Fiecare experiment realizat la National Ignition Facility (NIF) din California – o „descărcare” – durează doar câteva miliarde de secunde. Totuși, în acest moment scurt se întâmplă multe lucruri: 192 de raze laser, cu o putere totală de aproximativ 500 de trilioane de wați, converg în camera-țintă a mașinii și își descarcă energia pe un cilindru de aur, lung de doar câțiva centimetri. În interiorul cilindrului se află o sferă de diamant de mărimea unui bob de piper, umplută cu un amestec de deuteriu și tritiu, izotopi grei ai hidrogenului, scrie The Economist.
<< Pe măsură ce sfera absoarbe energia laserului, straturile sale exterioare se ablatează rapid. Acest lucru creează o undă de șoc care se propagă cu 300 km pe secundă și care produce o implozie în interiorul sferei. Pe măsură ce atomii de deuteriu și tritiu sunt împinși împreună la o presiune de miliarde de ori mai mare decât cea atmosferică, temperatura lor depășind 100 °C, aceștia încep să fuzioneze în heliu, eliberând cantități uriașe de energie.
Acesta este kitul de care aveți nevoie pentru a recrea o explozie nucleară fără a declanșa efectiv o bombă. NIF a fost conceput în anii 1990, la câțiva ani după ce America a decis să înceteze testarea arsenalului său nuclear prin teste explozive subterane. Fără aceste teste, persoanele responsabile de descurajarea nucleară a țării aveau în continuare nevoie de mijloace pentru a garanta siguranța ogivelor aflate în depozit și, mai important, pentru a inspira încredere că acestea vor funcționa conform intențiilor, dacă vor fi vreodată utilizate.
Instalațiile dezvoltate de instituțiile nucleare americane pentru a răspunde acestei provocări au inclus în cele din urmă NIF, cel mai puternic laser din lume, și El Capitan, cel mai rapid și mai performant supercomputer. Ambele au devenit esențiale pentru misiunea reînnoită a laboratoarelor de arme nucleare americane, care își modernizează bombele existente și, pentru prima dată în ultimele decenii, proiectează bombe complet noi.
Întreținerea armelor nucleare necesită o armată de oameni de știință și ingineri. NIF face parte din Laboratorul Național Lawrence Livermore din apropierea orașului San Francisco, înființat în 1952 ca rival al Laboratorului Național Los Alamos din New Mexico. La Los Alamos au fost construite primele bombe nucleare cu mai puțin de un deceniu înainte. „Dezvoltam această tehnologie avansată într-un mediu foarte secret”, spune Kim Budil, șeful Livermore. „Era foarte important să aducem rigurozitatea științifică, evaluarea colegială și concurența în această cursă tehnologică.” Cele două laboratoare urmăresc în mod deliberat proiecte diferite pentru arme și, deși colaborează uneori, se referă una la cealaltă ca „competimates” (concurenți-colegi).
Livermore și Los Alamos proiectează „pachetele fizice” ale ogivelor americane, adică componentele nucleare ale bombelor nucleare. O a treia instituție, Sandia National Laboratories, adaugă componentele non-nucleare (cum ar fi declanșatoare, baterii, senzori și componente electronice rezistente la radiații) și integrează dispozitivele fabricate de cele două laboratoare de fizică cu sistemele de lansare (de exemplu, rachete) care le transformă în arme robuste și operaționale. În total, cele trei laboratoare ale Administrației Naționale pentru Securitate Nucleară (NNSA) angajează zeci de mii de oameni de știință și ingineri. Toate trei au acordat revistei The Economist acces rar la cercetătorii lor și la unele dintre facilitățile lor.
Când s-a deschis Livermore, unul dintre obiectivele sale principale era accelerarea dezvoltării bombelor cu hidrogen sau termonucleare. Spre deosebire de bombele cu fisiune dezvoltate în cadrul Proiectului Manhattan, care eliberau energie prin divizarea atomilor de elemente grele (uraniu și plutoniu), bombele termonucleare erau proiectate să elibereze energie prin fuziunea atomilor de deuteriu și tritiu, unele dintre cele mai ușoare elemente existente. (Aceste bombe sunt numite termonucleare deoarece au două etape: mai întâi, o bombă cu fisiune fabricată din plutoniu, care produce o explozie intensă de căldură; aceasta aprinde apoi o a doua etapă, în care are loc fuziunea).
