Гафниевая бомба

Известен изомер гафния ^178m2Hf. Он привлёк внимание общественности в связи с исследованиями агентства оборонных исследований DARPA по принудительному распаду изомера с выделением значительных энергий. Начали высказываться гипотезы о возможности построения гафниевой бомбы. Тем не менее в научной среде ставится под сомнение как возможность управляемого взрывного распада 178m2Hf, так и возможность получения изомера в количествах, необходимых для создания оружия.

Высокое содержание энергии в ^178m2Hf было предметом исследования программы, финансируемой DARPA в США. Эта программа в конечном итоге пришла к выводу, что использование вышеупомянутого ядерного изомера ^178m2Hf гафния для создания высокопроизводительного оружия с рентгеновскими пусковыми механизмами — применение индуцированного гамма-излучения — было нецелесообразным из-за его стоимости.

Спор о гафнии был дебатами о возможности «запуска» быстрых высвобождений энергии посредством гамма-излучения из ядерного изомера гафния, ^178m2Hf. За одно событие высвобождение энергии на 5 порядков (в 100 000 раз) более энергично, чем в типичной химической реакции, но на 2 порядка меньше, чем в реакции ядерного деления. В 1998 году группа под руководством Карла Коллинза из Техасского университета в Далласе сообщила, что успешно инициировала такую реакцию. В тех первых экспериментах отношения сигнал/шум были небольшими, и на сегодняшний день ни одна другая группа не смогла повторить эти результаты. Питер Циммерман (американский физик-ядерщик и эксперт по контролю над вооружениями) охарактеризовал заявления о потенциале создания оружия как основанные на «очень плохой науке».

^178m2Hf является особенно интересным кандидатом для экспериментов по индуцированному гамма-излучению (IGE), поскольку энергия ^178m2Hf на 2,5 МэВ на ядро выше, чем у гафния в основном состоянии, и у него длительный период полураспада в 31 год. Если бы гораздо более низкоэнергетическое излучение от какого-либо агента могло бы «запустить» высвобождение этой накопленной энергии до того, как большая часть этого инициирующего излучения будет рассеяна в конкурирующих процессах, и если бы инициирующее излучение могло быть эффективно регенерировано гамма-излучением 2,5 МэВ, то можно было бы запустить каскад гамма-фотонов. Длительный период полураспада ^178m2Hf мог бы позволить спроектировать вещество с достаточным количеством этих энергетических ядер, необходимых для индуцированного излучения, т. е. гамма-лазера. В то время как индуцированное излучение высокоэнергетического фотона низкоэнергетическим фотоном добавляет мощности к полю излучения, индуцированное излучение добавляет когерентности.

Со всеми оговорками о рассеивании запускающего фотона и его эффективном воссоздании запускаемым энергичным фотоном, этот процесс, в принципе, может привести к созданию ядерных реакционных двигателей, а также более точных радиометрических устройств. Предложение продемонстрировать эффективность «запуска» ^178m2Hf было одобрено на семинаре НАТО-Advanced Research Workshop (NATO-ARW), состоявшемся в Предяле в 1995 году. Хотя предложение состояло в том, чтобы использовать падающие протоны для бомбардировки цели, α-частицы были доступны, когда был запланирован первый эксперимент. Он был проведен французской, русской, румынской и американской командой. Было сказано , что результаты были экстраординарными, но они не были опубликованы. Тем не менее, 178m2Hf подразумевалось как имеющее особое значение для потенциальных применений IGE. Быстро разгорелся спор, в основном между первоначальными сторонниками ^178m2Hf как имеющего потенциальное военное применение в качестве гамма-лазерного оружия или ненейтронного, но все же ядерного взрывчатого вещества, и критиками, которые игнорировали такие возможности из-за практических препятствий на этом пути: ^178m2Hf трудно производить и практически невозможно отделить от основного состояния Hf, поглощение низкоэнергетических запускающих рентгеновских лучей связанными электронами вокруг ядра Hf и ничтожная вероятность воссоздания способного к запуску рентгеновского луча, начиная с самого запускаемого рентгеновского луча путем многократного случайного рассеяния. Тем не менее, военное применение было достаточно заманчивым, чтобы попытаться превратить ^178m2Hf во что-то полезное (а не в интригующее ядро, пригодное только для академического изучения).

