Pentagon misstag: Vem säger Hafnium?

Defense Advanced Research Projects Agency, en amerikansk avdelning för försvarets forskningsbyrå, utvecklar försvarsteknologi. DARPA har en hel del framgångsrika projekt, men som historien om hafniumbomben har visat är en gammal kvinna råkar vara ett hål ...

Hafnium är det 72: e elementet i det periodiska systemet. Denna silvervit metall fick sitt namn till hedern för det latinska namnet på staden Köpenhamn (Hafnia), där den upptäcktes 1923 av Dick Coster och Gyord Heveshi, anställda vid Köpenhamns institut för teoretisk fysik

Trots dess fantastiska utseende är det inte en hafniumisomer bomb. Även om hafnium spelar en ledande roll i denna design. Således är hafnium-styrstången för en atomreaktor anordnad

Sändaren samlades från en kasserad röntgenmaskin, som brukade vara på tandläkarkontoret, samt en hushållsförstärkare som köpts i en närliggande butik. Det kontrasterade starkt med den höga skylten, Center for Quantum Electronics, som sågs av dem som gick in i den lilla kontorsförlängningen vid University of Texas i Dallas. Emellertid hanterade enheten sin uppgift - nämligen bombarderade den regelbundet en inverterad plastkopp med en ström av röntgenstrålar. Naturligtvis hade glaset självt ingenting att göra med det - det fungerade helt enkelt som ett stöd under det knappt märkbara provet av hafnium, eller snarare dess isomer Hf-178-m2. Experimentet varade i flera veckor. Men efter noggrann behandling av de mottagna uppgifterna tillkännagav centrumets direktör, Karl Collins, hans tveksamma framgång. Utifrån inspelningarna av inspelningsutrustningen fann hans grupp ett sätt att skapa miniatyrbomber av enorm kraft - enheter på en näve som kan producera förstörelse motsvarande tiotals ton vanliga sprängämnen.

Så 1998 började den isomera bombens historia, som senare blev känd som ett av de största misstagen i vetenskapens och militärforskningens historia.

Vetenskaplig känsla

I sin rapport skrev Collins att han kunde upptäcka en extremt liten ökning av röntgenbakgrunden som det bestrålade provet sände ut. Samtidigt är det röntgenstrålning som är tecknet på övergången på 178m2Hf från det isomera tillståndet till det vanliga (se ruta). Följaktligen hävdade Collins att hans grupp var i stånd att påskynda denna process genom att bombardera provet med röntgenstråle (när en röntgenfoton med relativt låg energi absorberas flyttar kärnan till en annan upphetsad nivå, och sedan en snabb övergång till marknivån följs av frigörandet av hela energireserven). För att få ett prov att explodera, resonerade Collins, behöver du bara öka emittorns effekt till en viss gräns, varefter provets egen strålning kommer att vara tillräcklig för att utlösa en kedjereaktion av övergången av atomer från ett isomert tillstånd till ett normalt. Resultatet kommer att bli en mycket påtaglig explosion, liksom en enorm explosion av röntgenstrålning.

Det vetenskapliga samfundet mötte denna publikation med uppenbar misstro och experiment började utföras i laboratorier runt om i världen för att verifiera resultaten från Collins. Vissa forskargrupper skyndade sig att bekräfta bekräftelsen av resultaten, även om deras antal endast överträffade mätfelen. Men de flesta experter ansåg ändå att det erhållna resultatet var resultatet av en felaktig tolkning av experimentdata.

Militär optimism

En av organisationerna var emellertid mycket intresserad av detta arbete. Trots all skepsis från det vetenskapliga samfundet förlorade den amerikanska militären bokstavligen sina huvuden från Collins löften. Och det var från vad! Studien av nukleära isomerer öppnade vägen för skapandet av fundamentalt nya bomber, som å ena sidan skulle vara mycket kraftigare än vanliga sprängämnen, och å andra sidan inte skulle omfattas av internationella begränsningar relaterade till produktion och användning av kärnvapen (en isomer bomb är inte nukleär, eftersom det förvandlar inte ett element till ett annat).

Isomera bomber kan vara mycket kompakta (de har inte en lägre massgräns, eftersom övergången av kärnor från ett upphetsat tillstånd till ett vanligt tillstånd inte kräver en kritisk massa) och under en explosion skulle de släppa en enorm mängd hård strålning som förstör allt liv. Dessutom kan hafniumbomber betraktas som relativt "rena" - eftersom hafnium-178 marktillstånd är stabilt (det är inte radioaktivt), och det skulle praktiskt taget inte vara någon förorening av området under explosionen.

