Chercheurs des Laboratoires nationaux Sandia, dans le cadre d'un groupe de scientifiques de la National Nuclear Security Administration, ont conclu des années d'expériences sur le terrain pour améliorer la capacité des États-Unis à différencier les tremblements de terre des explosions souterraines, connaissances clés nécessaires pour faire progresser les capacités de surveillance et de vérification du pays pour détecter les explosions nucléaires souterraines.

Le projet de neuf ans, les expériences de physique des sources, était une série de détonations chimiques souterraines hautement explosives à divers rendements et à différentes profondeurs pour améliorer la compréhension de l'activité sismique dans le monde. Ces expériences parrainées par la NNSA ont été menées par Sandia, Laboratoire national de Los Alamos et Lawrence Livermore National Laboratory et Mission Support and Test Services LLC, qui gère les opérations sur le site de la sécurité nationale du Nevada. L'Agence de réduction des menaces pour la défense, l'Université du Nevada, Réno, et plusieurs autres laboratoires et organismes de recherche ont participé à divers aspects du programme.

Les chercheurs pensent que les données enregistrées et la modélisation informatique des expériences pourraient rendre le monde plus sûr, car les tests d'explosifs souterrains ne seraient pas confondus avec des tremblements de terre. Les résultats seront analysés et mis à disposition de nombreuses institutions, a déclaré le chercheur principal et géophysicien de Sandia, Rob Abbott.

L'ensemble de données est énorme. "Il a été appelé le meilleur ensemble de données d'explosion de ce type au monde, ", a déclaré Abbott. "Nous avons déployé beaucoup d'efforts pour le faire correctement."

La dernière explosion souterraine de la série a eu lieu le 22 juin.

Les expériences ont exploré les différences entre les explosions en dur, roche tendre

La phase 1 de SPE a consisté en six essais souterrains dans le granite entre 2010 et 2016. La phase 2 a consisté en quatre essais souterrains en géologie d'alluvions sèches, ou roche tendre, en 2018 et 2019. Les résultats des deux phases seront analysés pour aider à déterminer comment les détonations souterraines dans les alluvions sèches se comparent à celles dans la roche dure. En outre, les données SPE peuvent être comparées aux données recueillies lors d'essais nucléaires souterrains historiques qui ont été menés sur l'ancien site d'essai du Nevada.

Selon l'expérience, jusqu'à 1, 500 capteurs ont été mis en place pour effectuer des mesures. Ces diagnostics incluent les infrasons, sismique, divers instruments de forage, vidéo haute vitesse, cartographie géologique, photographie sur drone, détection par fibre optique distribuée, signatures électromagnétiques, enregistrements de déplacement de gaz, changements de la surface du sol par rapport au radar à ouverture synthétique et au lidar (qui mesure la distance à l'aide de lasers), et d'autres. Des accéléromètres ont été installés à plusieurs endroits autour de l'explosion, ainsi que des capteurs de température et des capteurs électromagnétiques.

« Les données sont conçues pour être à terme accessibles gratuitement à tous, afin que tout autre chercheur de n'importe quel pays puisse utiliser les données pour comprendre ces événements, ", a déclaré Abbott.

Le projet sert également de terrain de formation pour la prochaine génération de scientifiques et d'ingénieurs de la non-prolifération, avec des étudiants stagiaires de 14 universités et collèges différents venant à Sandia pour travailler avec les données, il a dit.

Comprendre les relevés sismiques est essentiel pour différencier les événements souterrains

Les satellites éliminent essentiellement la possibilité que des essais nucléaires en surface passent inaperçus n'importe où dans le monde, mais les essais souterrains sont plus difficiles à détecter et à caractériser en raison d'un accès limité et de caractéristiques visibles, et la difficulté de distinguer les explosions nucléaires des autres types d'événements sismiques, dit Zack Cashion, ingénieur en chef pour la phase 2 du projet.

Quand les scientifiques étudient les tremblements de terre, ils examinent les ondes de compression (primaires ou ondes P) et les ondes de cisaillement (secondaires ou ondes S). Abbott a déclaré que les explosions produisent généralement plus d'ondes P que d'ondes S par rapport aux tremblements de terre.

Avant SPE, les scientifiques ont remarqué que certains essais nucléaires souterrains étrangers ressemblaient davantage à des tremblements de terre par rapport aux précédentes explosions nucléaires dans le monde, ce qui a indiqué que davantage de connaissances expérimentales étaient nécessaires pour améliorer la modélisation et la capacité de suivre les tests mondiaux, dit Abbott.

