ميجا إلكترون فولت، مُركَّزة على بقعة قطرها ١ مليمتر على الهدف - وهو أصغر حجم للبقعة وأقصر طول للنبضة تم تحقيقه على الإطلاق عند هذه الشدة. ^{[ ١ ]} ونتيجة لذلك، كانت جودة الصورة أعلى بثلاث مرات تقريبًا من جودة الصورة في منشأة FXR التابعة لمختبر ليفرمور.

الآلة الثانية (المحور الثاني) أكثر تعقيدًا، وعند اكتمالها لأول مرة عام ٢٠٠٣، تبيّن أنها غير قابلة للاستخدام بسبب عطل كهربائي . ^{[ ٢ ]} اتضح أن سبب العطل الكهربائي هو وجود مجالات كهربائية عالية بشكل غير متوقع بين الصفيحة عالية الجهد والقلوب المغناطيسية المعزولة بالزيت، وفي نقاط التقاء المعدن والعازل عالي الجهد والفراغ داخل الخلايا. بعد تحليل مُطوّل، تبيّن أن خطأ التصميم يعود إلى خلل في المعدات المستخدمة أثناء معايرة الجهد. ^{[ ١ ]}

تطلّب الأمر إعادة تصميم شاملة وإعادة بناء كاملة، وقد اكتمل ذلك في عام 2008. ^{[ 3 ]} كان من المتوقع في البداية أن تبلغ تكلفة المشروع 30 مليون دولار في عام 1988، لكن التكاليف ارتفعت في نهاية المطاف إلى 350 مليون دولار بحلول عام 2008 عندما أصبح المرفق جاهزًا للتشغيل بالكامل. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

خلال المرحلة الحاسمة لتفعيل السلاح، تُفجَّر الشحنات المتفجرة المحيطة بالوقود النووي في نقاط متعددة. ينتج عن ذلك موجة صدمية تتحرك نحو الداخل ( انفجار داخلي ) بسرعات تفوق سرعة الصوت، ضاغطةً الوقود إلى كثافة متزايدة. ينتهي الانفجار الداخلي عندما يصل الوقود إلى كثافة فوق حرجة، وهي الكثافة التي تتراكم عندها طاقة هائلة من التفاعلات النووية في الوقود، تُطلق بعد ذلك في انفجار هائل. لجعل النموذج غير نووي، يُستخدم بديل من معدن ثقيل (مثل اليورانيوم المنضب أو الرصاص ) بدلاً من الوقود النووي، ولكن يمكن أن تكون جميع المكونات الأخرى نسخًا طبق الأصل. كما يمكن استخدام كتل دون حرجة من البلوتونيوم . ^{[ 1 ]}

تحت تأثير قوى الانفجار الهائلة هذه، تميل المواد إلى التصرف كالسوائل، لذا يُطلق على هذا الاختبار التجريبي للانفجار اسم الاختبار الهيدروديناميكي. وتتمثل الممارسة المعتادة في التقاط صورة ثابتة لداخل نموذج السلاح أثناء اندفاع المكونات المنصهرة إلى الداخل بسرعة آلاف الأمتار في الثانية.

تُصنع الأشعة السينية القادرة على اختراق المعدن الثقيل في نموذج سلاح باستخدام مُسرِّع إلكتروني . يُوجَّه شعاع إلكتروني يتحرك بسرعة تقارب سرعة الضوء نحو هدف من التنجستن. تُسحب الإلكترونات عن مسارها بفعل قوة الجذب الكهروستاتيكي الهائلة للنوى الموجبة الشحنة في ذرات التنجستن، ويؤدي تغيير اتجاهها المفاجئ إلى انبعاث طاقة على شكل أشعة سينية عالية الطاقة في عملية تُسمى إشعاع الكبح .

