Dentro dos laboratórios secretos que constroem armas nucleares da América

Eexperimento ACH na instalação nacional de ignição (Nif) Na Califórnia – um “tiro” – lasca apenas alguns bilionésimos de segundo. Muito acontece naquele breve momento: 192 feixes a laser, totalizando cerca de 500 watts, converge na câmara -alvo da máquina e despeja sua energia em um cilindro de ouro, que tem apenas alguns centímetros de comprimento. Dentro do cilindro, há uma esfera de diamante do tamanho de pimenta, cheia de uma mistura de deutério e trítio, isótopos pesados de hidrogênio.

À medida que a esfera absorve a energia do laser, suas camadas externas se abrigam rapidamente. Isso cria uma onda de choque que viaja a 300 km por segundo que implode o interior da esfera. À medida que os átomos de deutério e trítio são unidos a bilhões de vezes a pressão atmosférica, suas temperaturas superiores a 100m ° C começam a se fundir no hélio, liberando grandes quantidades de energia.

Este é o kit que você precisa para recriar uma explosão de armas nucleares sem realmente desencadear uma bomba. Nif foi concebido na década de 1990, alguns anos depois que a América decidiu parar de testar seu arsenal nuclear em testes de explosivos subterrâneos. Sem esses testes, as pessoas responsáveis pelo impedimento nuclear do país ainda precisavam de maneiras de garantir a segurança de suas ogivas enquanto se sentavam no armazenamento e, mais importantes, instilam confiança de que eles se apresentariam como pretendido, se fossem chamados.

As instalações que o estabelecimento nuclear da América desenvolveram para responder a que o desafio acabou incluído Nifo laser mais poderoso do mundo e El Capitan, seu supercomputador mais rápido e mais capaz. Ambos se tornaram centrais para uma missão renovada para os laboratórios de armas nucleares da América, enquanto atualizam suas bombas existentes e, pela primeira vez em décadas, projetam novos.

A manutenção de armas nucleares leva um exército de cientistas e engenheiros. Nif faz parte do Laboratório Nacional Lawrence Livermore, perto de São Francisco, criado em 1952 como rival do Laboratório Nacional de Los Alamos, no Novo México. Foi em Los Alamos que as primeiras bombas nucleares foram construídas menos de uma década antes. “Estávamos desenvolvendo essa tecnologia avançada em um ambiente muito classificado”, diz Kim Budil, chefe de Livermore. “Foi realmente importante trazer rigor científico, revisão por pares e concorrência para essa corrida de tecnologia”. Os dois laboratórios buscam propositalmente projetos diferentes para armas e, embora às vezes colaborem, se referem um ao outro como “competindo”.

Livermore e Los Alamos projetam os “pacotes de física” nas ogivas da América, o que significa dizer que os pedaços nucleares das bombas nucleares. Uma terceira instituição, Sandia National Laboratories, acrescenta os componentes não nucleares (como gatilhos, baterias, sensores e eletrônicos endurecidos por radiação) e integra os dispositivos fabricados pelos dois laboratórios de física com os sistemas de entrega (por exemplo, mísseis) que os transformam em armas robustas e implantáveis. Ao todo, os três laboratórios da Administração Nacional de Segurança Nuclear (Ns) empregar dezenas de milhares de cientistas e engenheiros. Todos os três concedidos O economista Acesso raro a seus pesquisadores e algumas de suas instalações.

Quando o Livermore se abriu, um de seus objetivos primários era acelerar o desenvolvimento de hidrogênio, ou termonuclear, bombas. Ao contrário das bombas de fissão que haviam sido desenvolvidas no projeto Manhattan, que liberou energia dividindo átomos de elementos pesados (urânio e plutônio), as bombas termonucleares foram projetadas para liberar energia por fusíveis de átomos de deutério e trítio, alguns da existência mais leve. (Essas bombas são chamadas termonucleares porque têm dois estágios: primeiro, uma bomba de fissão feita de plutônio que cria uma intensa explosão de calor; que então acende um segundo estágio em que a fusão ocorre.)

