Προσομοιώσεις και Πειραματικές Εγκαταστάσεις: Πώς διατηρείται η γνώση για τη λειτουργία των πυρηνικών όπλων;

Δεν χρειάζεται να έχετε δει την ταινία “Oppenheimer” για να ξέρετε την ιστορία. Το ημερολόγιο έδειχνε 16 Ιουλίου του 1945. Κατά τις 5:30 τα ξημερώματα, η πρώτη ατομική βόμβα εξερράγη στην έρημο του Νέου Μεξικού στις ΗΠΑ. Εκείνη η κοσμοϊστορική στιγμή όρισε την έναρξη της ατομικής εποχής.

Όπως και να το δούμε, δεν πρόκειται να ξεφορτωθούμε τα πυρηνικά όπλα σύντομα. Από την πρώτη χρήση τους μέχρι και σήμερα, η πυρηνική απειλή είναι πανταχού παρούσα και έχει διαμορφώσει το σύγχρονο πολιτικό κλίμα σε βαθμό που αναφορές σε αυτήν έχουν πλέον καταντήσει “βαρετές”. Παρόλα αυτά, με εξαίρεση τη Β. Κορέα, οι υπόλοιπες πυρηνικές δυνάμεις (ΗΠΑ, Ρωσία, Κίνα, Ηνωμένο Βασίλειο, Γαλλία, Ισραήλ, Ινδία, Πακιστάν) έχουν διακόψει τις δοκιμές πυρηνικών όπλων από τα τέλη της δεκαετίας του ‘90, κυρίως λόγω του φόβου των ραδιενεργών αποβλήτων. Λόγω της εξαιρετικά πολύπλοκης φυσικής που απαιτείται για την ανάπτυξη πυρηνικών όπλων, μπορεί κάποιος να αναρωτηθεί: “στα περίπου 25 χρόνια από τις τελευταίες δοκιμές, πώς ξέρουμε αν τα πυρηνικά όπλα δουλεύουν ακόμα;” Είναι εύλογη ερώτηση. Άλλωστε, όσοι εργάστηκαν στην κατασκευή τους τώρα πιθανότατα θα πλησιάζουν τη συνταξιοδότηση. Επιπλέον, αν μια πυρηνική δύναμη γνώριζε πως οι εχθροί της δεν διαθέτουν πλέον ενεργές πυρηνικές κεφαλές ή έχασαν την τεχνογνωσία τους, θα μπορούσαν να ασκήσουν πιο επιθετική εξωτερική πολιτική εναντίον τους ή και να τους επιτεθούν ευθέως, θέτοντας σε κίνδυνο όλον τον πλανήτη.

Σε αυτό το άρθρο θα εστιάσουμε στο πώς η Γαλλία επέλεξε να αντιμετωπίσει το θέμα της τεχνογνωσίας περί πυρηνικών όπλων. Η CEA (Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives, Επιτροπή Ατομικής Ενέργειας και Εναλλακτικών Ενεργειών) είναι η επιτροπή που διαχειρίζεται τα συστήματα ασφαλείας της Γαλλίας. Το 1996, έτος που η Γαλλία σταμάτησε επισήμως όλες τις δοκιμές πυρηνικών όπλων, ο τότε πρόεδρος Jacques Chirac ανακοίνωσε την έναρξη της εποχής των προσομοιώσεων. Πιο συγκεκριμένα, οι πυλώνες της αποπυρηνικοποίησης, που είχαν τεθεί μερικά χρόνια πριν, σχετίζονταν με την ανάπτυξη: 

• της αναπαράστασης (μοντελοποίησης) της σχετικής φυσικής
• της “φυσικής όπλων” που σχετίζονται με τη λειτουργία των πυρηνικών
• της αριθμητικής προσομοίωσης, σε επίπεδο προγραμματισμού, αλλά και απόκτησης υπερυπολογιστών
• της πειραματικής επαλήθευσης (χωρίς περαιτέρω πυρηνικές δοκιμές)

Οι δύο πρώτοι στόχοι επιτεύχθηκαν πριν το 1996 κάνοντας χρήση, φυσικά, πυρηνικών δοκιμών. Ύστερα, η Γαλλία έκλεισε όλες τις εγκαταστάσεις δοκιμών (βλ. Εικόνα 1), έχοντας ήδη σχέδια για την εκπλήρωση των άλλων δύο στόχων. 

Αριθμητικές Προσομοιώσεις

Εδώ και δεκαετίες, οι αριθμητικές προσομοιώσεις αποτελούν αναπόσπαστο κομμάτι της φυσικής. Έτσι, λοιπόν, η CEA αποφάσισε να εστιάσει σε αυτή την προσέγγιση για να εξελίξει τις πυρηνικές δυνατότητες της Γαλλίας. Το πρώτο μέρος της αριθμητικής μελέτης σχετίζεται με την επιλογή των κατάλληλων φυσικών μοντέλων για την αναπαραγωγή των τριών φάσεων ενός πυρηνικού όπλου: της έκρηξης, της σχάσης και της σύντηξης. Για να αντιμετωπιστούν τα προβλήματα που παρουσιάζονται σε αυτές τις τρεις φάσεις χρειάζονται γνώσεις δυναμικής των ρευστών, της αλληλεπίδρασης μεταξύ της ύλης και των φωτονίων, και, ασφαλώς, πυρηνικής φυσικής. 

