U zatvorenom gradu Sarovu, otprilike 350 kilometara istočno od Moskve, znanstvenici užurbano rade na projektu koji će pomoći da se rusko nuklearno oružje održi operativnim dugo u budućnosti.
Unutar ogromnog objekta, visokog 10 katova, koji zauzima površinu veličine dva nogometna igrališta, grade ono što je službeno poznato kao UFL-2M ili, kako su ga ruski mediji nazvali, Carski laser. Ako bude dovršen, to će biti laser najveće energije na svijetu, piše Wired.
Simulacija detonacije nuklearne bojeve glave
Visokoenergetski laseri mogu koncentrirati energiju na skupine atoma, povećavajući temperaturu i tlak za pokretanje nuklearnih reakcija. Znanstvenici ih mogu koristiti za simulaciju onoga što se događa kada nuklearna bojeva glava detonira. Stvaranjem eksplozija u malim uzorcima materijala - bilo istraživačkim uzorcima ili malim količinama iz postojećeg nuklearnog oružja - znanstvenici tada mogu izračunati kako bi se mogla ponašati čitava bomba. Sa starom bojevom glavom mogu provjeriti radi li još uvijek kako je predviđeno. Laserski eksperimenti omogućuju testiranje bez ispuštanja nuklearne bombe.
"To je značajno ulaganje Rusa u njihovo nuklearno oružje", kaže Jeffrey Lewis s Instituta za međunarodne studije Middlebury u Kaliforniji.
Rusija do sada nije imala visokoenergetski laser
Do sada je Rusija bila jedinstvena među nuklearnim silama po tome što nije imala visokoenergetski laser. SAD imaju svoj National Ignition Facility (NIF), trenutno najenergičniji laserski sustav na svijetu. Njegova 192 odvojena snopa kombiniraju se da isporuče 1,8 megadžula energije. Megadžul nije velika količina — ekvivalentan je 240 kalorija hrane, od odnosno laganom obroku. Ali koncentriranje te energije na malo područje može stvoriti vrlo visoke temperature i tlakove. Francuska također ima svoj Laser Mégajoule, s 80 zraka koje trenutno isporučuju 350 kilodžula, a planiraju do 2026. imati 176 zraka koje isporučuju 1,3 megadžula. Orion laser u Velikoj Britaniji proizvodi 5 kilodžula energije, a kineski laser SG-III, 180 kilodžula.
Ako bude dovršen, ruski Carski laser sve će ih nadmašiti. Poput NIF-a, trebao bi imati 192 zrake, ali s većim kombiniranim izlazom od 2,8 megadžula. Trenutno je, međutim, pokrenuta samo njegova prva faza. Na sastanku Ruske akademije znanosti u prosincu 2022. jedan je dužnosnik otkrio da laser trenutno ima 64 zrake. Njihov ukupni učinak je 128 kilodžula, 6 posto planiranog konačnog kapaciteta. Sljedeći korak bit će njihovo testiranje, rekao je tada taj dužnosnik.
Kod tih lasera vrijedi izraz 'što veći, to bolji'
"Kada se radi o izradi lasera za izazivanje nuklearnih reakcija, tada vrijedi izraz 'što veći, to bolji'" - kaže Stefano Atzeni, fizičar sa Sveučilišta u Rimu.
Veći objekti mogu proizvoditi više energije, što znači da se materijali mogu biti podvrgnuti višim temperaturama ili pritiscima ili da se mogu testirati veće količine materijala. Proširenje granica eksperimenata potencijalno daje nuklearnim istraživačima korisnije podatke.
U eksperimentima, ovi laseri eksplodiraju svoje ciljne materijale u visokoenergetsko stanje materije poznato kao plazma. U plinovima, čvrstim tvarima i tekućinama, elektroni su obično čvrsto vezani za jezgre svojih atoma, ali u plazmi slobodno lutaju. Plazme izbacuju elektromagnetsko zračenje, poput bljeskova svjetlosti i x-zraka, te čestice poput elektrona i neutrona. Laseri stoga također trebaju opremu za detekciju koja može zabilježiti kada i gdje se to zbiva. Ova mjerenja zatim omogućuju znanstvenicima da ekstrapoliraju kako bi se ponašala puna bojeva glava.
Prepravljanje 'dotrajalih' nuklearnih bojevih glava
Do sada nedostatak takvog lasera u Rusiji nije bio značajan za osiguravanje funkcionalnosti njihovog oružja. To je zato što je Rusija predana stalnom prepravljanju plutonijevih "jama", eksplozivnih jezgri koje se nalaze u mnogim nuklearnim bombama, nazvanih po tvrdim središtima voća poput breskvi. Ako možete lako zamijeniti stare eksplozivne jame novima, manje je potrebe za korištenjem lasera za provjeru koliko su degradirali tijekom godina.
"U SAD-u bismo također prerađivali svoje nuklearno oružje, osim što nemamo kapacitet za proizvodnju velikog broja jama", kaže Lewis.
