Testarea armelor nucleare subterane - Underground nuclear weapons testing

Pregătirea pentru un test nuclear subteran la locul de testare din Nevada în anii 1990, pe măsură ce se instalează cablurile de diagnosticare.

Testarea nucleară subterană este detonarea testată a armelor nucleare care se efectuează în subteran. Când dispozitivul testat este îngropat la o adâncime suficientă, explozia nucleară poate fi conținută, fără eliberarea de materiale radioactive în atmosferă.

Căldura și presiunea extreme ale unei explozii nucleare subterane provoacă modificări în roca din jur. Roca cea mai apropiată de locul testului este vaporizată , formând o cavitate. Mai departe, există zone de rocă zdrobită, crăpată și ireversibil tensionată. După explozie, roca de deasupra cavității se poate prăbuși, formând un coș de moloz. Dacă acest coș de fum ajunge la suprafață, se poate forma un crater de subsidență în formă de bol .

Primul test subteran a avut loc în 1951; alte teste au furnizat informații care au condus în cele din urmă la semnarea Tratatului de interzicere limitată a testelor în 1963, care a interzis toate testele nucleare, cu excepția celor efectuate în subteran. De atunci și până la semnarea Tratatului de interzicere a testelor cuprinzătoare în 1996, majoritatea testelor nucleare au fost efectuate în subteran, pentru a preveni intrarea în atmosferă a precipitațiilor nucleare .

fundal

Deși îngrijorarea publicului cu privire la căderile rezultate din testele nucleare a crescut la începutul anilor 1950, căderea a fost descoperită după testul Trinity , primul test de bombă atomică din 1945. Producătorii de filme fotografice au raportat ulterior filme „neclare” ; acest lucru a fost urmărit la materialele de ambalare provenite din culturi din Indiana, contaminate de Trinity și teste ulterioare la locul de testare din Nevada , la peste 1.000 de mile (~ 1.600 de kilometri) distanță. Rezultatele intense din testul Simon din 1953 au fost documentate până în Albany, New York.

Rezultatele din testul Bravo din martie 1954 din Oceanul Pacific au avut „implicații științifice, politice și sociale care au continuat de mai bine de 40 de ani”. Testul multi- megaton a provocat căderea apei pe insulele atolilor Rongerik și Rongelap și o barcă de pescuit japoneză cunoscută sub numele de Daigo Fukuryū Maru (Dragonul norocos). Înainte de acest test, a existat o apreciere „insuficientă” a pericolelor de cădere.

Testul a devenit un incident internațional. Într-un interviu al Serviciului de Radiodifuziune Publică (PBS), istoricul Martha Smith a argumentat: „În Japonia, devine o problemă uriașă în ceea ce privește nu doar guvernul și protestul său împotriva Statelor Unite, ci toate grupurile diferite și toate popoarele din Japonia. începe să protesteze. Devine o problemă importantă în mass-media. Există tot felul de scrisori și proteste care provin, deloc surprinzător, de pescarii japonezi, de soțiile pescarilor; există grupuri de studenți, toate tipurile diferite de oameni; care protestează împotriva Utilizarea Pacificului de către americani pentru testarea nucleară. Sunt foarte îngrijorați, în primul rând, de ce Statele Unite au chiar dreptul de a efectua astfel de teste în Pacific. Sunt, de asemenea, îngrijorați de sănătate și impact asupra mediului." Primul ministru al Indiei „a exprimat îngrijorarea internațională sporită” atunci când a cerut eliminarea tuturor testelor nucleare la nivel mondial.

