美国实验室正在彻底检修核武库。他们能在不进行炸弹试验的情况下验证这些武器吗？

作为冷战时期的支柱力量之一，“泰坦II”型导弹（摄于美国亚利桑那州的一家博物馆）携带了经过测试的弹头。如今，武器必须在没有测试的情况下获得认证

美国新墨西哥州洛斯阿拉莫斯——在洛斯阿拉莫斯国家实验室的广阔场地中，某座警卫室和警告标志牌后面的森林地带，科学家曾在此模拟核爆炸的最初阶段。他们在双轴闪光照相流体动力学测试（DARHT）设施中，对位于核弹核心、保龄球大小的钚球模型（也叫“弹芯”）进行起爆，并对结果进行X射线拍摄。

在真正的武器中，环绕实际弹芯的常规炸药会使钚内爆至临界密度，引发爆炸性的裂变连锁反应。其能量将驱动武器在第二阶段的氢同位素聚变，产生更多中子，从而分裂出更多的裂变燃料。

这个裂变-聚变-裂变的过程消耗了一部分原子的质量，根据爱因斯坦的著名方程式“E=mc²”，它会因此释放出巨大的能量。这就是为什么一枚1米长的弹头在爆炸时会爆发出相当于100万吨TNT炸药的威力。如果将它投放到像华盛顿这样的城市，它会立即蒸发掉一块直径超过2.5千米的区域，同时，它的放射性冲击波会摧毁更远范围的建筑物。它会杀死近50万人，并导致几乎同等数量的人受伤或患病。

DARHT实验是在一个形似潜水钟的钢制容器内进行的。模拟弹芯由铅、钽或贫铀等高密度金属构成，它们的性质与钚类似，但不具备裂变倾向。当爆炸装置被引爆时，两束垂直的X射线会像高速摄像机一样记录弹芯的内爆。武器科学家会将这些图片与机密的超级计算机模拟出的炸弹爆炸进行比较，以确定真实世界和数字世界爆炸情况的一致程度。

自1992年美国能源部的三个武器实验室——洛斯阿拉莫斯、劳伦斯利弗莫尔和桑迪亚国家实验室——停止全面测试核武器以来，诸如DARHT这样的设施就变得十分重要。到了1996年，美国签署了《全面禁止核试验条约》，一般认为，该条约不仅制止了核试验对环境的破坏，还抑制了新武器的设计。

然而，没有了核试验，唯一能确保弹头可以正常工作的就是像DARHT这样的设施、来自“武器代码”的计算机模拟，以及过往核试验的残留数据库。在对旧武器做相对较小的改动时（更换新引信、补充氢同位素氚），这些设施、模拟和数据就已经足够了。每年，美国能源部的国家核安全管理局（NNSA）和国防部都会对核武库进行认证，该评估意味着，他们确信这些核武器会在它们应该发挥作用的时候发挥预定的作用，并且不会在它们不该发挥作用的时候做任何事情。“鉴于我们已经试爆过这么多核武器，所以这些东西非常可靠。”政府监督项目下属国防信息中心的主任杰夫 · 威尔逊（Geoff Wilson）说。国防信息中心主张削减核武器开支。

但是现在，核武库正在进行数十年来规模最大的一次检修。本财政年度（2022年10月—2023年9月），美国国家核安全管理局的预算达到了创纪录的222亿美元。大部分资金将用于生产新的钚制弹芯，以替换核武库中的旧弹芯，并对四种核弹头进行现代化改造。此外，另有第五种核武器，这个新设计方案被称为W93，是一种潜艇发射弹头。美国国家核安全管理局负责国防项目的副局长马文 · 亚当斯（Marvin Adams）说：“自冷战结束以来，这真的是我们拥有的第一个既非对现有核武器进行寿命延长，也非现代化改造的核弹头方案。”

