Новые модели газовых сигнатур взрывов помогут инспекторам обнаруживать подземные ядерные испытания

Ученые Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса (LLNL) с помощью экспериментов и компьютерного моделирования газовых выбросов смоделировали сигнатуры газов от подземных ядерных взрывов (ПЯВ), которые могут переноситься ветром на значительные расстояния от места детонации.

Эта работа поможет международным инспекторам определить место и идентифицировать тайный полигон ПЯВ в пределах поисковой зоны площадью 1000 км² во время инспекции на месте, которая может проводиться в рамках Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний. Некоторые аспекты обнаружения сигнатур благородных газов были протестированы во время смоделированной инспекции — Комплексных полевых учений 2014 (IFE14) в Иордании, организованных Подготовительной комиссией Организации по Договору о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний (CTBTO) с участием более 40 стран. Метод также может помочь интерпретировать сигналы радиоактивных изотопов ксенона в атмосфере после ПЯВ, подобных северокорейскому испытанию в январе.

Работа объединила полевые эксперименты с закачкой газовых трассеров в старую полость ядерного взрыва и сложное численное моделирование с новым методом отслеживания различных материнских/дочерних изотопов, образующихся в полости детонации. Моделирование использует результаты полевого эксперимента для изучения изотопной эволюции и процессов транспортировки газов после ПЯВ. Команда, состоящая из ученых LLNL и National Security Technologies (NSTec), частично воспроизвела подповерхностные условия после ПЯВ, ответственные за миграцию газов к поверхности, где их можно обнаружить локально.

«Работа является новаторской отчасти из-за того, как мы ее выполнили: путем закачки газов в старую полость ПЯВ и последующего использования компьютерных моделей, основанных на эксперименте, для расширения нашего понимания эволюции газа ксенона после взрыва», — сказал Чарльз Карриган, геоученый LLNL и ведущий автор статьи в журнале Scientific Reports от 16 марта.

Используя модели, команда показала, что включение в модель термически обусловленной миграции газов из полости взрыва может существенно сократить время их выхода на поверхность по сравнению с миграцией, вызванной только колебаниями атмосферного давления (барометрической накачкой). «Мы также обнаружили, что фоновые уровни газа радона на поверхности над полостью взрыва были аномально высокими (в 10–15 раз выше нормы)», — добавил Карриган. Это говорит о том, что аномалии радона могут быть потенциальными индикаторами скрытых ПЯВ.

Моделирование также показало, что полость взрыва ведет себя как протекающий химический реактор: газы, покидающие его, изменяют общий изотопный состав газов, оставшихся внутри, который продолжает производить новые газы. «Испытание ПЯВ, проведенное в Северной Корее в 2013 году, позволило нам провести некоторую валидацию нашей модели эволюции газов взрыва. Мы обнаружили, что газы, обнаруженные почти два месяца спустя в России, лучше всего соответствуют нашей модели, когда мы предполагаем диапазон мощности, согласующийся с сейсмическими оценками (менее 10 килотонн) для этого события», — отметил Карриган. Исследование также может найти применение в мониторинге других нагретых или находящихся под давлением подземных сред, таких как подземная газификация угля, глубокое захоронение сверхкритического CO₂ и утилизация ядерных отходов.