美國核國家實驗室助力“核現(xiàn)代化”

郝澤澳 陳曦

維持核武器的戰(zhàn)略價值要求其各組件具有壽命長、安全可靠、易于從儲存狀態(tài)中快速激活等特性。對美國而言，能夠使核武器達成上述功能必然離不開其國內(nèi)核武器開發(fā)制造的“泰斗”—隸屬于美國能源部的三家國家實驗室——洛斯·阿拉莫斯國家實驗室（LANL）、勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL）和桑迪亞國家實驗室（SNL）。隨著近年來美國與中俄之間競爭加劇以及特朗普執(zhí)政時期美國核戰(zhàn)略的調(diào)整轉(zhuǎn)向，制造新的先進核武器成為美國“核現(xiàn)代化”的主要任務之一。但美國也認識到自己在建造新核武器方面的不足和挑戰(zhàn)，潛在的網(wǎng)絡威脅、工業(yè)體系自身的問題以及如何建造一套完整的核供應鏈，都是核現(xiàn)代化工作的難點。此外，現(xiàn)有的國際環(huán)境也不允許美國通過大量核試驗來定型一款新的核武器。在此背景下，如何勝任升級更新核武器（主要是核彈頭和彈頭組件），將實驗室新興科研方向與傳統(tǒng)業(yè)務相結(jié)合的重大任務成為三家實驗室的當務之急。

洛斯·阿拉莫斯國家實驗室

始建于1943年的洛斯·阿拉莫斯國家實驗室，是美國直接承擔核武器設(shè)計的兩個國家實驗室之一。洛斯·阿拉莫斯國家實驗室?guī)缀鯀⑴c了美國核武庫中所有核彈頭的開發(fā)，它生產(chǎn)的核彈頭占據(jù)了美國核武庫的“半壁江山”。世界上第一顆原子彈和氫彈都誕生于此，美國?；肆α克褂玫腤78與W88系列核彈頭，以及B61系列核航彈也都出自該實驗室之手。

管理層與主要任務的調(diào)整洛斯·阿拉莫斯國家實驗室隸屬于美國能源部，最初由加州大學單獨管理，但在其單獨管轄下，實驗室曾在钚和核廢料處理環(huán)節(jié)出現(xiàn)巨大漏洞，引起美國能源部的不滿，因此能源部想通過招標來確定新的管理者。2006年，能源部第一次競標選中了“洛斯·阿拉莫斯國家安全公司”這一新機構(gòu)，但對結(jié)果并不滿意的美國政府于2018年再一次發(fā)起招標。這一次，加州大學則聯(lián)合了比奇特爾公司和德克薩斯州農(nóng)工大學來競標并最終成功。

冷戰(zhàn)結(jié)束以后，實驗室的中心任務發(fā)生了較大變化：從傳統(tǒng)的制造核武器以擴充核武庫轉(zhuǎn)變?yōu)榫S護核武庫安全穩(wěn)定以及使用計算機模擬核試驗?！?020核事務手冊》則指出，洛斯·阿拉莫斯國家實驗室正在執(zhí)行一項由美國國家核安全局主導的钚儲存計劃，主要以退役老化钚彈芯并生產(chǎn)新彈芯的形式進行。按照設(shè)想，到2030年左右，洛斯·阿拉莫斯國家實驗室的產(chǎn)能將逐步達到每年80個钚彈芯，而這些钚彈芯將被全部用來制造新的彈頭。不過，2020年7月8日美聯(lián)社曾報道，洛斯·阿拉莫斯國家實驗室內(nèi)發(fā)生了由于實驗人員操作失誤發(fā)生的钚泄露事件，好在泄露事件并未對外界環(huán)境造成影響。由此可見，钚儲存計劃仍然因諸多不可控因素而存在較大風險，即使是洛斯·阿拉莫斯國家實驗室這樣擁有豐富經(jīng)驗的機構(gòu)也不能確保萬無一失，而“钚泄露事件”也為钚儲存計劃的順利推進蒙上了一層陰影。

