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Comment savons-nous que les armes nucléaires fonctionnent toujours?

Les scientifiques des laboratoires nationaux américains testent toujours des armes nucléaires dans les montagnes, le désert et le chaparral de l'Ouest américain. Des machines et des entrepôts de haute technologie équipés de processeurs de superordinateurs prennent des données sur les ogives et les explosions – oui, il y a encore des explosions, qui se fissurent comme des tirs de fusil dans les délais prévus.

Mais il n'y a pas d'explosions nucléaires. Bien que le traité interdisant explicitement tous les essais d'armes nucléaires ait pas encore entré en vigueur, les États-Unis n'ont pas fait exploser une arme nucléaire depuis 1992. La stratégie nucléaire américaine repose toujours sur le fonctionnement des armes nucléaires, mais sans essais à grande échelle, les laboratoires nationaux du Département de l’énergie Programme d'intendance des stocks, qui s'appuie sur la théorie, des simulations et des expériences pour fournir des évaluations annuelles des armes au gouvernement fédéral. Les initiatives scientifiques et informatiques, telles que l'augmentation de la vitesse de calcul intensif et l'investissement dans de nouvelles technologies de traitement comme l'informatique quantique, pourraient un jour rendre les tests simulés aussi efficaces que la détonation d'un appareil.

"Le (Stockpile Stewardship programme) a traversé un certain nombre d'administrations, et le ministère de la Défense n'a pas dit que nous devions recommencer les tests", Victor "Vic" Reis, ancien secrétaire adjoint à l'énergie pour les programmes de défense du ministère de l'énergie et l'un des architectes du programme, a déclaré Gizmodo. "Nous comprenons suffisamment ce qui se passe avec le stock actuel d'armes – elles sont sûres et fiables."

Dès le début de l'ère nucléaire, garantir que les dispositifs nucléaires fonctionnaient dépendait en partie de leur explosion. Mais l'inquiétude grandissante du public dans les années 1950 concernant les effets sur la santé et l'environnement des retombées nucléaires et le malaise général face au potentiel dévastateur de ces armes ont lentement conduit à des négociations de traités. Les efforts de démarrage et d'arrêt étaient étroitement liés aux tensions américano-russes entourant la guerre froide. Mais grâce en partie à la crise des missiles cubains en 1962 (lorsque les États-Unis et la Russie ont presque déclenché une guerre nucléaire), des pays du monde entier ont signé le Traité de 1963 interdisant les essais d'armes nucléaires dans l'atmosphère, dans l'espace extra-atmosphérique et sous l'eau, appelé le Traité d'interdiction partielle des essais (PTBT).

Le traité n'a pas empêché la prolifération des armes nucléaires et les essais se sont enfouis. D'autres traités ont suivi, limitant la taille des armes qui pouvaient être testées et introduisant des moyens de vérifier que chaque pays respectait les termes des traités. Mais il a fallu attendre la fin de la guerre froide pour que la prochaine grande poussée mette fin aux essais d'armes nucléaires. Les signataires du PTBT se sont rencontrés et ont négocié un traité plus solide, le Traité d'interdiction complète des essais nucléaires (TICE), qui interdirait toutes les explosions nucléaires à toutes fins. Ce traité n'est pas encore entré en vigueur; La Chine, l'Égypte, l'Inde, l'Iran, Israël, la Corée du Nord, le Pakistan et les États-Unis ne l'ont pas ratifiée.

L'installation d'essai hydrodynamique radiographique à deux axes de Los Alamos utilise des rayons X pour l'image des matériaux subissant un choc.
Photo: Laboratoire national de Los Alamos

Dans un discours radiophonique de 1993, le président Bill Clinton a déclaré que «pour garantir que notre dissuasion nucléaire reste incontestée dans le cadre d'une interdiction des essais, nous explorerons d'autres moyens de maintenir notre confiance dans la sécurité, la fiabilité et les performances de nos propres armes. Après tout, le principe de la dissuasion nucléaire exige une garantie que les armes nucléaires fonctionnent réellement. Clinton n'a cependant pas précisé comment cette assurance se concrétiserait. Lorsque Vic Reis est devenu secrétaire adjoint à l'énergie pour les programmes de défense au ministère de l'Énergie, il a fait de cette question sa plus haute priorité.