Pengar som kastas bort

Under de närmaste åren investerade DARPA flera tiotals miljoner dollar i studien av Hf-178-m2. Militären väntade dock inte på att skapa en fungerande modell av bomben. Detta beror delvis på misslyckandet i forskningsplanen: i flera experiment med kraftfulla röntgenstrålar kunde Collins inte visa någon signifikant ökning av bakgrunden till de bestrålade proverna.

Försök att upprepa resultaten från Collins i flera år har gjorts upprepade gånger. Ingen annan vetenskaplig grupp kunde dock på ett tillförlitligt sätt bekräfta accelerationen av förfallet av det isomera tillståndet i hafnium. Fysiker från flera amerikanska nationella laboratorier - Los Alamos, Argonne och Livermore - hanterade också denna fråga. De använde en mycket kraftigare röntgenkälla - Advanced Photon Source of the Argonne National Laboratory, men kunde inte upptäcka effekten av inducerad förfall, även om strålningsintensiteten i deras experiment var flera storleksordningar högre än i Collins själv. Deras resultat bekräftades av oberoende experiment i ett annat amerikanskt nationellt laboratorium - Brookhaven, där den kraftfulla National Synchrotron Light Source användes för bestrålning. Efter en serie nedslående slutsatser försvann militärets intresse för detta ämne, finansieringen upphörde och 2004 avslutades programmet.

Diamantammunition

Under tiden var det redan från början tydligt att den isomiska bomben för alla dess fördelar också har ett antal grundläggande nackdelar. För det första är Hf-178-m2 radioaktiv, så bomben kommer inte att vara helt "ren" (viss förorening av området med "trasig" hafnium kommer ändå att ske). För det andra finns Hf-178-m2-isomeren inte i naturen, och processen för dess produktion är ganska dyr. Du kan få det på ett av flera sätt - antingen genom att bestråla ett ytterbium-176-mål med alfapartiklar eller med protoner - volfram-186 eller en naturlig blandning av tantalisotoper. På detta sätt kan mikroskopiska mängder av hafniumisomer erhållas, vilket borde vara tillräckligt för vetenskaplig forskning.

Ett mer eller mindre massivt sätt att erhålla detta exotiska material är bestrålningen av hafnium-177 neutroner i en atomreaktor med termiska neutroner. Mer exakt såg det ut tills forskarna beräknade att man på ett år i en sådan reaktor från 1 kg naturlig hafnium (som innehåller mindre än 20% av 177-isotopen) kan få ungefär 1 mikrogram av den upphetsade isomeren (isolera denna mängd är ett separat problem). Du kan inte säga någonting, massproduktion! Men massan av ett litet stridsspets bör vara minst tiotals gram ... Det visade sig att sådan ammunition erhålls inte ens "guld", utan direkt "diamant" ...

Vetenskaplig stängning

Men det visades snart att dessa brister inte är avgörande. Och poängen här är inte bristen på tekniken eller experternas brister. Den sista punkten i denna sensationella berättelse lades av ryska fysiker. 2005 publicerade Eugene Tkalya från Institutet för kärnfysik vid Moskva State University i tidskriften Uspekhi Fizicheskikh Nauk artikeln "Inducerad förfall av kärnenomeren 178m2Hf och den isomera bomben." I artikeln beskrev han alla möjliga sätt att påskynda förfallet av hafniumisomeren. Det finns bara tre av dem: strålningens interaktion med kärnan och sönderfall genom en mellanliggande nivå, strålningens interaktion med elektronskalet, som sedan överför excitationen till kärnan och förändringen i sannolikheten för spontan sönderfall.

Efter att ha analyserat alla dessa metoder demonstrerade Tkalya att den effektiva reduktionen av isomerns halveringstid under påverkan av röntgenstrålning strider mot alla teorin bakom modern kärnfysik. Även med de mest gynnsamma antagandena var värdena erhållna ordningsföljd mindre än de som Collins rapporterade om. Så att påskynda frisättningen av kolossal energi, som finns i isnieren av hafnium, är ännu inte möjligt. Åtminstone med hjälp av verkliga teknologier.

Artikeln publicerades i tidskriften Popular Mechanics (nr 10, oktober 2007).

Rekommenderas

Elon Musk visade en nästan färdig tunnel under Los Angeles: video
2019
Svärd gjorda av is, svärd för robotar och andra ovanliga svärd
2019
De mest högteknologiska rånen
2019