新型核彈頭的開發(fā) 洛斯·阿拉莫斯國家實驗室目前主要承擔的是新型低當量核彈頭的開發(fā)和生產(chǎn)任務。早在冷戰(zhàn)時期，實驗室就開始研究核彈頭小型化技術(shù)，并成功研制出包括無后坐力核火炮在內(nèi)的多款低當量核武器。而實驗室當前的“明星產(chǎn)品”則是備受矚目的W76-2型核彈頭，W76-2是W76系列核彈頭的低當量版本，改進自W76-1型核彈頭，用于裝備三叉戟潛射彈道導彈。由于其爆炸當量只有5000噸，遠不及正常潛射彈道導彈所裝備的數(shù)十萬噸級當量核彈頭，因此，W76-2型核彈頭也被認為是一種可能降低核戰(zhàn)爭門檻的危險武器。第一枚W76-2型核彈頭由實驗室于2019年2月22日在德克薩斯州的Pantex工廠制造完畢，將有1500枚W76-1型核彈頭接受改造成為W76-2型，而整個改進計劃將在2024年完成。目前，第一枚W76-2型低當量核彈頭已經(jīng)在2019年年末隨美國海軍“田納西”號彈道導彈核潛艇完成了首次戰(zhàn)備巡航。

B61系列核航彈服役業(yè)已60年，最新的B61-12核航彈的升級工作則由洛斯·阿拉莫斯國家實驗室、桑迪亞國家實驗室以及波音公司合作完成。這種新型核武器的誕生，將取代B61-3/4/7/10系列（10已退役），大大提高美國空軍的核能力。B61-12核航彈的主要亮點是其精確的打擊能力。為此，類似聯(lián)合制導攻擊武器的（JDAM）所安裝的“制導尾翼工具包”（TSA）組件也被安裝在B61-12上，團隊還為航彈安裝了火箭發(fā)動機以有效保障炸彈的命中精度。B61-12核航彈可以由F-35戰(zhàn)機攜帶，首枚B61-12核航彈已于2020年3月開始生產(chǎn)。

大科學裝置助力實驗室騰飛洛斯·阿拉莫斯國家實驗室從事核事業(yè)多年，麾下科技設(shè)備十分豐富。最為出名的莫過于“雙軸射線照相水動力測試設(shè)備”（DARHT）。這種號稱世界上功能最為強大的X射線發(fā)射儀，能夠照射出高功率X射線圖像，這些圖像可以用來分析核武器模型，從而使計算機進行更加真實的模擬和驗證。動態(tài)中尺度材料科學能力計劃（DMMSC）則是洛斯·阿拉莫斯國家實驗室目前正在發(fā)展的旗艦計劃。此技術(shù)將有助于解決有關(guān)中尺度材料性能和生產(chǎn)控制的相關(guān)問題，以便專業(yè)人員了解核儲備的狀況并提高美國核武器的壽命，其機理主要在于結(jié)合超高分辨率模擬材料，利用高性能計算機來研究微觀和中尺度材料現(xiàn)象，這樣有利于理解材料如何影響核武器的性能。除此之外，可以用來進行復雜核武器數(shù)據(jù)計算、建模和可視化的戰(zhàn)略計算中心、用于研究微觀結(jié)構(gòu)的電子顯微鏡實驗室、負責炸藥開發(fā)與測試的炸藥中心、同位素生產(chǎn)設(shè)施、裝備有線性加速器的洛斯·阿拉莫斯中子科學中心以及專門負責模擬高磁場脈沖環(huán)境的國家高磁場實驗室，目前都配有領(lǐng)先世界的大科學裝置，并將在未來輔助新彈頭的研發(fā)和生產(chǎn)。