在洛斯阿拉莫斯的一个设施中，X射线束被用于对内爆的模拟“弹芯”进行成像，弹芯是位于核武器核心的钚球

随着冷战后的平静氛围再次动荡起来，这项工作变得愈发紧迫。俄罗斯已然退出了与美国签订的仅存的主要军备控制条约，同时，在针对乌克兰的特别军事行动期间，俄罗斯还经常发出核威胁。据信，伊朗和朝鲜在继续加强其核计划。“过去25年里，所有人都在沉睡，”洛斯阿拉莫斯国家实验室的武器物理学负责人查理 · 纳赫勒（Charlie Nakhleh）表示，“我想我们现在醒来了。”

威尔逊担心，国际动态和美国的核武库大检修可能最终导致核试验复苏，重新带来危险，并引发新的军备竞赛。“这对我来说并非不可想象的事——这很可怕。”对过往传承下来的武器做微调是一回事，他说，对从未经过充分测试的改良武器做功能推断则是另一回事。

实验室的武器物理学家相信，他们可以在不进行测试的前提下改进现有武器并设计新武器。他们的计算机模拟要比过去那些强大得多，而且像DAHRT这样的实验也比过去效果更加强大。“你会在不上赛道的情况下设计一辆新的一级方程式赛车吗？或者说，你会在不先飞一次的情况下设计新的波音喷气式客机吗？”利弗莫尔国家实验室的武器模拟和计算项目主任罗布 · 尼利（Rob Neely）问道。他说，就核武器及其钚制弹芯而言，答案似乎是：“事实上，的确如此。”

随着模拟和实验的改进，他们也发现了核知识方面的漏洞，以及几十年未更新的代码中的粗略估算值。尽管尼利心存疑虑，但他仍充满信心：“这些东西不仅行得通，而且功效会越来越好。”

光是替换原子弹的钚制弹芯就带来了一个科学上的难题：人们需要理解细微变化如何影响它们的表现。它们并不容易制造，部分原因在于钚（一种1940年才出现的金属）既神秘又难以处理。上一次有人大规模制造弹芯还是在20世纪80年代科罗拉多州的洛基平原工厂，那一次，美国能源部的承包商因违反环境规定而被关厂，并被迫支付1 850万美元的罚款。

这一次，美国国家核安全管理局将生产工作分配给了洛斯阿拉莫斯和南卡罗来纳州的萨瓦那河场址。管理局要求他们在2030年前每年制造80枚新弹芯，但管理局承认无法在这个期限内完成该目标。

洛斯阿拉莫斯的弹芯将在一个名为PF-4的设施中制造，这是一组安全性极高的建筑，周围用刺钢丝围起了铁丝网围栏。PF-4内部有许多手套箱，这是一种屏蔽辐射的工作站，工人们在这里戴着厚厚的手套，透过玻璃窗往内看，从而操控这种奇异的金属。该实验室正在招聘数千名工人，由它出产的第一枚弹芯大概率会在明年准备好投入核武库。

这项规模庞大的努力源于一个简单的事实：现有的许多弹芯已有超过40年的历史，而钚在老化以及放射性衰变之下会呈现出令人困惑的反应。随着它的表面氧化，上面会长出一层绿色的、毛茸茸的涂层。当它吐出铀同位素时，其金属晶格中的原子会被击出原位。当它在6种不同的固相之间滑动时，尺寸会发生变化。此外，这些弹芯不见得会平滑地降解。“我们知道，在某个时刻，会出现一段非线性的部分，”洛斯阿拉莫斯的国家安全教育中心主任、《钚手册》的编辑大卫 · 克拉克（David Clark）表示，“我们只是还没亲眼看到。”

到目前为止，这些银色的球体似乎还能维持稳定。内部和外部评估都证实了它们的完整性，表明这些弹芯可能在接下来几十年里仍然可用。“我们没有发现任何问题。”克拉克表示。

但是伊阿宋国防咨询小组提出了一些担忧，这引发了美国能源部的关注。伊阿宋小组是一个神秘的物理学家团队，为美国政府提供国家安全事务方面的咨询。在2019年的一份报告中，该小组敦促能源部“尽可能迅速地”恢复弹芯生产，以“减轻钚老化带来的潜在风险”。

