Sandia National Laboratories-onderzoekers, als onderdeel van een groep wetenschappers van de National Nuclear Security Administration, hebben jarenlange veldexperimenten afgerond om het vermogen van de Verenigde Staten om aardbevingen te onderscheiden van ondergrondse explosies te verbeteren, essentiële kennis die nodig is om de bewakings- en verificatiecapaciteiten van het land voor het detecteren van ondergrondse nucleaire explosies te verbeteren.

Het negenjarige project, de bronfysica-experimenten, was een reeks ondergrondse chemische explosieve ontploffingen met verschillende opbrengsten en verschillende diepten om het begrip van seismische activiteit over de hele wereld te verbeteren. Deze door de NNSA gesponsorde experimenten werden uitgevoerd door Sandia, Los Alamos National Laboratory en Lawrence Livermore National Laboratory en Mission Support and Test Services LLC, die de operaties beheert op de Nevada National Security Site. Het Defense Threduction Agency, de Universiteit van Nevada, Rene, en verschillende andere laboratoria en onderzoeksorganisaties namen deel aan verschillende aspecten van het programma.

Onderzoekers denken dat geregistreerde gegevens en computermodellen van de experimenten de wereld veiliger kunnen maken, omdat het testen van ondergrondse explosieven niet zou worden aangezien voor aardbevingen. De resultaten zullen worden geanalyseerd en ter beschikking worden gesteld aan tal van instellingen, zei Sandia hoofdonderzoeker en geofysicus Rob Abbott.

De dataset is enorm. "Het wordt de beste explosiedataset van dit type ter wereld genoemd, "Zei Abbott. "We hebben veel moeite gedaan om dit correct te doen."

De laatste ondergrondse explosie in de serie vond plaats op 22 juni.

Experimenten onderzochten verschillen tussen explosies in harde, zachte rots

Fase 1 van SPE bestond tussen 2010 en 2016 uit zes ondergrondse tests in graniet. Fase 2 bestond uit vier ondergrondse tests in droge alluviumgeologie, of zachte rots, in 2018 en 2019. De resultaten van beide fasen zullen worden geanalyseerd om te helpen bepalen hoe ondergrondse detonaties in droog alluvium zich verhouden tot die in hard gesteente. Aanvullend, de SPE-gegevens kunnen worden vergeleken met gegevens die zijn verzameld uit historische ondergrondse kernproeven die zijn uitgevoerd op de voormalige testlocatie in Nevada.

Afhankelijk van het experiment, tot 1, Er werden 500 sensoren opgesteld om metingen te doen. Deze diagnostiek omvat infrageluid, seismisch, diverse boorgatinstrumenten, snelle video, geologische kartering, op een drone gemonteerde fotografie, gedistribueerde glasvezeldetectie, elektromagnetische handtekeningen, opnames van gasverplaatsing, veranderingen in het grondoppervlak van radar met synthetische apertuur en lidar (die afstand meet met behulp van lasers), en anderen. Versnellingsmeters werden opgesteld op meerdere locaties rond de explosie, samen met temperatuursensoren en elektromagnetische sensoren.

"De gegevens zijn ontworpen om uiteindelijk voor iedereen vrij beschikbaar te zijn, zodat elke andere onderzoeker uit elk land de gegevens kan gebruiken om deze gebeurtenissen te begrijpen, ' zei Abbott.

Het project dient ook als oefenterrein voor de volgende generatie non-proliferatiewetenschappers en ingenieurs, met stagiaires van 14 verschillende universiteiten en hogescholen die naar Sandia komen om met de gegevens te werken, hij zei.

Het begrijpen van seismische metingen is essentieel bij het onderscheiden van ondergrondse gebeurtenissen

Satellieten elimineren in wezen de mogelijkheid dat kernproeven aan de oppervlakte onopgemerkt blijven, waar ook ter wereld, maar ondergronds testen is moeilijker te detecteren en te karakteriseren vanwege de beperkte toegang en zichtbare kenmerken, en moeilijk onderscheid te maken tussen nucleaire explosies en andere soorten seismische gebeurtenissen, zei Zack Cashion, hoofdingenieur voor fase 2 van het project.

Wanneer wetenschappers aardbevingen bestuderen, ze kijken naar compressiegolven (primaire of P-golven) en schuifgolven (secundaire of S-golven). Abbott zei dat explosies typisch meer P-golven produceren in vergelijking met S-golven in vergelijking met aardbevingen.

Voorafgaand aan SPE, wetenschappers merkten op dat sommige buitenlandse ondergrondse kernproeven er meer aardbevingsachtig uitzagen in vergelijking met eerdere nucleaire explosies over de hele wereld, wat aangaf dat er meer experimentele kennis nodig was om de modellering te verbeteren en de mogelijkheid om wereldwijde testen te volgen, zei Abbott.