根據(jù)核安全管理局2018年《庫存維護與管理計劃》概要的要求，洛斯·阿拉莫斯國家實驗室需要盡快具備“計劃”所要求的管理彈頭庫和研制新彈頭的一流能力，實驗室為達成這一目標近年來也添置了多款新型裝備，而其中最關(guān)鍵就是高性能計算機。洛斯·阿拉莫斯國家實驗室已經(jīng)引進了D-wave系統(tǒng)公司的新一代5000量子位量子計算機Advantage，還為其開發(fā)了許多新算法，而實驗室也已經(jīng)為上一代量子計算機D-Wave2000量子位量子計算機系統(tǒng)開發(fā)了60多個應用程序。事實上，即使只是對核武庫中已有的彈頭進行日常管理和維護就需要收集海量的數(shù)據(jù)，而對收集到的數(shù)據(jù)進行大規(guī)模分析則必須應用高性能計算機，考慮到量子計算是時下高性能計算的一個重要研究方向，洛斯·阿拉莫斯國家實驗室引進兩款先進的量子計算機并正在積極引進最新型的量子退火機也就不足為奇。

勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室

勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室于1952年在舊金山灣區(qū)的利弗莫爾市成立，實驗室現(xiàn)有約6300余名研究人員，經(jīng)費年均達15億美元。實驗室負責為核爆炸裝置和其他核武器部件提供研究、開發(fā)和制造指導。而作為能源部年度庫存評估過程的一部分，該實驗室的職責是確保核彈頭的性能、安全和可靠性;支持庫存武器的監(jiān)視、評估、翻新和未來生產(chǎn)等。

參與可靠替代核彈頭計劃和核儲備管理項目 2006年，小布什政府啟動了“可靠替代核彈頭”計劃，這個計劃拋棄了之前集中于對老舊核武器進行更新維護的發(fā)展模式，在更新現(xiàn)有核武庫部分庫存的同時，將主要精力放在發(fā)展新一代核彈頭的工作上，而勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室正是這一計劃的主要支持者和承擔者。但該計劃最終由于奧巴馬“無核世界”構(gòu)想的提出而破產(chǎn)。不過，停止研發(fā)新一代核武器的舉措使一些專家擔心，由于許多核彈存放時間過長，彈頭內(nèi)的核材料會發(fā)生化學變化，比如钚元素以及其他物質(zhì)一直在緩慢衰變。而且據(jù)估算，美國每年花在這些老舊核彈頭身上的保養(yǎng)費接近50億美元，盡管花如此大的價錢進行維護，每年仍約有6件左右的核武器完全喪失功能。特朗普上臺后加快推進的核現(xiàn)代化項目決定研發(fā)新的核彈頭，實驗室對此非常支持并積極利用前期研究成果推進項目。

除參與開發(fā)新型核彈頭外，勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室還啟動了“核儲備管理項目”，力圖在不進行核爆炸試驗的前提下提高庫存核武器的安全性和可靠性。這一項目關(guān)注的研究方向主要有以下6種：延長武器壽命、預測建模、钚元素的研究、高爆炸藥的研究、高能量密度的研究以及對基礎(chǔ)設(shè)施和人員的投資。實驗室下設(shè)的武器原理與設(shè)計組和國家點火裝置小組（計初衷是用來模擬核爆，屬于美國“無爆炸核試驗”不可或缺的部分）正在努力通過激光技術(shù)等非傳統(tǒng)手段再一次取得核武器新概念和實踐的創(chuàng)新突破。隨著過去十幾年實驗室對超級計算機和基礎(chǔ)核設(shè)施的投資不斷加大，核儲備管理項目的研究人員們已經(jīng)“建立了對核武器性能的科學基礎(chǔ)的基本了解”，并設(shè)計出了改良的彈頭監(jiān)視工具，方便人員發(fā)現(xiàn)核武器在儲存中出現(xiàn)的問題。

改進現(xiàn)有核彈頭 當前，勞倫斯·利弗莫爾實驗室是B83、W80-1/4和W87-0/1彈頭的物理實驗室和設(shè)計機構(gòu)。實驗室正在與桑迪亞國家實驗室展開合作，進行W80-4核彈頭的延壽計劃，延壽工作主要是使彈頭本身和新型遠程防區(qū)外巡航導彈（LRSO）相適應，同時改善該彈頭的安全特性，確保不需在核試驗的情況下完成整個升級工作。國家核安全管理局表示，將在2025年9月之前交付首枚W80-4核彈頭。

