Субкритические эксперименты

Субкритические эксперименты — это лабораторные исследования, в которых проводится сборка, разборка или приведение в действие ядерного заряда (или его макета) в условиях, гарантированно не достигающих критической массы и, следовательно, исключающих ядерный взрыв. Основная цель таких экспериментов — изучение гидродинамики, нейтронной физики и поведения материалов в условиях, близких к ядерному взрыву, без фактического высвобождения ядерной энергии. Субкритические эксперименты проводятся в специально оборудованных подземных лабораториях, как правило, на полигонах, предназначенных для ядерных испытаний.

История

Ранние исследования (1940–1950-е годы)

Первые субкритические эксперименты были неотъемлемой частью Манхэттенского проекта (США, 1942–1945). Учёные, работавшие над созданием атомной бомбы, проводили серии опытов с ураном и плутонием, чтобы определить критическую массу и изучить поведение нейтронов. Наиболее известным примером является эксперимент с «критической сборкой» в Лос-Аламосе, где в 1945 году произошла авария с участием Луиса Слотина (так называемый «демонстрационный эксперимент»), приведшая к смертельному облучению. Однако эти ранние работы часто балансировали на грани критичности, и чёткое разделение на «критические» и «субкритические» эксперименты сформировалось позже.

Период холодной войны (1950–1990)

В период холодной войны субкритические эксперименты активно использовались для отработки конструкций ядерных боеприпасов, изучения эффектов сжатия и имплозии. В СССР подобные исследования проводились на Семипалатинском полигоне и в Арзамасе-16 (ныне Саров). Основной задачей было повышение надёжности и эффективности ядерных зарядов без проведения натурных испытаний, которые были дороги, опасны и вызывали международное осуждение. Субкритические эксперименты позволяли моделировать процессы, происходящие в момент взрыва, без выброса радиоактивных продуктов в атмосферу.

После Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний (1996–настоящее время)

С подписанием Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний (ДВЗЯИ) в 1996 году, который запрещает любые ядерные взрывы, субкритические эксперименты стали основным инструментом для поддержания и модернизации ядерных арсеналов в странах, обладающих ядерным оружием. США, Россия, Великобритания, Франция и Китай проводят такие эксперименты для проверки безопасности, надёжности и эффективности существующих боезарядов, а также для разработки новых типов, не нарушая международных обязательств. В России субкритические эксперименты проводятся на полигоне «Новая Земля» и в подземных лабораториях Российского федерального ядерного центра — Всероссийского научно-исследовательского института экспериментальной физики (РФЯЦ-ВНИИЭФ) в Сарове.

Цели и задачи

Основные цели субкритических экспериментов включают:

• Изучение гидродинамики сжатия: Исследование поведения материалов (урана, плутония, взрывчатых веществ) при сверхвысоких давлениях и температурах, создаваемых взрывом обычной взрывчатки, без достижения критичности.
• Калибровка нейтронных источников: Определение точного количества нейтронов, испускаемых при различных конфигурациях, для верификации компьютерных моделей.
• Тестирование систем безопасности: Проверка того, что ядерный заряд не может случайно перейти в критическое состояние при транспортировке, хранении или в аварийных ситуациях.
• Разработка новых конструкций: Отработка новых схем имплозии, материалов и детонаторов для повышения эффективности и надёжности боеприпасов.
• Валидация компьютерных кодов: Сравнение экспериментальных данных с результатами численного моделирования для повышения точности прогнозов.

Методология и типы

Сборка-разборка (Assembly/Disassembly)

В этом типе экспериментов ядерный заряд (или его макет) собирается из отдельных компонентов, а затем разбирается. В процессе сборки контролируется расстояние между частями делящегося материала, чтобы избежать критичности. Измеряются нейтронные потоки, температура и давление. Этот метод используется для изучения начальных стадий имплозии.

Имплозионные эксперименты (Implosion Experiments)

Самый распространённый тип. Заряд, содержащий делящийся материал (обычно плутоний-239 или уран-235), помещается в центр сферического заряда из обычного взрывчатого вещества. Взрывчатое вещество подрывается, создавая ударную волну, которая сжимает делящийся материал до сверхплотного состояния. Однако масса и конфигурация подбираются так, чтобы критическая масса не была достигнута. Регистрируются гидродинамические параметры, нейтронные всплески и рентгеновское излучение.

