عصر چهارم بمب اتمی
جهان‌صنعت – آزمایش ACH در تاسیسات احتراق ملی NIF در کالیفرنیا تنها چند میلیاردم ثانیه طول می‌کشد. با این حال، در همین لحظه کوتاه اتفاقات زیادی رخ می‌دهد: ۱۹۲ پرتو لیزر که در مجموع توان آنها به ۵۰۰ تریلیون وات می‌رسد، در محفظه دستگاه به هم می‌پیوندند و انرژی خود را بر روی استوانه‌ای طلایی به طول تنها چند سانتی‌متر متمرکز می‌کنند. درون این استوانه، کره‌ای به اندازه یک دانه فلفل قرار دارد که از جنس الماس بوده و با مخلوطی از دوتریوم و تریتیوم، ایزوتوپ‌های سنگین هیدروژن پر شده است. هنگامی که اتم‌های دوتریوم و تریتیوم تحت فشارهایی‌میلیارد برابر فشار جو به هم فشرده می‌شوند و دمای شان از ۱۰۰میلیون درجه سانتیگراد فراتر می‌رود، شروع به همجوشی و تشکیل هلیوم می‌کنند و انرژی عظیمی آزاد می‌شود.
این همان ابزاری است که برای شبیه‌سازی انفجار یک سلاح هسته‌ای بدون منفجر کردن بمب واقعی به کار می‌رود. در واقع NIF در دهه ۱۹۹۰ طراحی شد، چند سال پس از آنکه آمریکا تصمیم گرفت آزمایش‌های انفجاری زیرزمینی سلاح‌های هسته‌ای خود را متوقف کند. در غیاب این آزمایش‌ها، مسوولان بازدارندگی هسته‌ای ایالات متحده هنوز باید راه‌هایی برای تضمین ایمنی کلاهک‌ها در زمان نگهداری و مهم‌تر از آن، اطمینان از عملکرد صحیح آنها در صورت نیاز، پیدا می‌کردند. تاسیساتی که برای پاسخ به این نیاز ایجاد شدند، شامل NIF قدرتمندترین لیزر جهان و El Capitan، سریع‌ترین و توانمندترین ابررایانه آن زمان بودند. هر دو اکنون در ماموریت تازه‌ای برای آزمایشگاه‌های تسلیحات هسته‌ای آمریکا نقش محوری دارند: ارتقای بمب‌های موجود و طراحی بمب‌های کاملا جدید برای نخستین بار در چند دهه گذشته. نگهداری از تسلیحات هسته‌ای نیازمند ارتشی از دانشمندان و مهندسان است. NIF بخشی از آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور است که در نزدیکی سان‌فرانسیسکو و در سال ۱۹۵۲ به عنوان رقیبی برای آزمایشگاه ملی لوس آلاموس در نیومکزیکو تاسیس شد. بمب‌های هسته‌ای اولیه کمتر از یک دهه پیش تر در لوس آلاموس ساخته شده بودند. به گزارش اکونومیست، کیم بودیل، رییس لیورمور می‌گوید: ما این فناوری پیشرفته را در محیطی کاملا محرمانه توسعه دادیم. دقت علمی، بررسی همتایان و رقابت واقعا حیاتی بود. در واقع این دو آزمایشگاه عمدا طراحی‌های متفاوتی را برای تسلیحات دنبال می‌کنند و گرچه گاهی همکاری دارند اما به یکدیگر لقب رقیب- همکار داده‌اند. لیورمور و لوس آلاموس وظیفه طراحی بسته‌های فیزیکی کلاهک‌های هسته‌ای آمریکا را دارند، یعنی بخش‌های هسته‌ای بمب‌ها. موسسه سومی به نام آزمایشگاه ملی سندیا نیز اجزای غیرهسته‌ای مانند چاشنی‌ها، باتری‌ها، حسگرها و قطعات الکترونیکی مقاوم به تابش را اضافه می‌کند و محصولات دو آزمایشگاه فیزیکی را با سیستم‌های تحویلی مثل موشک‌ها یکپارچه می‌سازد تا تسلیحاتی قابل حمل و کاربردی تولید شوند. در مجموع، این سه آزمایشگاه زیرمجموعه اداره امنیت هسته‌ای ملی (NNSA) ده‌ها هزار دانشمند و مهندس را در استخدام دارند. هر سه به نشریه اکونومیست دسترسی نادری به پژوهشگران و برخی از تاسیسات خود داده‌اند.
