thumb|Préparation pour un essai nucléaire souterrain sur le site d'essais du Nevada dans les années 1990.
Un essai nucléaire souterrain fait référence à un essai nucléaire effectué en sous-sol. Lorsque l'engin explosif est enterré à une profondeur suffisante, l'explosion peut être contenue, sans rejet de matières radioactives dans l'atmosphère.
La chaleur et la pression extrêmes créées par une explosion nucléaire souterraine provoquent des changements dans la roche environnante. La roche la plus proche est vaporisée, formant une cavité. Plus loin, se trouvent des zones de roche broyées, concassées et contraintes de manière irréversible. Après l'explosion, la roche au-dessus de la cavité peut s'effondrer, formant une cheminée de décombres. Si cette cheminée atteint la surface, un cratère d'affaissement en forme de cuvette peut se former.
Le premier essai souterrain a lieu en 1951 ; d'autres tests fournissent des informations qui conduisent à la signature du Traité d'interdiction partielle des essais nucléaires en 1963, qui interdit tous les essais nucléaires à l'exception des essais souterrains. À partir de ce moment-là, et jusqu'à la signature du Traité d'interdiction complète des essais nucléaires en 1996, la plupart des essais nucléaires, pour tous les pays qui y adhèrent, sont souterrains, afin d'éviter que les retombées radioactives ne contaminent l'atmosphère.
Contexte Les préoccupations du public au sujet de retombées des essais nucléaires se sont développées au début des années 1950. Des retombées radioactives ont été découvertes après l'essai Trinity en 1945. Les fabricants de pellicules photographiques ayant plus tard rapportés des films , ceux-ci ont été reliés à la fois à l’essai Trinity et aux essais conduits sur le site d'essais du Nevada. Les retombées fortement radioactives de l'essai Simon en 1953 ont été observées jusqu'à Albany, dans l’État de New York.
Les retombées de l'essai Castle Bravo en dans l'océan Pacifique auront , , . Le test de plusieurs mégatonnes a généré des retombées radioactives sur les îles de Rongerik et Rongelap, et un bateau de pêche japonais connu sous le nom « Daigo Fukuryū Maru » (« Dragon chanceux »). Avant cet essai, l'appréciation des dangers de retombées était .
L'essai a causé un incident international. Dans une interview sur PBS, l'historienne Martha Smith a fait valoir : Le premier ministre de l'Inde quand il a appelé à l'arrêt de tous les essais nucléaires dans le monde.
Histoire des premiers essais souterrains thumb|Uncle lors de l'opération Buster-Jangle, le premier essai nucléaire souterrain.
À la suite de l'analyse des détonations sous-marines de l'opération Crossroads en 1946, des études ont été faites concernant l'éventuelle valeur militaire d'une explosion souterraine. Le Joint Chiefs of Staff ainsi obtenu l'accord de la Commission de l'énergie atomique des États-Unis pour effectuer des essais à la fois en surface et sous terre. L'île d'Amchitka est initialement sélectionnée pour ces essais en 1950, mais le site est par la suite jugé inapproprié et les essais sont déplacés vers le site d'essais du Nevada.
Le premier essai nucléaire souterrain est réalisé le Some sources identify later tests as the "first." Adushkin (2001) defines such a test as "the near-simultaneous detonation of one or more nuclear charges inside one underground excavation (a tunnel, shaft or borehole)", and identifies Uncle as the first.. Il s'agissait de l’essai Uncle de la campagne d'essais Buster-Jangle d’une puissance de 1,2 kilotonneQuelques sources appelle cet essai (par exemple, Adushkin, 2001) ou (par exemple, DOE/NV-526, 1998). Les opérations Buster et Jangle sont planifiées séparément dans un premier temps et Jangle s'appelle au début « Windstorm », mais la Commission de l'énergie atomique a fusionné les deux en une seule le 19 juin 1951 (voir Gladeck, 1986).. L’explosion a lieu à une profondeur de . L’essai est conçu comme une étude à échelle réduite des effets d'un engin de 23 kilotonnes atomique de type insertion qui est ensuite été envisagé comme une arme destinée à créer des excavations et la destruction de bunker. L'explosion a entraîné l'apparition d'un nuage qui s'est élevé à (), et a déposé des retombées radioactives au nord et au nord-nord-est du point zéro. Le cratère résultant a un diamètre de et de de profondeur.
thumb|left|Tir Ess de la campagne d'essais Teapot.
L’essai souterrain suivant est Ess de la campagne d'essais Teapot, le . L'explosion d’une kilotonne est un essai de fonctionnement d'une munition de démolition atomique (MDA). Il a explosé à sous terre, dans un abri de tôle ondulée, recouvert de sacs de sable et de tout venant. Parce que le MDA est enfoui sous terre, l'explosion a soufflé vers le haut des tonnes de terre, créant un cratère de de large et de profondeur. Le nuage en forme de champignon résultant s'est élevé à une hauteur de (), les retombées radioactives ont dérivé en direction de l'est, voyageant à du point zéro.
Le , Pascal-A de l'opération Plumbbob a explosé au fond d'un puits de de profondeurSelon le site Nuclear Weapons Archive, la puissance serait « faible », à environ .. Selon une description, il . En comparaison avec un essai aérien, les débris radioactifs rejetés dans l'atmosphère sont réduits d'un facteur dix. Un travail théorique a alors commencé sur les moyens de confinement possibles.
thumb|Poussière soulevée par le tir Rainier de l'opération Plumbbob. thumb|left|Schéma du site souterrain Shoal de l'opération Niblick, avec une forme auto-obturante en forme de crochet.