^178m2Hf имеет самую высокую энергию возбуждения среди всех сравнительно долгоживущих изомеров. Один грамм чистого ^178m2Hf содержит приблизительно 1330 мегаджоулей энергии, что эквивалентно примерно 300 килограммам (660 фунтам) взрывчатого вещества ТНТ. Период полураспада ^178m2Hf составляет 31 год или 1 Гс (гигасекунда, 1 000 000 000 секунд), так что естественная радиоактивность грамма составляет 2,40 ТБк (65 Ки). Активность находится в каскаде проникающих гамма-лучей, наиболее энергичное из которых составляет 0,574 МэВ. Для безопасности человека потребовалось бы существенное экранирование, если бы образец был одним граммом чистого изомера. Однако до сих пор ядерный изомер существует только в низких концентрациях (<0,1%) в многоизотопном гафнии. Вся высвобождаемая энергия будет в форме фотонов; рентгеновских лучей и гамма-лучей. Если бы вся энергия в ядре могла быть высвобождена в течение короткого времени (например, одной наносекунды), один грамм чистого ^178m2Hf произвел бы рентгеновский всплеск с чрезвычайно высокой мощностью порядка 1 ГДж/нс или 1 экзаватт (1 x 1018 Вт). Однако количественные оценки показывают, что энергия, высвобождаемая ядерным изомером, намного меньше энергии, необходимой для инициирования процесса; мощность, необходимая для инициирования IGE, должна была бы происходить в течение более короткого промежутка времени, чем высвобождение ядерной энергии, и, следовательно, была бы еще более непропорциональной. Характерные масштабы времени для процессов, вовлеченных в приложения, были бы благоприятны для потребления всей начальной радиоактивности. Процесс запуска образца с помощью IGE использовал бы фотоны для запуска и производства фотонов в качестве продукта. Распространение фотонов происходит со скоростью света, в то время как механическая разборка мишени происходила бы со скоростью, сравнимой со скоростью звука. Неактивированный материал 178m2Hf может не уйти от активированного события, если фотоны сначала не взаимодействуют с электронами. Как предложение в NATO-ARW, так и фрагментарные результаты последующего эксперимента показали, что энергия фотона, необходимая для инициирования ИГИ(Индуцированное гамма-излучение) из ^178m2Hf, будет менее 300 кэВ. Многие экономичные источники таких низкоэнергетических рентгеновских лучей были доступны для доставки довольно больших потоков к целевым образцам скромных размеров. Образцы ^178m2Hf были и остаются доступными только в низких концентрациях (<0,1%), без какого-либо четкого способа увеличения этой концентрации.

• Около 1997 года консультативная группа JASONS взяла показания о запуске ядерных изомеров. Консультативная группа JASON Defense опубликовала соответствующий публичный отчет, в котором говорилось, что они пришли к выводу, что это невозможно и не следует пытаться делать это. Несмотря на промежуточные публикации в рецензируемых журналах статей, написанных международной группой, сообщающей об индуцированном гамма-излучении от ^178m2Hf, около 2003 года IDA взяла показания, опять же от соответствующих ученых, по вопросам достоверности сообщенных результатов. Профессор Карл Коллинз, ведущий американский член группы, опубликовавшей успехи, не давал показаний.

• Около 2003 года DARPA инициировало поисковое исследование, названное стимулированным высвобождением энергии изомера (SIER), и оно вызвало общественный интерес как на уровне общественности, так и на профессиональном уровне.

• Первой целью SIER было выяснить, можно ли производить значительные количества ^178m2Hf по приемлемым ценам для возможных применений. Закрытая группа под названием HIPP была уполномочена выполнить эту задачу и пришла к выводу, что это возможно. Однако ученый из этой конфиденциальной группы по рассмотрению HIPP DARPA «слил» предвзятые, но предварительные опасения в прессу. Это необоснованное утверждение положило начало последующему каскаду неточных сообщений о так называемых «возмутительных расходах» на запуск изомера.

• Удовлетворив требование группы HIPP изучить проблему производства по приемлемым ценам, программа SIER обратилась к вопросу окончательного подтверждения отчетов IGE от ^178m2Hf. Задача TRiggering Isomer Proof (TRIP) была поручена DARPA и поручена полностью независимой команде от тех, кто сообщал об успехах ранее. «Золотой стандарт» запуска изомеров гафния был установлен в диссертации Русу. Эксперимент TRIP требовал независимого подтверждения диссертации Русу. Он был успешным, но не мог быть опубликован.