Cunoștințele despre consecințe și efectele sale au crescut și, odată cu aceasta, îngrijorarea față de mediul global și daunele genetice pe termen lung . Discuțiile dintre Statele Unite, Regatul Unit, Canada, Franța și Uniunea Sovietică au început în mai 1955 cu privire la un acord internațional de încheiere a testelor nucleare. La 5 august 1963, reprezentanți ai Statelor Unite , ai Uniunii Sovietice și ai Regatului Unit au semnat Tratatul de interzicere limitată a testelor, interzicând testarea armelor nucleare în atmosferă, în spațiu și sub apă. Acordul a fost facilitat de decizia de a permite testarea subterană, eliminând necesitatea inspecțiilor la fața locului care îi priveau pe sovietici. Testele subterane au fost permise, cu condiția ca acestea să nu determine „resturi radioactive să fie prezente în afara limitelor teritoriale ale statului sub jurisdicția sau controlul căruia se efectuează o astfel de explozie”.

Istoria timpurie a testării subterane

În urma analizei detonațiilor subacvatice care făceau parte din Operațiunea Crossroads în 1946, au fost făcute anchete cu privire la posibila valoare militară a unei explozii subterane. Șefii de stat major mixt ai SUA au obținut astfel acordul Comisiei pentru energie atomică a Statelor Unite (AEC) de a efectua experimente atât pe detonări de suprafață, cât și de sub-suprafață. Insula Amchitka din Alaska a fost selectată inițial pentru aceste teste în 1950, dar ulterior site-ul a fost considerat nepotrivit, iar testele au fost mutate la locul de testare din Nevada.

Unchiul Buster-Jangle , prima explozie nucleară subterană

Primul test nuclear subteran a fost efectuat la 29 noiembrie 1951. Acesta a fost de 1,2 kilotone Buster-Jangle unchiul , care a detonat 5,2 m (17 ft) sub nivelul solului. Testul a fost conceput ca o investigație redusă a efectelor unei arme de fisiune de tip pistol cu penetrare la sol de 23 de kilotoni care a fost luată în considerare pentru a fi folosită ca armă de craterare și bunker . Explozia a dus la un nor care s-a ridicat la 3.500 m (11.500 ft) și a depus precipitații în nord și nord-nord-est. Craterul rezultat avea 79 m (260 ft) lățime și 16 m (53 ft) adâncime.

Ceainic Ess

Următorul test subteran a fost Teapot Ess , la 23 martie 1955. Explozia de un kiloton a fost un test operațional al unei „ Muniții de Demolare a Atomicului ” (ADM). A fost detonat la 20,4 m subteran, într-un arbore căptușit cu oțel ondulat, care a fost apoi umplut cu saci de nisip și murdărie. Deoarece ADM a fost îngropat sub pământ, explozia a suflat tone de pământ în sus, creând un crater de 91 m (300 ft) lățime și 39 m (128 ft) adâncime. Norul de ciuperci rezultat s-a ridicat la o înălțime de 3.700 m (12.000 ft), iar consecințele radioactive ulterioare au derivat în direcția estică, călătorind până la 225 km (140 mi) de la zero.

La 26 iulie 1957, Plumbbob Pascal-A a fost detonat în partea de jos a unui arbore de 148 m (486 ft). Potrivit unei descrieri, „a inaugurat era testării subterane cu o lumânare pirotehnică magnifică romană !” Comparativ cu un test suprateran, resturile radioactive eliberate în atmosferă au fost reduse cu un factor de zece. A început lucrarea teoretică asupra unor posibile scheme de izolare.

Praf ridicat de Plumbbob Rainier

Dispunerea Plumbbob Rainier tunel

Plumbbob Rainier a fost detonat la 274 m subteran la 19 septembrie 1957. Explozia de 1,7 kt a fost prima care a fost în întregime subterană, fără a produce nicio cădere. Testul a avut loc într-un tunel orizontal de 1.600 - 2.000 ft (488 - 610 m) în formă de cârlig. Cârligul „a fost conceput astfel încât forța explozivă să etanșeze porțiunea non-curbată a tunelului cea mai apropiată de detonare înainte ca gazele și fragmentele de fisiune să poată fi ventilate în jurul curbei cârligului tunelului”. Acest test ar deveni prototipul pentru teste mai mari și mai puternice. Rainier a fost anunțat în avans, astfel încât stațiile seismice să poată încerca să înregistreze un semnal. Analiza eșantioanelor colectate după test a permis oamenilor de știință să dezvolte o înțelegere a exploziilor subterane care „persistă în esență nealterată astăzi”. Informațiile ar oferi ulterior o bază pentru deciziile ulterioare de a fi de acord cu Tratatul de interzicere limitată a testelor.