Tehnologia termonucleară a deschis calea către arme mai puternice, dar și mai compacte. În anii 1950, când Marina SUA a decis să creeze o forță de descurajare nucleară pe mare, Livermore a primit sarcina de a miniaturiza bombele nucleare, astfel încât acestea să poată fi fixate pe rachete care să încapă în submarine. Le-a luat mai puțin de patru ani să creeze Polaris, un sistem de rachete cu un ordin de mărime mai mic decât orice altceva creat până atunci și pe care dr. Budil îl descrie cu mândrie ca „cea mai importantă schimbare tehnologică din istoria armelor nucleare”.
Dispozitivele termonucleare mici și compacte au devenit elementul de bază al arsenalelor nucleare americane și sovietice pe măsură ce acestea au fost extinse în timpul Războiului Rece. Din fericire, niciuna dintre aceste arme nu a fost folosită vreodată în război și, la zeci de ani după ce au fost construite, mii dintre ele rămân în depozite.
Una dintre cele mai importante sarcini ale oamenilor de știință de la laboratoarele Los Alamos, Livermore și Sandia este să supravegheze îndeaproape aceste focoase. „O armă nucleară așezată pe un raft este ca un experiment chimic care se desfășoară an după an”, spune dr. Budil. „Lucrurile se schimbă. Materialele radioactive se descompun în timp. Materialele polimerice se degradează.”
În fiecare an, câteva dispozitive sunt demontate și examinate amănunțit. Se efectuează și teste mai extreme. Mostre microscopice de material sunt plasate în camera țintă a NIF, unde pot fi fotografiate cu raze X în timp ce sunt supuse unei explozii nucleare echivalente. La Sandia, mașina Z este o altă modalitate de a aproxima miezul unei explozii nucleare, dar folosind câmpuri electromagnetice intense în loc de lasere. La Los Alamos, în schimb, părțile non-nucleare ale armelor sunt detonate de undele de șoc ale explozibilor convenționali utilizați pentru a iniția o bombă nucleară.
Toate aceste lucrări experimentale sunt utilizate pentru a înțelege mai bine proprietățile materialelor care intră în compoziția bombelor. Și, alături de cele aproximativ o mie de teste cu arme nucleare la scară reală efectuate înainte de 1992, datele sunt utilizate și pentru a construi simulări computerizate mai bune ale exploziilor nucleare. Acestea sunt acum atât de bune încât Thom Mason, directorul Los Alamos, consideră că oamenii de știință înțeleg mai bine cum funcționează armele nucleare astăzi decât în epoca testelor explozive. „Instrumentele științifice moderne depășesc cu mult orice aveam în anii 1990”, spune el.
Calculatoare
Cât de mult s-au îmbunătățit aceste instrumente se poate vedea la centrul de calcul din Livermore, situat la câteva minute de mers pe jos de NIF. În ianuarie, oamenii de știință și oficialii guvernamentali s-au reunit acolo pentru a prezenta cel mai recent (și acum cel mai puternic din lume) supercomputer al NNSA, El Capitan. Acest computer poate efectua un quintilion (1018) de operații în virgulă mobilă (o unitate de măsură a calculelor) pe secundă. Este de aproximativ 100 de milioane de ori mai rapid decât un laptop obișnuit și este al treilea computer exascale din lume („exa” fiind prefixul de măsură pentru 1 urmat de 18 zerouri). Cele aproximativ 90 de rack-uri de procesoare, de dimensiunea unui frigider, sunt dens împachetate într-un spațiu echivalent cu două terenuri de tenis.
Supercomputerul face parte din programul Advanced Simulation and Computing (ASC), demarat în 1995, alături de NIF, ca parte a răspunsului Americii la moratoriul asupra testării armelor nucleare. Unul dintre primele sale obiective, stabilit la începutul mileniului, a fost acela de a asambla hardware-ul și software-ul necesare pentru a rula o simulare tridimensională a unui sistem de arme.
Oamenii de știință au depășit provocările enorme folosind arhitectura de calcul paralel care devenea posibilă la acea vreme. Acest lucru a însemnat împărțirea unei simulări în bucăți mici care puteau fi rulate simultan pe unitățile centrale de procesare (CPU) și unitățile de procesare grafică (GPU) din computerele de ultimă generație. Totuși, era nevoie de luni de zile pentru a rula o singură simulare. „Pe El Capitan, estimăm că am putea rula peste 200 de simulări pe zi”, spune Rob Neely, director asociat pentru simularea armelor și calcul la Livermore. Și toate acestea la o rezoluție mult mai mare.