有人可能会认为，新的弹芯可以避免钚老化带来的不确定性，从而使核武库的认证变得更加容易。但它们也有自己的不确定性。新弹芯不会是它们前辈的双生子，因此，武器科学家必须要了解这些变化如何改变了弹芯的表现。新弹芯是用旧弹芯中回收和提纯的钚制造的，而不像原本的弹芯那样，是用新鲜钚材料所造。此外，它们的制造工艺将与原来不同，在某些情况下，规格也会设计得略有不同。“如果你去看新需求，”亚当斯说，“你常常会发现，我们现有的旧弹芯真的、真的不太理想。”

为了将钚制成炸弹的“弹芯”，工人们必须在防护手套箱内处理这种放射性金属

在某种程度上，随着科学家的工作越来越出色，理解核武器的性能反而变得越来越困难。例如，日益强大的超级计算机带来了更高质量的模拟，但它们有时会揭示出新问题。这就是“增压物理”所面临的情形，它指的是热核炸弹在第一阶段的工作过程。在此过程中，钚的裂变触发了氘-氚助推器中的聚变反应，释放出的中子会在核弹的弹芯部位引发更多裂变。

长期以来，如果不应用数字敷衍因子，这些模拟就无法重现物理学家在地下核试验数据中看到的情况。2006年，科学家提高了模拟的分辨率。“你瞧，我们发现了一些显然很有意思的事情，它们让一群人摸不着头脑。”尼利说。由此催生出了一项名为“国家助推计划”的多年研究项目，该项目旨在理解热核燃烧的基本物理特性，并将更多的基础物理学纳入模拟，而非依赖校准和近似。

尼利说，讨人厌的近似值在武器代码中随处可见。近似值是模拟的性质固有的。模拟都是“网状的”——模拟成网格状的部分，就像数字图像中的像素那样。在每个网格单元中，物理属性被假定为相同。网格正变得越来越精细，但它仍然并非对现实的精确表征。“你只能捕捉到更近似的近似值，”尼利说，“但它仍然是一个近似值。”

支配模拟的物理特性中也存在模糊性。为了使模拟更有效地运行，科学家常常依赖于数学技巧和近似，而非明确的、基于第一性原理的解。

洛斯阿拉莫斯非线性研究中心主任克里斯托弗 · 弗莱尔（Christopher Fryer）发现，这些武器代码中仍然包含着数十年前由曼哈顿计划中的杰出人物提出的计算技巧，比如汉斯 · 贝特（Hans Bethe）和理查德 · 费曼（Richard Feynman）。他表示：“我们不能靠依赖他们来变聪明，我们必须靠自己来重新变聪明。”

繁荣时期

贝特提出的算法之一涉及带电粒子的运动，该算法至今仍被用在某些聚变模拟中。这个算法假设，如果一个粒子行进X距离，它会失去Y能量——这是一种平均散射，但不总是真实，尤其是在快速发生的反应中。“它非常符合数据，直到某一刻，你发现它其实并不符合。”弗莱尔说。替换它可能意味着要模拟每一个粒子及其特性，即使对于最新的超级计算机来说，这也是一项过于艰巨的任务。“这就是为什么我们还没有这么做。”弗莱尔说。

但是，其他的近似物理公式可以被更好或更真实的公式替代。洛斯阿拉莫斯的理论物理学家马克 · 帕里斯（Mark Paris）正在研究一种数值方法，以求解贯穿整个武器代码的非线性微分方程。“你实际上是在求解支配这个系统的方程组，”他说，“而非从方程组近似推导出的对物理机制的模拟。”

然而，模拟并不是理解炸弹的唯一工具。纳赫勒说，所有人类，甚至包括武器物理学家在内，都是讲故事的人，而这些模拟可以帮助他们创造出他们确信的叙事。但它们能做的仅此而已。“在某个时刻，”纳赫勒说，“你必须踏入未知的领域——走进黑暗的房间，然后拭目以待，‘实验能告诉我们什么？’”

这就是像DARHT这样昂贵又高功率的行动的意义所在。为了帮助阐明核弹初级阶段的内部工作原理，洛斯阿拉莫斯国家实验室希望增加每年的DARHT测试次数（目前为7次），并提高其成像能力，以便在任何给定的测试中拍摄更多的X射线照片。