Cannikin , ultimul test la instalația de pe Amchitka, a fost detonat la 6 noiembrie 1971. La aproximativ 5 megatone , a fost cel mai mare test subteran din istoria SUA.

Efecte

Dimensiuni și forme relative ale craterelor rezultate din diferite adâncimi de explozie

Efectele unui test nuclear subteran pot varia în funcție de factori, inclusiv adâncimea și randamentul exploziei , precum și natura rocii din jur. Dacă testul se desfășoară la o adâncime suficientă, se spune că testul este conținut , fără evacuarea gazelor sau a altor contaminanți în mediu. În schimb, dacă dispozitivul este îngropat la o adâncime insuficientă („subîngropat”), atunci roca poate fi expulzată de explozie, formând un crater de afundare înconjurat de ejecții și eliberând gaze de înaltă presiune în atmosferă (craterul rezultat este de obicei conic de profil, circular și poate varia între zeci și sute de metri în diametru și adâncime). Una figura utilizată pentru determinarea cât de mult ar trebui să fie îngropat dispozitivul este adâncimea scalat îngropării sau -burst (SDOB) Această cifră se calculează ca adâncimea de îngropare în metri împărțită la rădăcina cub a randamentului în kilotone. Se estimează că, pentru a asigura izolare, această cifră ar trebui să fie mai mare de 100.

**Zonele din stânca din jur**
Nume	Rază
Topiți cavitatea	4-12 m / kt ^1/3
Zona zdrobită	30-40 m / kt ^1/3
Zona crăpată	80–120 m / kt ^1/3
Zona de tulpină ireversibilă	800–1100 m / kt ^1/3

Energia exploziei nucleare este eliberată într-o microsecundă . În următoarele câteva microsecunde, hardware-ul de testare și roca din jur sunt vaporizate, cu temperaturi de câteva milioane de grade și presiuni de câteva milioane de atmosfere . În milisecunde , se formează o bulă de gaz și abur de înaltă presiune. Căldura și valul de șoc în expansiune fac ca roca din jur să se vaporizeze sau să se topească mai departe, creând o cavitate topită . Mișcarea provocată de șoc și presiunea internă ridicată fac ca această cavitate să se extindă spre exterior, care continuă timp de câteva zecimi de secundă până când presiunea a scăzut suficient, la un nivel aproximativ comparabil cu greutatea stâncii de mai sus și nu mai poate crește. Deși nu au fost observate în fiecare explozie, în roca din jur au fost descrise patru zone distincte (inclusiv cavitatea topită). Zona zdrobită , de aproximativ două ori mai mare decât raza cavității, este formată din rocă care și-a pierdut toată integritatea de odinioară. Zona crăpată , de aproximativ trei ori raza cavității, este formată din roci cu fisuri radiale și concentrice. În cele din urmă, zona de deformare ireversibilă constă din rocă deformată de presiune. Următorul strat suferă doar o deformare elastică ; tulpina și eliberarea ulterioară formează apoi o undă seismică . Câteva secunde mai târziu, piatra topită începe să se adune pe fundul cavității și conținutul cavității începe să se răcească. Revenirea după unda de șoc face ca forțele de compresie să se acumuleze în jurul cavității, numită cușcă de reținere a stresului , etanșând fisurile.