A tecnologia termonuclear abriu as portas para armas mais poderosas, mas também mais compactas. Na década de 1950, quando a Marinha dos EUA decidiu criar um impedimento nuclear baseado no mar, Livermore recebeu a tarefa de miniaturizar bombas nucleares para que eles pudessem ser afixados a mísseis que se encaixam em submarinos. Levou menos de quatro anos para criar Polaris, um sistema de mísseis uma ordem de magnitude menor do que qualquer coisa que veio antes e que o Dr. Budil descreve orgulhosamente como “a mudança tecnológica mais importante na história das armas nucleares”.

Dispositivos termonucleares pequenos e compactos tornaram -se o cavalo de trabalho dos arsenais nucleares americanos e soviéticos à medida que foram expandidos durante a Guerra Fria. Felizmente, nenhuma dessas armas foi usada com raiva e, décadas após serem construídas, milhares permanecem em seus estoques.

Uma das maiores tarefas que ocupam os cientistas hoje nos laboratórios de Los Alamos, Livermore e Sandia é vigiar de perto essas ogivas. “Uma arma nuclear sentada na prateleira é como um experimento de química cozinhando ano após ano”, diz o Dr. Budil. “As coisas estão mudando. Os materiais radioativos decaem com o tempo. Os materiais de polímero se degradam.”

Todos os anos, alguns dispositivos são desmontados e examinados completamente. Testes mais extremos também acontecem. Amostras microscópicas de material são colocadas dentro NifA câmara-alvo, onde eles podem ser fotografados por raios-X enquanto experimentam o equivalente a uma explosão nuclear. Em Sandia, a máquina Z é outra maneira de aproximar o núcleo de uma explosão nuclear, mas usando campos eletromagnéticos intensos em vez de lasers. Em Los Alamos, por outro lado, as partes não nucleares das armas são atingidas por ondas de choque dos explosivos convencionais que são usados para iniciar uma bomba nuclear.

Todo esse trabalho experimental é usado para entender melhor as propriedades dos materiais que entram em bombas. E, juntamente com os mil testes de armas nucleares em larga escala realizadas antes de 1992, os dados também são usados para construir melhores simulações por computador de explosões nucleares. Agora, isso é tão bom que Thom Mason, diretor de Los Alamos, considera que os cientistas entendem melhor como as armas nucleares funcionam hoje do que durante a era de teste explosivo. “As ferramentas científicas modernas realmente superaram significativamente qualquer coisa que tivemos nos anos 90”, diz ele.

Exatamente quanto melhor é demonstrado no centro de computação de Livermore, a poucos minutos a pé de Nif. Em janeiro, cientistas e funcionários do governo se reuniram lá para revelar o mais recente supercomputador da NNSA (e agora o mais poderoso do mundo) – El Capitan. Esta máquina pode executar um quintilhão (10¹⁸) Operações de ponto flutuante (uma medida de cálculos) por segundo. Isso é cerca de 100m vezes mais rápido que um laptop típico e faz com que apenas o terceiro computador exascale (“exa” seja o prefixo de medição para 1 seguido por 18 zeros). Seus aproximadamente 90 racks de processadores do tamanho de geladeiras são densamente embalados no mesmo espaço que um par de quadras de tênis.

O supercomputador faz parte da simulação e computação avançada (ASC) o programa, iniciado em 1995, ao lado do NIF, como parte da resposta da América à sua moratória nos testes de armas nucleares. Um de seus primeiros objetivos, marcado para a virada do milênio, foi montar o hardware e o software necessários para executar uma simulação tridimensional de um sistema de armas.

Os cientistas superaram os enormes desafios usando a arquitetura de computação paralela que estava se tornando possível na época. Isso significava dividir uma simulação em pequenos pedaços que poderiam ser executados simultaneamente através das unidades de processamento central (CPUs) e unidades de processamento de gráficos (GPUs) encontrados em computadores de ponta. Ainda levou meses para executar uma única simulação. “No El Capitan, agora estamos estimando que poderíamos correr mais de 200 deles em um dia”, diz Rob Neely, diretor associado de simulação e computação de armas de Livermore. E tudo isso em resolução muito maior também.