L’essai Rainier de l’opération Plumbbob se fait à une profondeur de , le . L'explosion d’une puissance de est la première à être entièrement confinée sous terre, ne produisant pas de retombées. L'essai a lieu dans un tunnel horizontal long de 500 à de long en forme de crochet. Le crochet . Cet essai serait devenu le prototype pour des tests plus puissants. Le tir Rainier est annoncé à l'avance, de sorte que les stations sismiques puissent tenter d'enregistrer un signal. L'analyse des échantillons recueillis après le tir permet aux scientifiques de développer une compréhension des explosions souterraines qui . Ces informations influeront sur les décisions ultérieures qui mèneront au Traité d'interdiction partielle des essais.
Cannikin, le dernier essai sur le site d’Amchitka, explose le . Développant environ 5 mégatonnes, c'est l'essai souterrain le plus puissant de l'histoire américaine.
Effets Les effets d'un essai nucléaire souterrain varient en fonction de facteurs tels que la profondeur et la puissance de l'explosion, ainsi que la nature de la roche environnante. Si l'essai est effectué à une profondeur suffisante, le test est dit être contenu, sans évacuation des gaz ou d'autres contaminants dans l'environnement. En revanche, si le dispositif est enterré à une profondeur insuffisante, de la roche peut être expulsée par l'explosion, formant un cratère d'affaissement entouré d'éjectas, et libérant des gaz à haute pression dans l'atmosphère (le cratère qui en résulte est habituellement au profil conique, circulaire et peut varier entre quelques dizaines à quelques centaines de mètres de diamètre et de profondeur). La variable utilisée pour déterminer à quel point la bombe doit être enterrée est la profondeur d'enfouissement calculée (en anglais : , SDOB). Ce nombre est calculé comme la profondeur d'enfouissement en mètres divisé par la racine cubique de la puissance en kilotonnes. Afin d'assurer le confinement, ce chiffre devrait être supérieur à 100Hawkins et Wohletz donne une fourchette de 90 à 125..
+ Zones rocheuses aux alentours du point zéro Nom Rayon Cavité fondue /kt1/3 Zone broyée /kt1/3 Zone fissurée /kt1/3 Zone ayant subi des déformations irréversibles /kt1/3
L'énergie d’une explosion nucléaire est libérée en une microseconde. Dans les microsecondes qui suivent, les équipements de l’essai et la roche environnante sont vaporisés, sous des températures de plusieurs millions de degrés et des pressions de plusieurs millions d'atmosphères. En quelques millisecondes, une bulle de gaz et de vapeur à haute pression se forme. La chaleur et l'onde de choc en expansion vaporisent la roche environnante et font fondre celle plus éloignée, créant une cavité fondue. Le mouvement dû au choc induit par l’augmentation brutale de la pression interne fait grandir la cavité vers l'extérieur. Ceci se poursuit pendant quelques dixièmes de seconde jusqu'à ce que la pression ait suffisamment diminué, à un niveau à peu près comparable au poids de la roche située au-dessus, et la cavité ne pouvant alors plus croître. Bien que non observées lors de chaque explosion, quatre zones distinctes (y compris la cavité fondue) ont été décrites dans la roche environnante. La zone broyée, d’une taille égale à environ deux fois le rayon de la cavité, est constituée de roches qui ont perdu toute leur intégrité initiale. La zone fissurée, égale à environ trois fois le rayon de la cavité, est constituée de roche avec des fissures radiales et concentriques. Enfin, la zone ayant subi des déformations irréversibles se compose de roche déformée par la pression. La couche suivante ne subit, elle, que des déformations élastiques. Les déformations et les relaxations ultérieures forment alors une onde sismique. Quelques secondes plus tard, la roche en fusion commence à se rassembler au fond de la cavité et le contenu de la cavité commence à refroidir. Le rebond de l'onde de choc provoque des forces de compression autour de la cavité, appelées , scellant les fissures (création d'une cage de confinement).
Quelques minutes ou quelques jours plus tard, une fois que la chaleur s'est suffisamment dissipée, la vapeur se condense et la pression dans la cavité tombe en dessous du niveau nécessaire pour soutenir la roche qui la recouvre, celle-ci tombe alors dans la cavité, créant une cheminée de décombres.
En fonction de divers facteurs, y compris de la puissance de l'explosion et des caractéristiques du puits, cet effondrement peut s'étendre jusqu’à la surface. Si c'est le cas, un cratère d'affaissement est créé. Un tel cratère a généralement la forme d'une cuvette, et varie en taille de quelques dizaines de mètres à plus d'un kilomètre de diamètre. Sur le site d'essais du Nevada, 95 % des tests effectués à une profondeur d’enfouissement calculée (SDOB) inférieure à 150 ont provoqué un effondrement de la surface, à comparer avec environ la moitié des tests réalisés avec un SDOB inférieur à 180. Le rayon r (en pieds) de la cavité est proportionnel à la racine cubique de la puissance y (en kilotonnes), ; une explosion de 8 kilotonnes va créer une cavité ayant un rayon de 110 pieds.
thumb|Monticule de débris formé par l'essai Sulky de l'opération Whetstone.