Эксперименты с нейтронными источниками

Используются для изучения поведения нейтронов в различных средах. В подземной камере размещается источник нейтронов (например, калифорний-252 или ускоритель) и детекторы. Измеряется время пролёта, энергия и количество нейтронов, проходящих через образцы делящихся материалов. Это позволяет определить сечения захвата и деления.

Гидродинамические эксперименты без делящегося материала

Вместо урана или плутония используются имитаторы (например, вольфрам, свинец или обеднённый уран). Такие эксперименты позволяют изучать гидродинамику сжатия без риска, связанного с радиоактивностью, и дешевле. Однако они не дают информации о нейтронной физике.

Технические характеристики

• Масса делящегося материала: Обычно от нескольких граммов до нескольких килограммов, но всегда значительно ниже критической массы (для плутония-239 — около 10 кг, для урана-235 — около 50 кг в сферической конфигурации).
• Энерговыделение: В субкритическом эксперименте выделяется только энергия от химического взрыва (обычно до нескольких тонн в тротиловом эквиваленте) и незначительное количество энергии от деления (менее 1 кг тротилового эквивалента). Ядерный взрыв не происходит.
• Продолжительность: От микросекунд (для имплозионных экспериментов) до нескольких часов (для сборки-разборки).
• Оборудование: Подземные камеры, высокоскоростные камеры (до миллиарда кадров в секунду), рентгеновские установки, нейтронные детекторы, системы управления взрывом.

Применение

Поддержание ядерного арсенала

Основное применение субкритических экспериментов — это обеспечение безопасности и надёжности ядерных боеголовок без проведения натурных испытаний. Например, в США программа «Subcritical Experiments» (SCE) проводится на полигоне в Неваде с 1997 года. В России аналогичные работы ведутся в рамках программы «Научно-исследовательские работы по обеспечению безопасности и надёжности ядерных боеприпасов».

Разработка новых боеприпасов

Субкритические эксперименты позволяют тестировать новые конструкции, такие как боеголовки с переменной мощностью, без нарушения ДВЗЯИ. Они также используются для изучения эффектов, связанных с «чистыми» термоядерными зарядами (например, с использованием дейтерия-трития).

Научные исследования

В фундаментальной науке субкритические эксперименты применяются для изучения свойств материи при экстремальных давлениях (до нескольких миллионов атмосфер) и температурах (до нескольких миллионов градусов). Это важно для астрофизики (например, для моделирования процессов в звёздах) и физики плазмы.

Критика и ограничения

Субкритические эксперименты подвергаются критике со стороны международных организаций и движений за ядерное разоружение. Основные претензии:

• Нарушение духа ДВЗЯИ: Хотя субкритические эксперименты формально не запрещены, они позволяют странам совершенствовать ядерное оружие, что подрывает цель договора — полное прекращение гонки ядерных вооружений.
• Экологические риски: Проведение экспериментов в подземных камерах может приводить к выбросу радиоактивных газов и загрязнению грунтовых вод, хотя масштабы обычно невелики.
• Проблема верификации: Международное сообщество не имеет доступа к данным субкритических экспериментов, что затрудняет контроль за соблюдением ДВЗЯИ.

В России, как и в других ядерных державах, субкритические эксперименты являются закрытой темой, и их результаты не публикуются в открытой печати. Это вызывает подозрения в том, что некоторые эксперименты могут быть близки к критическим, хотя официальные заявления утверждают обратное.

Интересные факты

• В 2011 году в США был проведён субкритический эксперимент «VUCA» (Vulnerability and Criticality Assessment), в ходе которого впервые использовался плутоний, полученный из переработанных ядерных отходов.
• В России в 2019 году на полигоне «Новая Земля» был проведён серийный субкритический эксперимент «Гефест», который, по заявлениям Минобороны, подтвердил надёжность российских ядерных боеголовок.
• Некоторые субкритические эксперименты проводятся с использованием высокообогащённого урана, который ранее использовался в ядерных реакторах.

Источники

• Договор о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний (ДВЗЯИ), 1996.
• Отчёты Министерства энергетики США (DOE) по программе Subcritical Experiments.
• Материалы Российского федерального ядерного центра — ВНИИЭФ (Саров).
• Статья «Subcritical Experiments» в журнале «Science & Global Security», 2002.
• Доклады Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ) о нераспространении ядерного оружия.