Olhe mais de perto os processadores e algo mais se torna aparente. Em vez de CPUs e GPUsEl Capitan usa chips especializados desenvolvidos para Livermore por micro dispositivos avançados, um designer de chips, chamado unidades de processamento acelerado (Apus). Tipicamente GPUs e CPUs terá seu próprio armazenamento e memória e a comunicação entre eles, conhecida como ônibus, pode se tornar um gargalo para a velocidade de um sistema. Cada Apu é, em vez disso, um único pedaço de silício com seções (“chipets”) que operam individualmente como CPUs ou GPUspermitindo que eles compartilhem memória e armazenamento. “É a única arquitetura do mundo agora que sabemos que isso está fazendo dessa maneira”, diz o Dr. Neely.

A densidade e a arquitetura desses APUs dão a El Capitan sua vantagem sobre máquinas que podem, no papel, ter mais poder de computação bruta. Em Los Alamos, as simulações também estão sendo implantadas para uma nova tarefa – designando uma nova arma do zero. O W93como é chamado, acabará sendo usado em mísseis balísticos implantados pelos novos submarinos da classe Columbia da Marinha dos EUA. É a primeira nova arma no arsenal nuclear americano desde os anos 80 e, com testes explosivos fora dos limites, os Los Alamos precisarão executar simulações desde o início do processo de design. El Capitan permitirá que os cientistas otimizem o design, diz o Dr. Neely.

O W93 é emblemático da energia renovada em Los Alamos. “Nosso orçamento dobrou aproximadamente nos últimos cinco ou seis anos”, diz Mason. Isso significa milhares de mais cientistas, instalações modernizadas e uma capacidade restaurada de criar poços de plutônio, um elemento central das bombas termonucleares modernas. E, em contraste com muitas outras áreas de pesquisa científica na América hoje, o orçamento para a NNSA não espera nenhum corte no financiamento federal.

Tudo isso é uma resposta ao que o Dr. Mason chama de “quarta era” de armas nucleares. A primeira foi a invenção de bombas nucleares durante o projeto de Manhattan; O segundo foi a corrida da guerra fria para construir arsenais nucleares; E a terceira era foi o período após a queda da União Soviética, durante a qual se pensava que a dissuasão nuclear teria um papel em declínio nos assuntos mundiais. A quarta era nuclear é um momento preocupante, apresentando o colapso do controle de armas, as ameaças da Rússia de uso nuclear, o rápido acúmulo e as tensões da China entre outras potências nucleares, como a Índia e o Paquistão. Também há incerteza sobre novas e possíveis poderes nucleares, e o risco de os aliados da América poderiam desenvolver suas próprias armas nucleares à medida que perdem a fé em seu guarda-chuva protetor. “É claro que a dissuasão é, mais uma vez, muito importante”, diz Mason.

Embora o objetivo principal dos laboratórios de Los Alamos e Livermore nunca esteja em dúvida, seus cientistas desejam ressaltar que essas instalações podem fazer muito mais do que o trabalho de segurança nacional. O NIF, por exemplo, é um laboratório líder na tentativa de criar energia a partir da fusão nuclear.

Em dezembro de 2022 Nif Feito bem no “eu” em seu nome e se tornou o primeiro local do mundo a alcançar a ignição – lançando mais energia da fusão do que havia sido usado para fazer isso. Desde então, os cientistas de lá alcançaram ignição em mais oito ocasiões, aumentando gradualmente a energia produzida a cada vez.

Mark Herrmann, diretor de física de armas da Livermore e ex -diretor da NIF, sabe que será preciso muito mais trabalho para transformar esses avanços em uma fonte viável de energia. Para começar, os próprios lasers precisam ter muito mais eficiência energética e as reações de fusão precisariam acontecer dezenas de vezes por segundo (em vez de apenas uma dúzia de vezes por semana). Embora seja necessário mais trabalho de engenharia, diz Herrmann, “não há obstáculos científicos para essas coisas que estão acontecendo”.

São as armas, porém, para as quais esses laboratórios existem. E seu poder aterrorizante nunca está longe das mentes e motivações dos cientistas envolvidos. Quando perguntado como ele e seus colegas se sentem em seu papel desenvolvendo bombas nucleares, o Dr. Mason aponta para a ordem geopolítica (embora ocasionalmente desconfortável) que foi mantida como resultado do medo das pessoas de seu poder. “Se as armas que projetamos nunca forem usadas”, diz ele, “teremos sido bem -sucedidos”.■