"Le problème est devenu, comment conservez-vous la compétence du laboratoire pour pouvoir dire en toute confiance au président que les armes étaient toujours en bon état à mesure qu'elles vieillissaient – ou devions-nous reprendre les tests?" Reis a dit à Gizmodo. «Avons-nous compris le processus de vieillissement? Quels ont été les effets du vieillissement, et avons-nous été en mesure de fournir des correctifs de haute confiance, si nécessaire? »

Reis s'est associé à des scientifiques de haut niveau et à des militaires pour rédiger un programme qui pourrait valider les performances des armes et simuler les effets du vieillissement sur les armes et leur sécurité – ce qu'il a appelé l'intendance des stocks fondée sur la science. Les trois laboratoires nationaux avec des programmes d'armes – Los Alamos National Lab, Lawrence Livermore National Lab et Sandia National Laboratories – travaillaient déjà sur de grandes expériences pour tester des composants d'armes nucléaires. Cependant, la capacité de calcul était insuffisante pour exécuter toutes les simulations requises. Heureusement, Reis avait précédemment été directeur de la DARPA et convaincu un gestionnaire là-bas pour diriger ce qui allait devenir l'Initiative accélérée de calcul stratégique, un programme qui augmenterait considérablement la puissance de calcul disponible pour les laboratoires d'armes. Aujourd'hui, le programme Stockpile Stewardship fonctionne selon une approche à trois piliers, combinant théorie, simulation et expérience, et fonctionne principalement à partir de ces trois laboratoires ainsi que du site de sécurité nationale du Nevada.

L'objectif du programme est de publier un rapport annuel au Congrès offrant une confiance totale que l'arsenal nucléaire est fiable à 100%, même si les puits radioactifs à l'intérieur de l'ère des armes et subissent des changements moléculaires. Mais la fosse n'est qu'une partie d'une arme; il y a plusieurs milliers d'autres composants qui entrent dans l'appareil. Les explosifs conventionnels doivent déclencher des réactions en chaîne. La fosse doit être sécurisée pour ne pas se bousculer et exploser accidentellement, et l'arme doit reposer à l'intérieur d'un boîtier qui la protège du monde extérieur. Les ogives nucléaires nécessitent une méthode de livraison, comme une bombe à gravité de l'intérieur d'un avion, un missile balistique intercontinental ou un missile balistique lancé par sous-marin. Le nucléaire doit continuer de fonctionner même si un autre pays tente de l'arrêter (par exemple, avec un autre nucléaire).

«Les armes nucléaires et les stocks sont importants pour ce pays. Je préfère faire partie de maintenir cela avec intégrité que d'abdiquer la responsabilité. »

J'ai visité Los Alamos en juin 2019 pour en savoir plus sur ce programme. Les expériences tentent de recréer les conditions auxquelles un appareil nucléaire pourrait être confronté à l'approche de sa cible. Un tube d'acier de la hauteur et de la largeur d'un semi-camion, mais beaucoup plus long, se trouve dans les champs broussailleux derrière des avant-postes de sécurité au laboratoire, qui est situé à environ 60 miles au nord-est d'Albuquerque. Des ogives avec des fosses nucléaires factices sont placées à une extrémité du tuyau, et plus de 100 livres de l'explosif C4 conventionnel sont déclenchées à l'autre. Le tube guide l'onde de choc vers l'ogive, où les scientifiques imaginent l'interaction à l'aide de caméras à haute vitesse. À côté du tube à choc, un bâtiment bas en béton contient une centrifugeuse bleu et blanc qui peut faire tourner les ogives de test à 200 tours par minute pour s'assurer qu'elles peuvent survivre à la force de 12 g de rentrée dans l'atmosphère. La centrifugeuse pèse 10 tonnes mais a une friction suffisamment faible pour que je puisse la déplacer avec une forte poussée. C'était hypnotisant de regarder la centrifugeuse tourner à 60 tours par minute en personne et vraiment bouleversant de voir une vidéo d'une ogive nucléaire de test attachée à la centrifugeuse, fouettée à toute vitesse comme une boule d'attache. Ces expériences sont exploitées à distance ou à partir de bunkers. Des détonations de C4 et d'autres explosifs sont entendues quotidiennement autour du vaste campus du laboratoire et parfois dans les villes voisines.

Le tube de souffle à Los Alamos où des ogives nucléaires factices subissent des forces explosives.

Le tube de souffle à Los Alamos où des ogives nucléaires factices subissent des forces explosives.
Photo: Laboratoire national de Los Alamos

D'autres expériences simulent le déclenchement explosif d'une arme nucléaire sans la fosse à l'intérieur. À l'installation d'essais hydrodynamiques radiographiques à double axe, ou DARHT, les rayons X produits par un accélérateur de particules sur site sont utilisés pour imager le matériau implosé lors de son choc. À l'installation nationale d'allumage de Lawrence Livermore, le laser à énergie la plus élevée jamais construit est stocké dans un bâtiment de la taille d'un stade sportif, où il concentre les faisceaux sur une cible pour déclencher la fusion.