Dacă privim mai atent procesoarele, observăm ceva interesant. În loc de CPU și GPU, El Capitan utilizează cipuri specializate dezvoltate pentru Livermore de Advanced Micro Devices, un producător de cipuri, numite unități de procesare accelerată (APU). De obicei, GPU-urile și CPU-urile au propriul spațiu de stocare și memorie, iar comunicarea dintre ele, cunoscută sub numele de bus, poate deveni un obstacol pentru viteza sistemului. În schimb, fiecare APU este o singură bucată de siliciu cu secțiuni („chiplets”) care funcționează individual ca CPU-uri sau GPU-uri, permițându-le să partajeze memoria și spațiul de stocare. „Este singura arhitectură din lume pe care o cunoaștem în acest moment care funcționează în acest mod”, spune dr. Neely.
Densitatea și arhitectura acestor APU-uri conferă El Capitan un avantaj față de mașinile care, pe hârtie, ar putea avea o putere de calcul brută mai mare. La Los Alamos, simulările sunt utilizate și pentru o nouă sarcină: proiectarea unei arme noi de la zero. W93, așa cum este numită, va fi utilizată în cele din urmă pe rachetele balistice lansate de noile submarine din clasa Columbia ale Marinei SUA. Este prima armă nouă din arsenalul nuclear american din anii 1980 și, având în vedere că testele explozive sunt interzise, Los Alamos va trebui să efectueze simulări încă de la începutul procesului de proiectare. El Capitan va permite oamenilor de știință să optimizeze proiectarea, spune dr. Neely.
W93 este emblematică pentru energia reînnoită de la Los Alamos. „Bugetul nostru s-a dublat în ultimii cinci sau șase ani”, spune dr. Mason. Asta înseamnă mii de oameni de știință în plus, facilități modernizate și capacitatea restabilită de a produce plutoniu, un element esențial al bombelor termonucleare moderne. Și, spre deosebire de multe alte domenii ale cercetării științifice din America de astăzi, bugetul NNSA nu se așteaptă la reduceri ale finanțării federale.
Toate acestea sunt un răspuns la ceea ce dr. Mason numește „a patra eră” a armelor nucleare. Prima a fost inventarea bombelor nucleare în cadrul Proiectului Manhattan; a doua a fost cursa din timpul Războiului Rece pentru construirea de arsenaluri nucleare; iar a treia eră a fost perioada de după căderea Uniunii Sovietice, în care se credea că descurajarea nucleară va avea un rol din ce în ce mai redus în afacerile mondiale. A patra eră nucleară este o perioadă îngrijorătoare, caracterizată de prăbușirea controlului armamentului, amenințările Rusiei cu utilizarea armelor nucleare, dezvoltarea rapidă a Chinei și tensiunile dintre alte puteri nucleare, precum India și Pakistan. Există, de asemenea, incertitudini cu privire la noile puteri nucleare și la cele potențiale, precum și riscul ca aliații Americii să își dezvolte propriile arme nucleare, pe măsură ce își pierd încrederea în umbrela protectoare a acesteia. „Este clar că descurajarea este, din nou, destul de importantă”, spune dr. Mason.
Deși scopul principal al laboratoarelor din Los Alamos și Livermore nu este niciodată pus la îndoială, oamenii de știință de acolo țin să sublinieze că aceste facilități pot face mult mai mult decât să contribuie la securitatea națională. NIF, de exemplu, este un laborator de vârf în încercarea de a produce energie din fuziune nucleară.
În decembrie 2022, NIF a făcut cinste literei „I” din denumirea sa și a devenit primul sit din lume care a realizat aprinderea, eliberând mai multă energie din fuziune decât a fost utilizată pentru a o declanșa. De atunci, oamenii de știință de acolo au realizat aprinderea în încă opt ocazii, crescând treptat energia obținută de fiecare dată.
Mark Herrmann, directorul programului de fizică a armelor la Livermore și fost director al NIF, este conștient că va fi nevoie de mult mai multă muncă pentru a transforma aceste descoperiri într-o sursă viabilă de energie. Pentru început, laserele în sine trebuie să devină mult mai eficiente din punct de vedere energetic, iar reacțiile de fuziune ar trebui să aibă loc de zeci de ori pe secundă (în loc de doar câteva ori pe săptămână). Deși sunt necesare mai multe lucrări de inginerie, spune dr. Herrmann, „nu există obstacole științifice în calea realizării acestor lucruri”.
Totuși, aceste laboratoare există pentru arme. Iar puterea lor terifiantă nu este niciodată departe de mintea și motivația oamenilor de știință implicați. Când este întrebat cum se simt el și colegii săi în rolul lor de dezvoltatori de bombe nucleare, dr. Mason face referire la ordinea geopolitică (deși uneori instabilă) care a fost menținută ca urmare a fricii oamenilor față de puterea acestora. „Dacă armele pe care le proiectăm nu vor fi niciodată folosite”, spune el, „vom fi avut succes”. >>