هنگامی که لیورمور افتتاح شد، یکی از اهداف اصلی آن، تسریع توسعه بمب‌های هیدروژنی یا گرماهسته‌ای بود. برخلاف بمب‌های شکافت هسته‌ای که در پروژه منهتن توسعه یافتند و از طریق شکافت اتم‌های عناصر سنگین مانند اورانیوم و پلوتونیوم انرژی آزاد می‌کردند، بمب‌های هیدروژنی برای آزادسازی انرژی از طریق همجوشی اتم‌های دوتریوم و تریتیوم طراحی شده‌اند. این بمب‌ها «هیدروژنی» نامیده می‌شوند چون دو مرحله دارند: ابتدا یک بمب شکافتی از پلوتونیوم گرمای شدیدی ایجاد می‌کند؛ سپس این گرما مرحله دوم، یعنی همجوشی را راه‌اندازی می‌کند. فناوری هیدروژنی راه را برای ساخت سلاح‌هایی قدرتمندتر و فشرده‌تر باز کرد. در دهه ۱۹۵۰ زمانی که نیروی دریایی آمریکا تصمیم گرفت بازدارندگی هسته‌ای در دریا ایجاد کند، وظیفه کوچک‌سازی بمب‌های هسته‌ای به لیورمور سپرده شد تا بتوان آنها را بر موشک‌هایی سوار کرد که در زیردریایی‌ها جای بگیرند. کمتر از چهار سال طول کشید تا موشک پولاریس طراحی شد؛ سیستمی که از نظر اندازه، یک مرتبه کوچک‌تر از نمونه‌های قبلی بود و بودیل آن را مهم‌ترین تحول فناورانه در تاریخ تسلیحات هسته‌ای توصیف می‌کند. دستگاه‌های هیدروژنی کوچک و فشرده به ستون فقرات زرادخانه‌های هسته‌ای آمریکا و شوروی در دوران جنگ سرد تبدیل شدند. خوشبختانه، هیچ‌یک از این سلاح‌ها هرگز در جنگ استفاده نشدند و دهه‌ها پس از ساخت، هزاران عدد از آنها همچنان در انبارها باقی مانده‌اند. یکی از بزرگ‌ترین وظایف امروز دانشمندان در آزمایشگاه‌های لوس آلاموس، لیورمور و سندیا، پایش دقیق این کلاهک‌ها ست. دکتر بودیل به اکونومیست می‌گوید: یک سلاح هسته‌ای که روی قفسه نشسته باشد، مثل یک آزمایش شیمیایی است که سال به سال ادامه دارد. همه چیز در حال تغییر است. مواد رادیواکتیو با زمان تجزیه می‌شوند. پلیمرها تحلیل می‌روند. هر سال، چند کلاهک به طور کامل باز شده و بررسی دقیق می‌شوند. آزمایش‌های شدیدتری نیز انجام می‌گیرد. نمونه‌های میکروسکوپی از مواد، داخل محفظه هدف NIF قرار داده می‌شوند تا تحت شرایطی معادل یک انفجار هسته‌ای با اشعه X تصویربرداری شوند. در سندیا، دستگاه Z راهی دیگر برای شبیه‌سازی هسته انفجار هسته‌ای است که از میدان‌های الکترومغناطیسی شدید به جای لیزر استفاده می‌کند. در لوس آلاموس، بخش‌های غیرهسته‌ای سلاح‌ها تحت ضربه موج‌های انفجاری ناشی از مواد منفجره معمولی قرار می‌گیرند.