Les données de ces expériences, ainsi que les données des 1054 essais nucléaires américains dénombrés officiellement entre 1945 et 1992, sont intégrées à la phase de simulation du programme Stockpile Stewardship. Comprendre comment l'âge des armes est un élément crucial des simulations. "Il y a tout un aspect de ce qui se passe avec les différents matériaux et comment ils interagissent avec les métaux, ou avec les composants des appareils eux-mêmes, qui vieillissent tous. Nous n'avons aucune donnée sur ce qui se passe quand quelque chose a 40 ans », a déclaré à Gizmodo Irene Qualters, directrice de laboratoire associée pour la simulation et le calcul au Los Alamos National Lab.

L'amélioration des simulations nécessite des ordinateurs toujours plus puissants et avancés. Aujourd'hui, Los Alamos accueille le septième supercalculateur, appelé Trinité. Des allées de monolithes noirs derrière des portes transparentes dans une pièce bruyante et carrelée de blanc agissent comme un énorme processeur pour l'exécution de simulations, ainsi que pour le stockage des résultats de simulation sur des bandes. De petits autocollants lisant des «données confidentielles restreintes» décorent les piles, rappelant la véritable utilisation de ces processeurs. Lawrence Livermore National Lab accueille le deuxième supercalculateur le plus rapide, utilisé à des fins similaires, appelé Sierra. Chaque laboratoire dispose d'une sauvegarde des données de l'autre au cas où l'un serait mis hors ligne ou détruit, par exemple lors d'une explosion nucléaire. Une course sans fin augmenter les performances des superordinateurs vise à améliorer la vitesse, les détails et l'efficacité de ces simulations.

Pendant ce temps, d'autres chercheurs étudient les limites du calcul haute performance et tentent de comprendre à quoi pourraient ressembler les prochains ordinateurs. Ils écrivent de nouveaux algorithmes et poussent la théorie computationnelle. Los Alamos possède et teste un Ordinateur quantique D-Wave, un cube noir arborant des lumières LED qui utilise des effets quantiques pour effectuer certains problèmes d'optimisation. D'autres chercheurs essaient de nouveaux algorithmes sur des ordinateurs quantiques sur le cloud, comme IBM et IonQ. Ces domaines de recherche visent à faire progresser la compréhension générale du calcul et à faire en sorte que les scientifiques comprennent les appareils les plus performants qui pourraient un jour être utiles pour les simulations d'armes nucléaires, le tout au nom du fait de s'assurer que les armes nucléaires fonctionnent toujours. Construire des ordinateurs plus rapides et meilleurs est un indicateur de la course aux armements elle-même.

Trinity est le septième supercalculateur le plus rapide au monde et est situé au Los Alamos National Laboratory.

Trinity est le septième supercalculateur le plus rapide au monde et est situé au Los Alamos National Laboratory.
Photo: Laboratoire national de Los Alamos

Pendant que je parlais aux scientifiques de Los Alamos, je me demandais comment ils se sentaient en travaillant sur le maintien de l'arsenal nucléaire. Beaucoup de ces scientifiques étaient initialement intéressés à étudier la physique, l'énergie nucléaire ou l'informatique à des fins pacifiques. «Les armes nucléaires et les stocks sont importants pour ce pays», a déclaré Qualters. «Je préférerais faire partie de maintenir cela avec intégrité que d'abdiquer la responsabilité.» Ce sentiment a été reflété par d'autres qui travaillent sur le stock nucléaire.

Le programme a été couronné de succès – les États-Unis n’ont pas fait exploser d’arme nucléaire depuis près de 30 ans. Mais les installations ont également permis aux États-Unis de continuer à entretenir et à moderniser son arsenal nucléaire; l'administration Obama engagé des centaines de milliards de dollars pour reconstruire les armes nucléaires, un effort qui s'est poursuivi sous l'administration Trump. Mais y a-t-il quelque chose qui empêche le gouvernement fédéral de commander de nouveaux essais nucléaires?

"Je suis plus inquiet pour … les membres du Congrès qui veulent juste faire un essai nucléaire, non pas pour la fiabilité mais pour envoyer un signal, en haut, qu'avez-vous", Lisbeth Gronlund, scientifique principale et codirectrice de le programme de sécurité mondiale de l'Union of Concerned Scientists, a déclaré à Gizmodo. Il est possible que les législateurs doutent de l’efficacité du programme Stockpile Stewardship et demandent de reprendre les détonations, a déclaré Gronlund.

Pourtant, Reis a déclaré à Gizmodo qu'il pensait que la stratégie devrait durer au moins une autre génération. Les États-Unis ont trouvé une solution de contournement efficace aux vrais essais nucléaires – ce n'est pas tout à fait aussi voyant que les navires nucléaires dans le Pacifique, mais les scientifiques rapportent chaque année au Congrès avec une confiance à 100% que l'arsenal nucléaire est fiable.

"Mais au-delà de 20 à 25 ans, qui sait", a déclaré Reis. Les futurs politiciens devront finalement décider quoi faire face à l'arsenal nucléaire vieillissant.

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