Najveći američki proizvodni pogon, u Rocky Flatsu, Colorado, zatvoren je 1992. godine.
Istraživači koriste lasere u testiranju nuklearnog oružja barem od 1970-ih. Isprva su ih kombinirali s podzemnim testovima stvarnog oružja, koristeći podatke iz oba za izradu teoretskih modela o tome kako se plazma ponaša. Ali nakon što su SAD prestale testirati nuklearno oružje uživo 1992. dok su tražile sporazum o Sveobuhvatnom sporazumu o zabrani nuklearnih pokusa, prebacile su se na "znanstveno utemeljeno upravljanje zalihama" - koristeći superračunalne simulacije detonirajućih bojevih glava kako bi se procijenila njihova sigurnost i pouzdanost .
Što se događa unutar nuklearnog oružja?
Ali SAD i druge zemlje koje slijede ovaj pristup ipak su trebale pomoću lasera fizički testirati neke nuklearne materijal kako bi bili sigurni da njihovi modeli i simulacije odgovaraju stvarnosti i da njihove nuklearne bombe izdrže. To trebaju činiti i danas. No, ovi sustavi nisu savršeni.
"Modeli koje koriste za predviđanje ponašanja oružja nisu u potpunosti prediktivni", kaže Atzeni.
Razni su razlozi tomu. Jedan je da je izuzetno teško simulirati plazmu. Drugi, da je plutonij čudan metal, za razliku od bilo kojeg drugog elementa. Neobično je da plutonij, dok se zagrijava, prolazi kroz šest čvrstih oblika prije nego što se otopi. U svakom obliku, njegovi atomi zauzimaju vrlo različit volumen od prethodnog.
Unatoč tome, osim stvarnih detonirajućih bombi, laserski eksperimenti nude najbolji način predviđanja kako će nuklearne bombe funkcionirati. SAD je dovršio NIF 2009. godine i počeo usmjeravati svoje zrake na tanke plutonijeve mete veličine zrna maka 2015. godine. To je omogućilo znanstvenicima da razumiju što se događa unutar oružja bolje nego ikad prije.
Čuveni stručnjak skeptičan da će Rusija uspjeti
Laserski pokusi također mogu pokazati kako se materijali, koji se nalaze u blizini radioaktivnih jama u bojevim glavama, razgrađuju i reagiraju tijekom višegodišnjeg životnog vijeka. Podaci iz eksperimenata također mogu pomoći u otkrivanju kako se ti materijali ponašaju na ekstremnim temperaturama i pod pritiscima nuklearne detonacije. Takvi eksperimenti su "nezamjenjivi" za projektiranje i inženjering komponenti nuklearnog oružja, kaže Vladimir Tihončuk, profesor emeritus u Centru za intenzivne lasere i primjene na Sveučilištu u Bordeauxu u Francuskoj.
Tihončuk je pratio napredak Carskog lasera otkad ga je vidio na konferenciji 2013., godinu nakon što je prvotno najavljen. Zadnji put je razgovarao sa znanstvenicima iz Sarova u ljetnoj školi u Nižnjem Novgorodu 2019. godine. Skeptičan je da će Rusija dovršiti laser.
"Rusija svakako ima znanstveni pedigre. Ima iskustvo kao partner u izgradnji velikih znanstvenih objekata, kao što je više milijardi dolara vrijedan eksperimentalni nuklearni fuzijski reaktor ITER u Cadaracheu u Francuskoj", napominje Tihončuk.
Rusija je također doprinijela komponentama za dva objekta u Njemačkoj, Europski rendgenski laser bez elektrona u Hamburgu i Postrojenje za istraživanje antiprotona i iona u Darmstadtu. A znanstvenici s ruskog Instituta za primijenjenu fiziku razvili su tehnologiju brzog rasta kristala koja se koristi u lećama na NIF-u i u konstrukciji svih velikih lasera - dodaje Tihončuk.
'Mučit će se, otišlo im je puno stručnjaka'
On je uvjeren da će se Rusija sada mučiti jer je izgubila velik dio potrebnih stručnjaka koji su otišli u inozemstvo. Napominje da su nizovi zraka Carskog lasera vrlo veliki, 40 centimetara u promjeru, što predstavlja značajan izazov za izradu njihovih leća. Što je veća leća, veća je vjerojatnost da će na njoj biti kvara. Defekti mogu koncentrirati energiju, zagrijavati se i oštetiti ili uništiti leće.
"Činjenica da Rusija razvija takav laser ukazuje na to da želi zadržati svoje nuklearne zalihe", kaže Lewis.
"To je znak da planiraju da te stvari budu prisutne još dugo, što nije baš sjajno. Prilično sam zabrinut da će SAD, Rusija i Kina nastaviti s testiranjem eksploziva. Ulaganje u Carski laser moglo bi, umjesto toga, pokazati da Rusija misli da već ima dovoljno podataka iz eksplozivnih nuklearnih pokusa", napominje Lewis.