همه این آزمایش‌ها برای درک بهتر ویژگی‌های مواد مورد استفاده در بمب‌ها ست. همراه با هزار آزمایش کامل تسلیحات هسته‌ای که تا پیش از ۱۹۹۲ انجام شد، این داده‌ها برای ساخت شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای بهتر از انفجارهای هسته‌ای به کار می‌روند. این شبیه‌سازی‌ها اکنون چنان دقیق هستند که تام میسون، مدیر لوس آلاموس، معتقد است دانشمندان امروز درک بهتری از عملکرد تسلیحات هسته‌ای دارند تا زمانی که آزمایش‌های انفجاری رایج بود. او می‌گوید: ابزارهای علمی مدرن از هر آنچه در دهه ۱۹۹۰ داشتیم بسیار پیشرفته‌تر هستند.
ابر رایانه اعجاب‌انگیز
در مرکز محاسباتی لیورمور، مزیت این پیشرفت به خوبی نشان داده می‌شود؛ در ماه ژانویه، دانشمندان و مقامات دولتی از جدیدترین و اکنون قدرتمندترین ابررایانه جهان یعنی El Capitan، رونمایی کردند. این دستگاه می‌تواند یک کوینتیلیون (۱۰ به توان ۱۸) عملیات ممیز شناور در ثانیه انجام دهد. این حدود ۱۰۰میلیون برابر سریع‌تر از یک لپ‌تاپ معمولی است و آن را به سومین رایانه با مقیاس «اگزاسکیل» در تاریخ تبدیل می‌کند. پیشوند «اگزا» به معنی عدد یک با ۱۸ صفر است. این ابررایانه بخشی از برنامه شبیه‌سازی و محاسبات پیشرفته ASC است که در سال ۱۹۹۵ همراه با NIF در پاسخ به توقف آزمایش‌های هسته‌ای آمریکا راه‌اندازی شد. یکی از نخستین اهداف آن، ایجاد سخت‌افزار و نرم‌افزاری برای اجرای شبیه‌سازی سه‌بعدی از یک سیستم سلاح بود. دانشمندان با استفاده از معماری محاسبات موازی که در آن زمان امکان پذیر شد، بر چالش‌ها غلبه کردند. این یعنی تقسیم شبیه‌سازی به بخش‌های کوچک که همزمان بر روی واحدهای پردازش مرکزی CPU و واحدهای پردازش گرافیکی GPU اجرا شوند. حتی با این روش، اجرای یک شبیه‌سازی ماه‌ها زمان می‌برد. راب نیلی، مدیر شبیه‌سازی و محاسبات تسلیحات در لیورمور می‌گوید: امروز با El Capitan، تخمین می‌زنیم بتوانیم بیش از ۲۰۰ شبیه‌سازی از این نوع را در یک روز اجرا کنیم، آن هم با وضوح بسیار بالاتر. اگر به پردازنده‌ها دقیق‌تر نگاه کنیم، چیز دیگری هم آشکار می‌شود. به جای CPU و GPU، El Capitan از تراشه‌های ویژه‌ای به نام واحدهای پردازش شتاب‌یافته APU استفاده می‌کند که توسط شرکت AMD به طور خاص برای لیورمور طراحی شده‌اند. در حالت عادی، GPU و CPU حافظه و ذخیره‌سازی جدا دارند و ارتباط میان آنها که باس نامیده می‌شود می‌تواند گلوگاه سرعت سیستم باشد اما هر APU یک قطعه سیلیکونی واحد است با بخش‌هایی به نام چیپلت که به‌طور مستقل مانند CPU یا GPU عمل می‌کنند و می‌توانند حافظه و ذخیره‌سازی مشترک داشته باشند. نیلی می‌گوید: این تنها معماری در جهان است که ما می‌شناسیم که به این روش کار می‌کند. در لوس آلاموس، این شبیه‌سازی‌ها اکنون برای طراحی یک سلاح جدید از ابتدا به کار می‌روند. این سلاح جدید W93 نام دارد و قرار است در موشک‌های بالستیک زیردریایی‌های کلاس جدید کلمبیا نیروی دریایی آمریکا استفاده شود. این نخستین سلاح جدید زرادخانه هسته‌ای آمریکا از دهه ۱۹۸۰ است و چون آزمایش انفجاری ممنوع است، از ابتدا باید با شبیه‌سازی طراحی شود. نیلی می‌گوید El Capitan امکان بهینه‌سازی طراحی را فراهم خواهد کرد.