Ο στόχος όλων αυτών είναι η επίλυση των κατάλληλων εξισώσεων με τρόπο όσο το δυνατόν πιο ρεαλιστικό. Η δυσκολία έγκειται στις ακραίες συνθήκες που επικρατούν σε αυτά τα συστήματα· η μεγάλη ταχύτητα της ύλης, οι θερμοκρασίες που είναι υψηλότερες από αυτές στο κέντρο του Ήλιου, οι πιέσεις που ξεπερνούν την ατμοσφαιρική πίεση δισεκατομμύρια φορές, καθώς και οι τρόποι με τους οποίους οι διάφορες διεργασίες αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Για να είναι οι προσομοιώσεις ακριβείς, όμως, τα δεδομένα που εισάγονται, όπως οι νόμοι που ορίζουν πώς ένα υλικό συμπεριφέρεται σε συγκεκριμένες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας, θα πρέπει να είναι επίσης εξαιρετικά ακριβή. Τέτοιοι νόμοι πρέπει να καθοριστούν πειραματικά, πράγμα καθόλου εύκολο.

Τίποτα από όλα αυτά δεν μπορεί να μελετηθεί χωρίς τους απαραίτητους υπερυπολογιστές. Η CEA χρησιμοποιεί εξαιρετικά προηγμένους υπερυπολογιστές για τη μελέτη των συστημάτων αυτών, δουλειά των οποίων είναι η επίλυση των εξισώσεων που τα χαρακτηρίζουν. Οι υπερυπολογιστές που καλούνται να τις επιλύσουν (TERA 100 και, πιο πρόσφατα, EXA1) έχουν τη δυνατότητα να εκτελέσουν τουλάχιστον 1 πεντάκις εκατομμύριο (10¹⁸) υπολογισμούς το δευτερόλεπτο! Τα λογισμικά που αναπτύσσονται πρέπει, επομένως, να είναι σε θέση να αξιοποιήσουν τις δυνατότητες ενός τέτοιου υπολογιστικού συστήματος.

Πειραματική Επαλήθευση

Ωραίες οι προσομοιώσεις, αλλά δεν σημαίνουν τίποτα χωρίς κάποια πειραματική επαλήθευση. Εκεί έρχεται το LMJ ή Laser Mégajoule, δηλαδή το λέιζερ με ενέργεια ενός εκατομμυρίου Joule. Το LMJ είναι η δεύτερη μεγαλύτερη εγκατάσταση λέιζερ στον κόσμο (μετά το National Ignition Facility στις ΗΠΑ) και είναι απαραίτητη για τη μελέτη των φαινομένων που εμφανίζονται στα πυρηνικά όπλα. Είναι σχεδιασμένο να εναποθέτει μια τεράστια ποσότητα ενέργειας χρησιμοποιώντας 176 ακτίνες λέιζερ σε έναν στόχο μεγέθους μερικών χιλιοστών κατά τη διάρκεια μερικών δισεκατομμυριοστών του δευτερολέπτου. Έτσι, προσομοιώνει στο εργαστήριο τις συνθήκες μιας πυρηνικής βόμβας με ασφαλή τρόπο και χωρίς σημαντικές επιπτώσεις για το περιβάλλον. Στόχοι του είναι:

• η επαλήθευση θεμελιωδών μοντέλων που περιγράφουν τη φυσική της λειτουργίας των πυρηνικών όπλων
• η εκτέλεση πειραμάτων στα οποία τα μοντέλα αυτά συνδυάζονται και αλληλεπιδρούν

Περίπου το 20-30% του χρόνου του LMJ αφιερώνεται σε ακαδημαϊκούς σκοπούς, όπως σε αυτούς που αναφέρονται στο Β’ μέρος της σειράς μας για τη σύντηξη. Πέρα από τη Γαλλία, και οι ΗΠΑ έχουν τη δική τους πειραματική διάταξη που ονομάζεται NIF (National Ignition Facility ή Εθνική Εγκατάσταση Ανάφλεξης). Μάλιστα, εκεί επιτεύχθηκε για πρώτη φορά, μέσω σύντηξης,  μεγαλύτερη απελευθέρωση ενέργειας από όση εναπόθεσαν οι ακτίνες λέιζερ στον στόχο, μόλις τον Δεκέμβριο του 2022. Περιττό να πούμε ότι οι Αμερικανοί χρησιμοποιούν το NIF για την ανάπτυξη πυρηνικών όπλων, όπως και οι Γάλλοι το LMJ. Σε αντίθεση με το LMJ, το NIF προσφέρει μεγαλύτερο ποσοστό του χρόνου του για επιστημονική έρευνα, με κυριότερο στόχο την επίτευξη σύντηξης, αλλά και την προσομοίωση αστροφυσικών συστημάτων! 

Δυστυχώς, τα πυρηνικά όπλα δεν πρόκειται να καταργηθούν σύντομα. Το καλό της όλης ιστορίας είναι ότι, πλέον, τα περισσότερα κράτη έχουν σταματήσει τις κανονικές δοκιμές και αντ’αυτού έχουν επιλέξει τη διατήρηση της τεχνογνωσίας αυτών των συστημάτων μέσω της χρήσης προσομοιώσεων και πειραμάτων στις μεγαλύτερες εγκαταστάσεις λέιζερ του κόσμου. Είναι μια προσέγγιση που ελαχιστοποιεί την επιβάρυνση του περιβάλλοντος, ενώ ταυτόχρονα προσφέρει σε ερευνητές άλλων επιστημονικών πεδίων εξεζητημένες πειραματικές εγκαταστάσεις. Παρόλα αυτά, ίσως ο κόσμος μας θα ήταν καλύτερος αν η τεχνογνωσία αυτή χανόταν…