第二个设施是内华达州一个叫作U1A的地下综合设施，也正在进行改造。很快，它将成为次临界实验能力增强计划（ECSE）的实施场地，科学家会在此设施中让真实的钚发生内爆，在不真正触发链式反应的前提下尽可能向它靠近。在次临界实验能力增强计划中，科学家将拍摄比例模型弹芯崩塌时的X射线照片，并研究中子在核爆炸前的关键时刻的行为。由于没有核爆炸产生，这种实验在技术上是符合禁止核试验条约的。

洛斯阿拉莫斯国家实验室的“三一”超级计算机以高分辨率模拟武器爆炸

也许最著名的实验场地是利弗莫尔的美国国家点火装置，它将192束激光聚焦到一个装有氢同位素的顶针大小的目标上，从而引发微小的聚变爆炸。利弗莫尔国家实验室的综合武器科学项目副主任劳拉 · 贝尔扎克 · 霍普金斯（Laura Berzak Hopkins）说，国家点火装置可以制造出地球上其他任何地方都不存在的温度和压力。她说：“这些环境条件是天体内才有的环境条件——比如木星的中心，或是太阳的核心。”

2022年，国家点火装置在顶针中产生的能量超过了激光输入的能量，这是一个关乎民用聚变发电努力成果的里程碑事件，引起了媒体的关注。但是，这项成就比科学家最初预计的晚了大约十年，花费了数十亿美元。而且，他们仍然无法准确预测能从一次给定的聚变射击中得到多少能量。“我们不知道其中的物理原理。”弗莱尔说。这一物理原理对于理解核武器的聚变部分十分重要，对于理解核武器自身如何抵抗核爆炸也很重要，后者是一个被称为“武器生存能力”的研究领域分支。

纳赫勒说，不管理论、模拟和实验结合得有多好，它们多半永远无法完全呈现核武器运行的过程。他说：“要达到全知还有很长的路要走，我们的目标是尽可能地推进这一知识的边界。”

这些知识不仅对于维护军火库很重要，对于昭告全世界“我们确信这些核武器可以起作用”也很重要。只有当其他国家真正认为你的威胁可信时，核威慑——即一个国家可以通过威胁进行类似规模的攻击来阻止他国袭击——才可以成立。

在爆炸性核试验的时代，传达这条信息是件很简单的事。其他国家可以从半个地球之外的地震爆炸中接收到地震信号。亚当斯说，这使“我们的对手或盟友对我们的能力毫无怀疑”。没有了核试验，美国就必须以一种更为安静的方式展示自身的信心。“如果你能向他们证明你足够了解其中的物理原理，你就肯定不是在虚张声势。”弗莱尔说。

这就是为什么国家实验室也致力于研究恒星形成和超新星等主题，这些基础科学领域与武器科学有所重叠，但并非机密。实验室的科学家可以发布相关的研究成果、对它们进行讨论、将它们印在国际会议的海报上。弗莱尔说，在这种意义上，洛斯阿拉莫斯的理论天体物理中心“是一种威慑”。

然而，仍有人怀疑，随着核武器大检修不断推进，这种基于物理学的“威慑”是否能继续充分替代测试。“‘砰，这是新的弹头。我们非常确定它能顺利工作。’——对于工程师们来说，这样就够了。”威尔逊说。但这对军方而言也许还不够可信。威尔逊说，到了某个时刻，可能会有人说：“更划算的做法就是让我们引爆一枚试试。”

此外，政界对于核试验也表现出了一定的兴趣：例如，阿肯色州的共和党参议员汤姆 · 科顿（Tom Cotton）曾建议美国退出禁止核试验条约。2020年，他提出了一项针对《国防授权法案》的修正案，为可能进行的核试验提供资金。该修正案在参议院获得通过，但众议院版本的法案禁止此类支出。

弗莱尔说，促使他深入研究物理学的动力在于以此推迟任何推动核试验的尝试。“对我来说，归根结底就是我不想重启核试验。”如果另一种选择是更好地理解物理学，那就这么做吧。

资料来源 Science

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本文作者莎拉·斯科尔斯（Sarah Scoles）是丹佛的一名记者