كان العلماء يعرفون مسبقًا كيفية استخدام نبضة قصيرة من الإلكترونات عالية الطاقة (بدلًا من شعاع مستمر) لإنتاج نبضة قصيرة من الأشعة السينية عالية الطاقة تُسجل على أفلام الأشعة السينية التقليدية. تمثل التحدي الجديد في قدرة المُسرِّع على توليد عدد هائل من الإلكترونات في نبضة فائقة القوة لتوليد وميض من الأشعة السينية قادر على اختراق النموذج الأولي أثناء عملية الانضغاط فائقة الكثافة. وتتطلب المواصفات عرض نبضة يبلغ 60 جزءًا من مليار من الثانية.

يتكون كل مسرع إلكتروني من صف طويل من خلايا الحث المغناطيسي الحلقية الشكل، كل منها موصول بمولد جهد عالٍ. يوجد 74 خلية في كل مسرع، ولكن لا يمكن استخدام جميعها. عند لحظة الإطلاق، يُفرغ كل مولد طاقته، مُحدثًا نبضة من التيار الكهربائي عبر خلية الحث الخاصة به، مما يُحدث بدوره فرق جهد كبير عبر الفجوة التي تفصل تلك الخلية عن الخلية المجاورة. تنتقل نبضة حزمة الإلكترونات عبر التجويف المركزي للخلايا، مُتلقيةً دفعة طاقة مقدارها 200 كيلو إلكترون فولت في كل مرة تمر فيها عبر الفجوة.

تمثلت إحدى المشكلات في تصميم النوى الحثية الجديدة لتناسب المساحة المحدودة للمنشأة السابقة. اضطر فريق التصميم إلى استبدال الفريت المستخدم في نوى المحور الأول بمادة " ميتغلاس " - وهي عبارة عن شرائط رقيقة للغاية من شريط حديدي غير متبلور. تبلغ أقصى شدة للمجال المغناطيسي (نقطة التشبع) في الميتغلاس خمسة أضعاف مثيلتها في الفريت. تم عزل الشريط المغناطيسي بطبقات رقيقة من المايلر ، ثم لُفّ على شكل لفة من 20,000 لفة لتشكيل نوى ضخمة بقطر ستة أقدام، وعرض كل منها أربع بوصات، ووزنها أكثر من طن ونصف. تتسع كل خلية حثية لأربع نوى. ^{[ 1 ]}

لعلّ أبرز إنجاز تقني تحقق في منشأة DARHT هو استخدام كاميرات عالية السرعة ^{[ 6 ]} لتصوير الأشعة السينية على المحور الثاني. تعتمد هذه الكاميرات على أكبر مصفوفة بلورية من نوع LSO في العالم لتحويل الأشعة السينية إلى ضوء مرئي، والذي يُصوَّر بعد ذلك باستخدام أسرع أجهزة CCD في العالم (التي طُوِّرت بالتعاون بين معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ومختبر لوس ألاموس الوطني) بمعدل يزيد عن مليوني إطار في الثانية. وتُعزَّز هذه الكاميرات الوميضية بشبكة كبيرة مضادة للتشتت ("باكي") لتحسين تباين الصورة. يُسهم هذا المزيج الفريد من تقنيات التشخيص في حلّ مشكلات المراقبة التقنية التي استمرت منذ مشروع مانهاتن، مما يُمكّن الولايات المتحدة من تعزيز ثقتها في أداء مخزونها النووي وهوامش الأمان دون الحاجة إلى إجراء تجارب نووية.

• 
  مسرع الإلكترونات دارت
• 
  فني يفحص إحدى خلايا التسريع المُجددة لمسرع المحور الثاني التابع لمشروع DARHT.

 تتضمن هذه المقالة مواد متاحة للعموم من مواقع إلكترونية أو وثائق تابعة لوزارة الطاقة الأمريكية .

35°50′02″ شمالاً 106°18′09″ غرباً / 35.83389° شمالاً 106.30250° غرباً / 35.83389; -106.30250