بازگشت به استراتژی بازدارندگی
W93 نماد انرژی تازه در لوس آلاموس است. میسون می‌گوید: بودجه ما در پنج یا شش سال گذشته تقریبا دو برابر شده است. این به معنای هزاران دانشمند بیشتر، تاسیسات مدرن شده و احیای توان تولید هسته‌های پلوتونیومی است که عنصر اصلی بمب‌های هیدروژنی مدرن هستند. نکته مهم این است که برخلاف بسیاری از حوزه‌های علمی دیگر در آمریکا، بودجه NNSA کاهش فدرالی در پیش ندارد.
همه اینها پاسخ به چیزی است که میسون «عصر چهارم» تسلیحات هسته‌ای می‌نامد. اولی، اختراع بمب‌های هسته‌ای در پروژه منهتن بود؛ دومی رقابت جنگ سرد برای توسعه زرادخانه‌ها؛ سومی دوران پس از سقوط شوروی که تصور می‌شد نقش بازدارندگی هسته‌ای کمرنگ خواهد شد اما عصر چهارم نگران‌کننده است: شکست کنترل تسلیحات، تهدیدهای روسیه به استفاده از سلاح هسته‌ای، توسعه سریع چین و تنش میان سایر قدرت‌های هسته‌ای مانند هند و پاکستان. همچنین عدم اطمینان درباره قدرت‌های هسته‌ای جدید و بالقوه و خطر اینکه متحدان آمریکا با از دست دادن اعتماد به چتر حمایتی‌اش، خودشان سلاح هسته‌ای توسعه دهند. میسون می‌گوید: واضح است که بازدارندگی، بار دیگر، بسیار مهم شده است. گرچه هدف اصلی آزمایشگاه‌های لوس آلاموس و لیورمور مشخص است اما دانشمندان‌شان مشتاق هستند نشان دهند این تاسیسات می‌توانند کارهایی فراتر از امنیت ملی انجام دهند. NIFبرای نمونه، آزمایشگاهی پیشرو در تلاش برای تولید انرژی از همجوشی هسته‌ای است. در دسامبر ۲۰۲۲، NIF موفق شد به وعده سری در نام خود عمل کند و نخستین مکانی در جهان شود که به احتراق دست می‌یابد؛ یعنی آزادسازی انرژی بیشتر از همجوشی نسبت به آنچه برای شروع آن مصرف شده بود. از آن زمان تاکنون، دانشمندان آنجا در هشت مورد دیگر نیز به احتراق دست یافته‌اند و در هر بار، مقدار انرژی آزاد شده را افزایش داده‌اند. مارک هرمان، مدیر برنامه فیزیک تسلیحات در لیورمور و مدیر پیشین NIF، به خوبی می‌داند که تبدیل این پیشرفت‌ها به منبعی عملی برای تولید انرژی به تلاش بیشتری نیاز دارد. برای شروع، خود لیزرها باید بسیار پرانرژی‌تر و کارآمدتر شوند و واکنش‌های همجوشی باید به‌جای چند بار در هفته، ده‌ها بار در ثانیه رخ دهند. هرمان می‌گوید: گرچه به مهندسی بیشتری نیاز داریم اما هیچ مانع علمی برای وقوع این امور وجود ندارد.
با این‌حال، این آزمایشگاه‌ها به خاطر سلاح‌ها وجود دارند و قدرت هولناک این سلاح‌ها همیشه در ذهن و انگیزه دانشمندان آنها نقش دارد. وقتی از دکتر میسون پرسیده شد که او و همکارانش درباره نقش‌شان در توسعه بمب‌های هسته‌ای چه احساسی دارند، او به نظمی ژئوپلیتیکی ناپایدار اشاره می‌کند که از ترس همین قدرت ایجاد شده است. او می‌گوید: اگر سلاح‌هایی که طراحی کرده‌ایم هرگز استفاده نشوند، آن‌وقت ما موفق شده‌ایم.