"De enige manier om dat beter te begrijpen, naar onze mening, was om daadwerkelijke fysieke experimenten te doen, "Zei Abbott. "We kunnen niet zomaar nieuwe modelleringscodes hebben zonder iets om die nieuwe modelleringscodes tegen te testen."

In beide SPE-fasen één gat werd gebruikt om meerdere explosieven met verschillende opbrengsten vast te houden. In fase 2, het gat was 8 voet in diameter en oorspronkelijk 1, 263 meter diep. Voor het eerste Fase 2-experiment dat afgelopen zomer plaatsvond, een explosieve bus met ongeveer 1 metrische ton TNT-equivalent nitromethaan werd in het gat neergelaten en bedekt met een zorgvuldig ontwerp van grind, zand en cement. Opeenvolgende experimenten gebruikten hetzelfde gat en dezelfde explosieven in hoeveelheden van 50 ton, 1 ton, en 10 metrische ton TNT-equivalentie werd verlaagd waar het grind en zand ophielden met het vorige experiment.

Cashion leidde het ontwerp van de instrumentatie en boorgatversnellingsmeters die gegevens verzamelden voor de tweede fase van de experimenten. Twaalf instrumentatieboorgaten werden geboord op 120 graden azimuts op vier radiale ringen van 33, 66, 131 en 262 voet van het testgat. De instrumentatiegaten werden gevuld met 58 instrumentatiemodules, elk met een set versnellingsmeters, magnetometers, gyroscopen en temperatuursensoren.

Het doel van elk experiment was om van zoveel mogelijk sensoren hoogwaardige gegevens te verzamelen. Op de testdag wanneer iedereen op zijn plaats is, Cashion zei dat de stemming intens wordt.

"Het is tijd om plannen uit te voeren die maanden of jaren zijn besproken en waarvoor enorme groepsinspanning en coördinatie nodig waren om te implementeren en het komt allemaal neer op één moment, "zei hij. "Je zit daar naar je scherm te kijken en het is "Drie, twee, een, vuur, " en dan voel je misschien niets. Afhankelijk van het systeem, u ziet misschien pas iets op uw scherm veranderen nadat de opnameduur is voltooid. Daar wacht je op, het kan vier seconden zijn, maar het voelt als een eeuwigheid, en dan ga je naar de gegevens kijken en veeg je je voorhoofd af dat de gebeurtenis heeft plaatsgevonden zoals gepland en dat het inderdaad is opgenomen."

Onderzoekers werken aan het bepalen van de explosiediepte, maat

Sandia National Laboratories-wetenschapper Danny Bowman heeft SPE-geluidsgolven gemeten met behulp van grond- en luchtmicrofoons. Hij zei dat wanneer gebeurtenissen ondergronds plaatsvinden en het grondoppervlak in beweging komt, de aarde fungeert als een gigantische luidspreker en kan geluid overbrengen.

"We weten dat aardbevingen dit doen, " zei Bowman. "In deze testreeks, we probeerden te begrijpen hoe dit gebeurt, hoe we de eigenschappen van geluid kunnen gebruiken om te bepalen hoe groot de explosie was en hoe diep hij was."

De meeste infrageluidgegevens werden verzameld van grondsensoren die voor de experimenten waren opgesteld, en Bowman zei dat er in SPE enkele verrassingen waren. Toen de tests plaatsvonden in graniet, wetenschappers ontdekten dat ze geluid konden gebruiken om de grootte en diepte van de explosie te bepalen, hij zei, maar droge alluviumgeologie bood geen voorspellende kracht. En hoewel de explosies groter waren in fase 2, ze boden niet altijd infrageluid.

"Onze taak in de komende jaren als alle gegevens zijn verzameld, en we hebben een kans om het te analyseren, is om deze uitzonderlijke dataset te nemen en er wat voorspellende kracht uit te halen, " zei Bowman. "Ik geloof dat dat mogelijk is, maar we zitten nu in de loopgraven. We hebben er geen zicht op."

Het werk heeft voldoening gegeven, zei Abbott, die sinds het begin van fase 1 aan SPE heeft gewerkt. Cashion stemde toe, zeggen dat de resultaten afkomstig zijn van een groot, collectieve teaminspanning.

"Ik herinner me dat ik een kind was en naar films over de lancering van de ruimte keek en dat ik een van die mensen in de kamer wilde zijn die naar een scherm keek en om je kleine detail van dit enorme project gaf en wilde zien dat het werkte, "Zei Cashion. "Het is echt zo'n ervaring. Als het speeltijd is, iedereen wil winnen. We zijn er allemaal samen als een team en iedereen wil dat het goed gaat."