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美国亚临界核试验及激光核聚变装置 美国国家点火装置

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国家点火设施(美国次临界核试验和激光核聚变装置)
指导阅读
1996年9月，联合国通过了《全面禁止核试验条约》，禁止各国通过核爆炸试验和评估核武器的安全性和有效性 。因此，有核国家只能通过其他方式测试和评估核武器 。次临界核试验是最重要的核试验之一 。试验中使用的核材料，如武器级钚和高浓缩铀，没有达到临界质量，因此不会发生核爆炸 。
由于核武器的设计寿命一般为30年，有核国家一般会通过这种测试定期检查库存核武器的性能 。美国的亚临界核试验主要在内华达州的核试验场进行 。截至2019年底，美国已经进行了29次亚临界核试验 。
一.美国次临界核试验概述
美国进行亚临界核试验的目的主要是研究不同老化程度的武器级钚在冲击波压力下的表面射流、分层和压力之间的关系，为计算机模拟程序提供数据支持，维持内华达试验场的试验能力，以便必要时重启核试验 。
1997年7月2日，美国进行了第一次次临界核试验 。截至2019年底，它已经进行了29次测试 。测试结果见下表 。
1997年7月2日，LANL进行了第一次亚临界实验，代号反弹 。它是在内华达州试验场U1a试验场下面的一个293米的水平隧道中进行的 。其目的是获得钚在不同高压(数百万个大气压)下对冲击波压力的响应 。
本次实验共使用75公斤高能炸药，分别包装在三个不同的爆炸装置中，提供三种不同的压力条件 。在这次试验中，使用了不到1.5公斤的钚 。高能炸药的能量直接传递给24块钚，最大的70克 。此次试验获得的数据将支持维持美国核武器库存安全性和可靠性的研究 。
回弹测试中使用的压力装置
Oboe实验由LLNL设计，主要研究钚材料的散裂和表面喷涂 。自1999年9月以来，已经成功地进行了9次双簧管实验 。双簧管实验在两个洞穴中进行，其中一个洞穴进行了12次，在洞穴关闭前进行了一次强大的亚临界实验，名为Piano 。
在另一个洞穴中，计划进行20次实验，并在洞穴密封前进行类似皮亚诺的次临界实验 。Oboe实验是第一次实验后拆除爆炸箱 。为了防止激光束被空气体衍射，油箱被适当抽空空 。
美国研究人员准备进行次临界核试验 。
在2012年进行的Pollux亚临界测试中，采用了一种新的诊断方法:多路光子多普勒测速仪(MPDV)，这是由Ted Strand和Lawrence Livermore国家实验室近十年共同开发的 。目的是进一步使用频分和时分复用将八个PDV通道组合成一个可由数字转换器通道记录的单一复合信号 。因此，每个PDV通道的成本降低了5倍，总热负荷降低了约8倍 。
MPVD的工作原理
2017年进行的维格试验是美国第二次大规模亚临界核试验 。它是在一个900英尺深的地下洞穴中进行的，这个洞穴的深度足以容纳一次高能核爆炸 。为钚在化学炸药爆炸冲击下的临界状态提供了新的科学数据 。
Viga次临界核试验中使用的容器
二 。内华达核试验场
内华达州核试验场(NTS)位于拉斯韦加斯西北部的一片广阔的沙漠和山区，冷战期间在这里进行了近1000次核试验 。虽然目前大规模核试验已经暂停，但核试验场保留了核武器生产联合体的主体部分和相关核设施，以便在必要时恢复地下核试验 。
1951年内华达核试验场的照片
内华达试验场U1a试验场是一个地下实验室，由大约335米长的水平巷道组成，这些巷道是在一个293米长的竖井底部挖掘出来的 。该竖井配有运送人员和设备的升降机，另一个竖井位于距离竖井约304米处，用于通风、仪表和电力传输以及紧急通道 。有一条152米长的水平巷道与主巷道相连，在水平巷道的末端开挖了一个密封的硐室 。实验爆炸装置放在室内 。
试验场对工作人员和公众来说非常安全，对环境的影响也降到了最低 。这个竖井于20世纪60年代首次挖掘，1990年在竖井底部挖掘的水平隧道中进行了一次核试验 。
U1a地下设施
目前，NTS仍在秘密进行核武器材料和配件的“亚临界”试验，开展的项目包括:核材料的实验性生产，如核临界试验、将核材料运送到试验场、在特殊工厂生产钚芯、制造核爆炸“触发器”等 。此外，NTS还在大规模测试其他武器，比如用战斗机测试新型常规武器 。作为一个多领域的军事研究实验室，NTS正在充分发挥其商业价值 。
