Échec de la DARPA : l'une des plus grandes erreurs de l'histoire de la science

2024 Auteur: Seth Attwood | [email protected]. Dernière modifié: 2023-12-16 16:04

Une bombe à base d'isomère de hafnium Hf-178-m2 pourrait devenir la plus chère et la plus puissante de l'histoire des engins explosifs non nucléaires. Mais elle ne l'a pas fait. Maintenant, cette affaire est reconnue comme l'un des échecs les plus notoires de la DARPA - l'Agence pour les projets de défense avancée du département militaire américain.

L'émetteur a été assemblé à partir d'un appareil à rayons X mis au rebut qui se trouvait autrefois dans un cabinet de dentiste, ainsi qu'un amplificateur domestique acheté dans un magasin voisin. C'était en contraste frappant avec le panneau fort du Center for Quantum Electronics, qui a été vu entrer dans un petit immeuble de bureaux de l'Université du Texas à Dallas. Cependant, l'appareil a rempli sa tâche - à savoir, il bombardait régulièrement un gobelet en plastique inversé avec un flux de rayons X. Bien sûr, le verre lui-même n'avait rien à voir avec cela - il servait simplement de support sous un échantillon à peine perceptible de hafnium, ou plutôt de son isomère Hf-178-m2. L'expérience a duré plusieurs semaines. Mais après un traitement minutieux des données obtenues, le directeur du Centre, Carl Collins, a annoncé un succès incontestable. Les enregistrements de l'équipement d'enregistrement indiquent que son groupe a cherché un moyen de créer des bombes miniatures d'une puissance colossale - des appareils de la taille d'un poing capables de produire une destruction équivalente à des dizaines de tonnes d'explosifs ordinaires.

Ainsi, en 1998, l'histoire de la bombe à isomères a commencé, qui est plus tard connue comme l'une des plus grandes erreurs de l'histoire de la science et de la recherche militaire.

Hafnium

L'hafnium est le 72e élément du tableau périodique de Mendeleev. Ce métal blanc argenté tire son nom du nom latin de la ville de Copenhague (Hafnia), où il a été découvert en 1923 par Dick Koster et Gyordem Hevesi, collaborateurs de l'Institut de physique théorique de Copenhague.

Sensation scientifique

Dans son rapport, Collins a écrit qu'il a pu enregistrer une augmentation extrêmement insignifiante du fond de rayons X, qui a été émis par l'échantillon irradié. Pendant ce temps, c'est le rayonnement X qui est le signe du passage de 178m2Hf de l'état isomère à l'état ordinaire. Par conséquent, a expliqué Collins, son groupe a pu accélérer ce processus en bombardant l'échantillon de rayons X (lorsqu'un photon de rayons X avec une énergie relativement faible est absorbé, le noyau passe à un autre niveau excité, puis une transition rapide vers le niveau du sol suit, accompagné de la libération de toute la réserve d'énergie). Pour forcer l'échantillon à exploser, a expliqué Collins, il suffit d'augmenter la puissance de l'émetteur jusqu'à une certaine limite, après quoi le propre rayonnement de l'échantillon sera suffisant pour déclencher une réaction en chaîne de la transition des atomes de l'état isomère à l'état normal. Le résultat sera une explosion très palpable, ainsi qu'une rafale colossale de rayons X.

La communauté scientifique a accueilli cette publication avec une incrédulité manifeste, et des expériences ont commencé dans des laboratoires du monde entier pour valider les résultats de Collins. Certains groupes de recherche n'ont pas tardé à déclarer la confirmation des résultats, même si leur nombre n'était que légèrement supérieur aux erreurs de mesure. Mais la plupart des experts pensaient néanmoins que le résultat obtenu était le résultat d'une mauvaise interprétation des données expérimentales.

Optimisme militaire

Cependant, l'une des organisations s'est montrée extrêmement intéressée par ce travail. Malgré tout le scepticisme de la communauté scientifique, l'armée américaine a littéralement perdu la tête face aux promesses de Collins. Et c'était de quoi ! L'étude des isomères nucléaires a ouvert la voie à la création de bombes fondamentalement nouvelles, qui, d'une part, seraient beaucoup plus puissantes que les explosifs ordinaires et, d'autre part, ne tomberaient pas sous les restrictions internationales liées à la production et à l'utilisation de les armes nucléaires (une bombe à isomère n'est pas nucléaire, puisqu'il n'y a pas de transformation d'un élément en un autre).

Les bombes isomères pourraient être très compactes (elles n'ont pas de limitation de masse inférieure, car le processus de transition des noyaux d'un état excité à un état ordinaire ne nécessite pas de masse critique), et lors de l'explosion, elles libéreraient une énorme quantité de rayonnement dur qui détruit tous les êtres vivants. De plus, les bombes au hafnium pourraient être considérées comme relativement "propres" - après tout, l'état fondamental du hafnium-178 est stable (il n'est pas radioactif), et l'explosion ne contaminerait pratiquement pas la zone.

