В США уже более 20 лет работает необычная исследовательская установка под названием JASPER — Joint Actinide Shock Physics Experimental Research. Это не реактор и не оружейный полигон, а лаборатория, где изучают, как ведут себя крайне плотные и радиоактивные материалы в условиях резкого удара. Такие эксперименты нужны для понимания свойств плутония и других актинидов без проведения ядерных взрывов.
Недавно на JASPER провели 201-й так называемый «полностью изолированный» эксперимент. Это означает, что после выстрела все фрагменты мишени, продукты разрушения материала и возможные радиоактивные частицы остаются внутри защитной системы установки и не попадают во внешнюю среду. Для работы с плутонием это принципиально важно: установка изначально проектировалась так, чтобы даже при экстремальных нагрузках опыты проходили без вреда для персонала.
Первая работа с актинидами на JASPER состоялась в 2003 году. С тех пор здесь выполнили 201 полноценный эксперимент. В 92 случаях использовались радиоактивные материалы, включая плутоний. Остальные 109 выстрелов проводились с нерадиоактивными образцами — они нужны для настройки оборудования, проверки измерительных систем и отработки методик перед работой с опасными веществами.
В основе установки — двухступенчатая газовая пушка длиной около 20 метров. По сути, это устройство, которое с помощью сжатого газа разгоняет металлический снаряд до скоростей порядка 8 км/с. Это примерно 18 тысяч миль в час — быстрее, чем летит пуля, и сравнимо со скоростями, характерными для космических столкновений.
Когда такой снаряд ударяет по мишени, в материале на очень короткое время возникают экстремальные условия. Давление возрастает в миллионы раз по сравнению с обычным атмосферным. Всё это длится меньше микросекунды, но даже за такой краткий момент учёные успевают зафиксировать, как вещество сжимается, нагревается и начинает разрушаться.
Именно такие данные позволяют понять, как плутоний ведёт себя при резком ударном сжатии. Это важно не для теории, а для практических задач. По словам руководителя экспериментальной группы Дэвида Бобера, в США всего две установки, где вообще можно изучать динамические свойства плутония с помощью ударных экспериментов. При этом только JASPER способна создавать нужные уровни давления.
Информация, полученная в ходе более чем 200 выстрелов, используется в вычислительных моделях Национального управления ядерной безопасности США. Эти модели позволяют оценивать состояние ядерного арсенала без подземных испытаний, которые запрещены международными соглашениями. Фактически JASPER помогает проверять надёжность боеголовок, не прибегая к реальным ядерным взрывам.
Со временем задачи установки сместились от чисто экспериментальных к более прикладным. Сейчас JASPER работает в интересах программы поддержания ядерного сдерживания США. Установку совместно эксплуатируют Ливерморская национальная лаборатория и объекты Nevada National Security Sites. Основная задача — проверка свойств вновь изготовленного плутония.
Эти исследования напрямую связаны с программой модернизации боеголовки W87-1. Учёные сравнивают поведение старого плутония, извлечённого в ходе регулярных проверок арсенала, с новым материалом, произведённым на установке PF-4 в Лос-Аламосской национальной лаборатории. Сопоставление позволяет понять, как свойства вещества меняются со временем и насколько новый материал соответствует требованиям.
Научная программа JASPER за годы работы заметно расширилась. Изначально эксперименты были сосредоточены на базовых измерениях состояния вещества при ударном сжатии — так называемых данных Гюгонио. Сегодня установка используется и для изучения температурных эффектов, прочности материалов, а также поведения вещества при разгрузке после удара.
Перед тем как применять такие режимы к радиоактивным элементам, все методики сначала проверяют на нерадиоактивных заменителях. Это снижает риски и позволяет убедиться, что измерительная аппаратура работает корректно.
Безопасность остаётся ключевым элементом всей системы. Экспериментальная камера герметично закрывается сверхбыстрым клапаном и помещена внутрь дополнительной стальной оболочки. Такая многоуровневая защита рассчитана на то, чтобы даже при самых жёстких режимах всё, что происходит во время выстрела, оставалось внутри установки.
По словам руководителя выполнения экспериментов Рики Чау, диагностические системы JASPER со временем стали значительно сложнее. Они позволяют фиксировать больше параметров и с большей точностью, чем в первые годы работы. Эти данные используются как эталон при оценке качества материалов для оборонных систем и одновременно расширяют понимание того, как вещества ведут себя в условиях, которые невозможно воспроизвести обычными лабораторными методами.