U1a的内部道路
【美国亚临界核试验及激光核聚变装置 美国国家点火装置】NTSU1A设施进行了许多次临界试验，其中大多数使用武器级钚-239 。亚临界测试的数据将与其他物理测试的数据相结合，不断扩展关于核武器的知识，并在维持美国现有的庞大核武库和开发新的核武器方面发挥重要作用 。
U1A的内部设施
三 。次临界测试能力增强计划
美国在继续进行亚临界实验的同时，也在不断加强自己的亚临界实验能力 。为了解决美国核武器初级内爆后期钚相关数据的问题，美国国家核安全局于2014年2月制定了“增强次临界实验能力计划”(ECSE)，并于同年9月正式启动 。整个ECSE项目分为四个部分:
(1)U1a设施提升计划(UCEP)，根据能源部第413号令(DOEO413)实施，对U1a设施进行提升，建设相应的辅助基础设施，如诊断设备巷道、实验区入口通道、通风系统、应急设施、爆炸室、控制室等 。，由内华达州国家安全局组织建设 。
(2)根据能源部413号令(DOEO413)实施的先进闪光摄影系统(代号“天蝎座”Scorpius)，是实验的主要设备，分为U1a设施接口、注入器、加速器、下行通道、探测器、全球系统等子系统 。由能源部主实验室和内华达核试验场共同完成，是整个项目的核心设备 。
天蝎座三维图
Scorpio系统的主要部件注入器(4脉冲，2 MV，2 kA，85 ns)是由固态脉冲发生器驱动的真空真空IVA热阴极，其加速器(9个2 Mev模块，4脉冲，250 kV电池)基于DARHT-1电池(经过多脉冲性能验证) 。
(3)用于中子诊断的中子诊断次临界实验计划(NDSE)，由洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究团队负责 。
(4)建造试验性集装箱处理隧道(废弃SCES的掩埋通道) 。这项工作与U1a设施升级计划同时进行，但独立于UCEP计划 。预计隧道尺寸为600英尺长、10英尺高、10英尺宽(或300英尺长、14英尺高)，集装箱处置库的最终尺寸将根据关键安全评估确定，总拨款为1 . 69亿美元 。洞穴的最终设计于2019年1月完成，挖掘项目于2019财年开始，施工于2021财年完成 。
四 。美国国家点火装置(NIF)
国家点火装置位于美国加利福尼亚州北部的劳伦斯利弗莫尔国家实验室 。它将192束激光束聚焦在一个非常小的点上，产生可控的氢聚变反应 。NIF由美国能源部下属的国家核安全局投资 。它从1997年开始建造，2009年完工 。它是世界上最大的激光核聚变装置 。
2012年，NIF将其研究方向转向核武器维护，并为清洁聚变核弹积累了实验数据 。在大化核试验设施中进行的大多数核试验集中于一级核裂变，而NIF进行的实验研究二级聚变反应 。虽然实验并非都处于亚临界状态，但都是可控的 。
美国国家点火设备
2009年9月，在NIF进行的第一次储存管理实验中，科学家们开始使用NIF来验证NNSA关于非点火条件下核武器性能的数据和模型 。然而，利弗莫尔和国家核安全局的官员表示，只有点火实验才能帮助解决预测武器性能的一些不确定性领域，特别是当武器处于储存年龄或正在进行翻新时 。
激光核聚变装置的初衷是实现可控核聚变，为人类应用清洁能源做出贡献 。但随着技术的不断进步，激光核聚变的效率已经比不上托克马克装置实现的磁约束聚变，于是全球激光核聚变装置开始把重点放在核武器的维护和新型核弹的研发上 。
海伦的目标房间
除了美国，世界上其他国家的激光核聚变装置，如法国核武器研究所的MLF和英国原子武器中心的海伦，大多打着商业核能的幌子进行核武器实验 。这些设备积累的数据可以用来维持现有核武器的性能，也可以用来制造新的清洁聚变炸弹 。
标签
亚临界核试验是美国为了规避《全面禁止核试验条约》而进行的没有自持连锁反应的核试验 。在内华达州地下核试验洞穴中进行，主要用于研究武器级钚在烈性炸药冲击波下的物理化学性质，以维持现有核武器的可用性 。NIF是世界上最大的激光核聚变装置 。主要用于研究现有核弹中二次聚变反应的机理和特性，维护美国庞大的核武库，为美国清洁聚变弹的研究提供科学数据 。

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