Crater de subsidență format de Huron King

Câteva minute până la câteva zile mai târziu, odată ce căldura se disipează suficient, aburul se condensează, iar presiunea din cavitate scade sub nivelul necesar pentru a susține supraîncărcarea, roca de deasupra golului cade în cavitate. În funcție de diferiți factori, inclusiv randamentul și caracteristicile înmormântării, acest prăbușire se poate extinde la suprafață. În caz contrar, se creează un crater de scufundare . Un astfel de crater are de obicei formă de bol și are o dimensiune cuprinsă între câteva zeci de metri și peste un kilometru în diametru. La locul de testare din Nevada , 95% din testele efectuate la o adâncime de înmormântare mai mică de 150 au cauzat prăbușirea suprafeței, comparativ cu aproximativ jumătate din testele efectuate la un SDOB mai mic de 180. Raza r (în picioare) cavitatea este proporțională cu rădăcina cubică a randamentului y (în kilotoni), r = 55 * ; o explozie de 8 kilotone va crea o cavitate cu o rază de 110 picioare (34 m). ${\ displaystyle {\ sqrt [{3}] {y}}}$

Movila de moloz formată din Whetstone Sulky

Alte caracteristici de suprafață pot include teren perturbate, crestele de presiune , defecte , mișcarea apei (inclusiv schimbări în masa de apă nivel), caderile și criză la sol. Majoritatea gazului din cavitate este compus din abur; volumul său scade dramatic pe măsură ce temperatura scade și aburul se condensează. Există însă și alte gaze, în principal dioxid de carbon și hidrogen , care nu se condensează și rămân gazoase. Dioxidul de carbon este produs prin descompunerea termică a carbonaților , hidrogenul este creat prin reacția fierului și a altor metale de la dispozitivul nuclear și echipamentele înconjurătoare. Cantitatea de carbonați și apă din sol și fierul disponibil trebuie luate în considerare la evaluarea izolației locului de testare; solurile argiloase saturate cu apă pot provoca colapsul structural și aerisirea. Stânca dură a subsolului poate reflecta undele de șoc ale exploziei, provocând, de asemenea, slăbirea și ventilarea structurală. Gazele necondensabile pot rămâne absorbite în porii din sol. Cu toate acestea, o cantitate mare de astfel de gaze poate menține suficientă presiune pentru a conduce produsele de fisiune la sol.

Lansarea radioactivității în timpul Baneberry

Evadarea radioactivității din cavitate este cunoscută sub numele de eșec de izolare . Eliberările masive, prompte, necontrolate de produse de fisiune, determinate de presiunea aburului sau gazului, sunt cunoscute sub numele de aerisire ; un exemplu de astfel de eșec este testul Baneberry . Eliberările lente și necontrolate de radioactivitate sub presiune scăzută sunt cunoscute sub numele de infiltrări ; acestea au puțină sau deloc energie, nu sunt vizibile și trebuie detectate de instrumente. Filtrările târzii sunt degajări de gaze necondensabile la zile sau săptămâni după explozie, prin difuzie prin pori și fisuri, probabil asistată de o scădere a presiunii atmosferice (așa-numita pompare atmosferică ). Când trebuie accesat tunelul de testare, se efectuează purjarea controlată a tunelului ; gazele sunt filtrate, diluate de aer și eliberate în atmosferă atunci când vânturile le vor dispersa în zone slab populate. Scurgerile mici de activitate rezultate din aspectele operaționale ale testelor se numesc versiuni operaționale ; pot apărea, de exemplu, în timpul forării în locul exploziei în timpul prelevării de miez sau în timpul prelevării de gaze de explozie. De radionuclid diferă de compoziție prin tipul eliberărilor; o ventilație rapidă mare eliberează o fracțiune semnificativă (până la 10%) de produse de fisiune, în timp ce scurgerile târzii conțin doar cele mai volatile gaze. Solul absoarbe compușii chimici reactivi, astfel încât singurii nucleizi filtrați prin sol în atmosferă sunt gazele nobile , în principal kriptonul-85 și xenonul-133 .

Nuclizii eliberați pot suferi bioacumulare . Izotopii radioactivi precum iod-131 , stronțiu-90 și cesiu-137 sunt concentrați în laptele vacilor care pasc; laptele de vacă este, prin urmare, un indicator convenabil și sensibil al căderii. Țesuturile moi ale animalelor pot fi analizate pentru emițătorii gamma , oasele și ficatul pentru stronțiu și plutoniu , iar sângele, urina și țesuturile moi sunt analizate pentru tritiu.