De l'argent jeté

Au cours des prochaines années, l'agence DARPA a investi plusieurs dizaines de millions de dollars dans l'étude du Hf-178-m2. Cependant, l'armée n'a pas attendu la création d'un modèle fonctionnel de la bombe. Ceci est en partie dû à l'échec du plan de recherche: au cours de plusieurs expériences utilisant de puissants émetteurs de rayons X, Collins n'a pu démontrer aucune augmentation significative du bruit de fond des échantillons irradiés.

Des tentatives pour reproduire les résultats de Collins ont été faites à plusieurs reprises au cours de plusieurs années. Cependant, aucun autre groupe scientifique n'a pu confirmer de manière fiable l'accélération de la décroissance de l'état isomère du hafnium. Des physiciens de plusieurs laboratoires nationaux américains - Los Alamos, Argonne et Livermore - se sont également engagés sur cette question. Ils ont utilisé une source de rayons X beaucoup plus puissante - Advanced Photon Source du Laboratoire national d'Argonne, mais n'ont pas pu détecter l'effet de la désintégration induite, bien que l'intensité du rayonnement dans leurs expériences était de plusieurs ordres de grandeur plus élevée que dans les expériences de Collins lui-même.. Leurs résultats ont également été confirmés par des expériences indépendantes dans un autre laboratoire national américain - Brookhaven, où le puissant synchrotron National Synchrotron Light Source a été utilisé pour l'irradiation. Après une série de conclusions décevantes, l'intérêt des militaires pour ce sujet s'est estompé, le financement s'est arrêté et en 2004, le programme a été fermé.

Munitions en diamant

Pendant ce temps, il était clair dès le début que malgré tous ses avantages, la bombe isomère possède également un certain nombre d'inconvénients fondamentaux. Premièrement, le Hf-178-m2 est radioactif, donc la bombe ne sera pas entièrement "propre" (une certaine contamination de la zone avec du hafnium "non travaillé" se produira toujours). Deuxièmement, l'isomère Hf-178-m2 n'est pas présent dans la nature et le processus de sa production est plutôt coûteux. Il peut être obtenu de plusieurs manières - soit en irradiant une cible d'ytterbium-176 avec des particules alpha, soit par des protons - du tungstène-186 ou un mélange naturel d'isotopes de tantale. De cette façon, des quantités microscopiques de l'isomère hafnium peuvent être obtenues, ce qui devrait être tout à fait suffisant pour la recherche scientifique.

Un moyen plus ou moins massif d'obtenir ce matériau exotique est l'irradiation avec des neutrons d'hafnium-177 dans un réacteur thermique. Plus précisément, il semblait - jusqu'à ce que les scientifiques calculent que pendant un an dans un tel réacteur à partir de 1 kg de hafnium naturel (contenant moins de 20 % de l'isotope 177), vous ne pouvez obtenir qu'environ 1 microgramme d'un isomère excité (la libération de ce montant est un problème distinct). Ne dites rien, production de masse ! Mais la masse d'une petite ogive devrait être d'au moins des dizaines de grammes … Il s'est avéré que de telles munitions ne s'avèrent même pas "or", mais carrément "diamant" …

Fermeture scientifique

Mais il fut bientôt démontré que ces lacunes n'étaient pas non plus décisives. Et il ne s'agit pas ici de l'imperfection de la technologie ou des insuffisances des expérimentateurs. Le point final de cette histoire sensationnelle a été mis par des physiciens russes. En 2005, Evgeny Tkalya de l'Institut de physique nucléaire de l'Université d'État de Moscou a publié dans la revue Uspekhi Fizicheskikh Nauk, un article intitulé "Induced Decay of the Nuclear Isomer 178m2Hf and an Isomer Bomb". Dans l'article, il a décrit toutes les manières possibles d'accélérer la désintégration de l'isomère hafnium. Il n'y en a que trois: l'interaction du rayonnement avec le noyau et la désintégration à travers un niveau intermédiaire, l'interaction du rayonnement avec la couche électronique, qui transfère ensuite l'excitation au noyau, et le changement de la probabilité de désintégration spontanée.

Après avoir analysé toutes ces méthodes, Tkalya a démontré que la diminution effective de la demi-vie d'un isomère sous l'influence du rayonnement X contredit profondément toute la théorie qui sous-tend la physique nucléaire moderne. Même avec les hypothèses les plus bénignes, les valeurs obtenues étaient des ordres de grandeur inférieurs à ceux rapportés par Collins. Ainsi, accélérer la libération de l'énergie colossale, qui est contenue dans l'isomère hafnium, est encore impossible. Au moins avec l'aide de technologies réelles.