"La seule façon de mieux comprendre cela, selon nous, était de faire des expériences physiques réelles, " a déclaré Abbott. "Nous ne pouvions pas simplement avoir de nouveaux codes de modélisation sans quelque chose pour tester ces nouveaux codes de modélisation."

Dans les deux phases SPE, un trou a été utilisé pour contenir plusieurs engins explosifs de différents rendements. En phase 2, le trou avait 8 pieds de diamètre et à l'origine 1, 263 pieds de profondeur. Pour la première expérience de Phase 2 qui a eu lieu l'été dernier, une cartouche explosive contenant environ 1 tonne d'équivalent TNT de nitrométhane a été descendue dans le trou et recouverte d'une conception soignée de gravier, sable et ciment. Des expériences consécutives ont utilisé le même trou et les mêmes explosifs dans des quantités de 50 tonnes métriques, 1 tonne métrique, et 10 tonnes métriques d'équivalence TNT ont été abaissées là où le gravier et le sable s'étaient arrêtés de l'expérience précédente.

Cashion a dirigé la conception de l'instrumentation et des accéléromètres de forage qui ont capturé des données pour la deuxième phase des expériences. Douze sondages d'instrumentation ont été forés sur des azimuts de 120 degrés sur quatre anneaux radiaux qui étaient 33, 66, 131 et 262 pieds du trou d'essai. Les trous d'instrumentation étaient remplis de 58 modules d'instrumentation, contenant chacun un jeu d'accéléromètres, magnétomètres, gyroscopes et capteurs de température.

L'objectif de chaque expérience était de collecter des données de haute qualité à partir d'autant de capteurs que possible. Le jour du test quand tout le monde est en place, Cashion a déclaré que l'ambiance devient intense.

"Il est temps d'exécuter des plans qui ont été discutés pendant des mois ou des années et qui ont nécessité un effort de groupe monumental et une coordination pour mettre en œuvre et tout se résume à un moment, " dit-il. " Vous êtes assis là à regarder votre écran et c'est " Trois, deux, une, Feu, " et alors vous pourriez ne rien ressentir. Selon le système, vous ne verrez peut-être même rien changer sur votre écran avant la fin de la durée de l'enregistrement. Tu l'attends là-bas, ça peut prendre quatre secondes, mais c'est comme une éternité, et puis vous allez regarder les données et vous essuyez le front que l'événement s'est produit comme prévu et qu'il a bien été enregistré."

Les chercheurs travaillent pour déterminer la profondeur d'explosion, Taille

Le scientifique de Sandia National Laboratories, Danny Bowman, a mesuré les ondes sonores SPE à l'aide de microphones au sol et aéroportés. Il a dit que lorsque les événements se déroulent sous terre et font bouger la surface du sol, la terre agit comme un haut-parleur géant et peut transmettre le son.

"Nous savons que les tremblements de terre font cela, " Bowman a déclaré. "Dans cette série de tests, nous avons essayé de comprendre comment cela se passe, comment nous pouvons utiliser les propriétés du son pour déterminer la taille et la profondeur de l'explosion."

La plupart des données infrasons ont été recueillies à partir de capteurs au sol installés pour les expériences, et Bowman a déclaré qu'il y avait eu des surprises tout au long de SPE. Lorsque les tests ont eu lieu dans le granit, les scientifiques ont appris qu'ils pouvaient utiliser le son pour déterminer la taille et la profondeur de l'explosion, il a dit, mais la géologie des alluvions sèches n'a fourni aucun pouvoir prédictif. Et même si les explosions étaient plus importantes dans la phase 2, ils ne fournissaient pas toujours des infrasons.

« Notre tâche dans les deux prochaines années, une fois toutes les données collectées, et nous avons une chance de l'analyser, est de prendre cet ensemble de données exceptionnel et d'en tirer un certain pouvoir prédictif, " Bowman a déclaré. "Je crois que c'est possible, mais nous sommes dans les tranchées en ce moment. Nous n'en avons pas une vue plongeante."

Le travail a été accompli, dit Abbott, qui a travaillé sur SPE depuis le début de la phase 1. Cashion a accepté, dire que les résultats proviennent d'un grand, effort collectif d'équipe.

"Je me souviens d'avoir été un enfant et de regarder des films de lancement spatial et de vouloir être l'une de ces personnes dans la pièce regardant un écran et se souciant de votre petit détail de cet énorme projet et voulant voir que cela fonctionnait, " Cashion a déclaré. "C'est vraiment une expérience comme ça. Quand c'est l'heure du jeu, tout le monde veut gagner. Nous sommes tous là ensemble en équipe et tout le monde veut que ça se passe bien."