Deși au existat îngrijorări timpurii cu privire la cutremure apărute ca urmare a testelor subterane, nu există dovezi că acest lucru a avut loc. Cu toate acestea, au fost raportate mișcări de defecte și fracturi la sol, iar exploziile preced adesea o serie de replici , considerate a fi rezultatul colapsului cavității și al formării coșului de fum. În câteva cazuri, energia seismică eliberată de mișcările de defect a depășit-o pe cea a exploziei în sine.

Tratate internaționale

Semnat la Moscova pe 5 august 1963 de reprezentanți ai Statelor Unite, Uniunii Sovietice și Regatului Unit, Tratatul privind interdicția limitată a testelor a convenit să interzică testarea nucleară în atmosferă, în spațiu și sub apă. Datorită îngrijorării guvernului sovietic cu privire la necesitatea inspecțiilor la fața locului, testele subterane au fost excluse din interdicție. 108 țări vor semna în cele din urmă tratatul, cu excepția semnificativă a Chinei.

În 1974, Statele Unite și Uniunea Sovietică au semnat Tratatul de interzicere a testului de prag (TTBT) care interzicea testele subterane cu randamente mai mari de 150 kilotoni. În anii 1990, tehnologiile de monitorizare și detectare a testelor subterane se maturizaseră până la punctul în care testele de un kilogram sau mai mult puteau fi detectate cu probabilitate ridicată, iar în 1996 au început negocierile sub auspiciile Națiunilor Unite pentru a dezvolta o interdicție de testare cuprinzătoare. Tratatul de interzicere a testelor nucleare care a rezultat a fost semnat în 1996 de Statele Unite, Rusia, Regatul Unit, Franța și China. Cu toate acestea, ca urmare a deciziei Senatului Statelor Unite de a nu ratifica tratatul în 1999, acesta încă nu a fost încă ratificat de 8 dintre cele 44 de state solicitate din „Anexa 2” și, prin urmare, nu a intrat în vigoare ca legislația Națiunilor Unite.

Monitorizarea

La sfârșitul anilor 1940, Statele Unite au început să dezvolte capacitatea de a detecta testarea atmosferică folosind eșantionarea aerului; acest sistem a reușit să detecteze primul test sovietic din 1949. În deceniul următor, acest sistem a fost îmbunătățit și a fost creată o rețea de stații de monitorizare seismică pentru a detecta testele subterane. Dezvoltarea Tratatului de interzicere a testului de prag la mijlocul anilor 1970 a condus la o mai bună înțelegere a relației dintre randamentul testului și magnitudinea seismică rezultată.

Când au început negocierile la mijlocul anilor 1990 pentru a dezvolta o interdicție de testare cuprinzătoare, comunitatea internațională a fost reticentă să se bazeze pe capacitățile de detectare ale statelor individuale cu arme nucleare (în special Statele Unite) și, în schimb, a dorit un sistem internațional de detectare. Sistemul internațional de monitorizare (IMS) rezultat constă dintr-o rețea de 321 de stații de monitorizare și 16 laboratoare de radionuclizi. Cincizeci de stații seismice „primare” trimit date în mod continuu către Centrul Internațional de Date, împreună cu 120 de stații „auxiliare” care trimit date la cerere. Datele rezultate sunt utilizate pentru a localiza epicentrul și pentru a face distincția între semnăturile seismice ale unei explozii nucleare subterane și un cutremur. În plus, optzeci de stații de radionuclizi detectează particule radioactive ventilate de explozii subterane. Anumiți radionuclizi constituie dovezi clare ale testelor nucleare; prezența gazelor nobile poate indica dacă a avut loc o explozie subterană. În cele din urmă, unsprezece stații hidroacustice și șaizeci de stații cu infrasunete monitorizează testele subacvatice și atmosferice.