實驗室負責的另外一款彈頭W87-1核彈頭則是基于美軍現(xiàn)役的“民兵-3”彈道導彈安裝的W87核彈頭進行升級改進，目的是徹底取代現(xiàn)役的W78核彈頭。W87-1將是30多年來第一個使用新制造的钚彈芯的彈頭。W87-1是基于以前測試過的核武設(shè)計，并將采用先進的安全性能設(shè)計和鈍感高能炸藥。W87-1不會具備新的核能力，但它將提供增強的安全性，其研制工作也不需要地下核爆炸試驗。W87-1核彈頭將裝備于美軍新一代陸基彈道導彈（GBSD）上，目前，整個W87-1的改進計劃已經(jīng)進入可行性研究和設(shè)計選項階段，首枚W87-1核彈頭將在2030財年開始制造。

在特朗普政府向國會提交的2021財年總統(tǒng)預算中，負責美國核武器研制工作的能源部預算中出現(xiàn)了名為W93的核彈頭項目。目前，尚不清楚W93彈頭的研制任務將具體由哪個試驗室負責，但勞倫斯·利弗莫爾試驗室主任威廉姆·歌德史密斯公開表示對此項目有濃厚的興趣和信心。

在核不擴散和核爆炸領(lǐng)域的研究 監(jiān)測其他國家的核試驗情況一直是美國防擴散的重要一環(huán)，而勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室是負責全球核爆監(jiān)測的最專業(yè)機構(gòu)。在高性能超級計算機的有力輔助下，實驗室的地震學家開發(fā)出了三維地球模型，以更精確地探測和確定核爆炸的位置。超級計算機的計算技術(shù)可以有效地探測核爆炸或地震附近地形的變化，還可以自動存儲與分析爆炸和地震的記錄信息。這些新技術(shù)不僅提高了美國監(jiān)測核爆炸的能力，而且使研究人員能夠更好地確定可能發(fā)生小地震的活動性斷層，以便更好地在地震來臨前進行預警，因此“核爆炸探測”研究具有軍民兩用的特性。在這一工程中，最重要的兩種技術(shù)是“貝葉斯分層地震定位器”技術(shù)以及“全局三維地震層析成像”技術(shù)，這兩種技術(shù)均能以三維角度對地層空間進行分層展示，為研究人員確定核爆炸或地震的中心、深度、位置等信息提供了極大便利。

2018年，在美國國家核安全管理局武器不擴散和軍控辦公室的領(lǐng)導下，勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室啟動了“核不擴散和軍控”項目，利用其核武器和輻射監(jiān)測及相關(guān)領(lǐng)域的專業(yè)知識阻止核污染、放射污染或高爆炸藥意外引爆等重大安全事故的發(fā)生。實驗室在該領(lǐng)域有兩項技術(shù)當前處于世界領(lǐng)先水平。一是智能采樣器，當土壤中存在大量的放射性稀有氣體時，則很有可能是最近發(fā)生了一次地下核爆炸，智能采樣器可以從疑似含有高濃度稀有氣體的位置自動捕獲地表甚至更深層的氣體。另一項創(chuàng)新技術(shù)是用于安全防護的射頻識別技術(shù)，該技術(shù)可以讓研究人員能夠檢測、遠程監(jiān)控以及跟蹤裝有核材料的容器，大大提升了核監(jiān)測的精確性和可操作性。

桑迪亞國家實驗室

誕生于1948年的桑迪亞國家實驗室，由能源部與美國電話電報公司子公司桑迪亞公司共管。實驗室共有5個技術(shù)區(qū)域，每一個技術(shù)區(qū)域都有各自特有的專項工作。實驗室同時擁有多處被稱為郊狼測試場的測試區(qū)域。桑迪亞國家實驗室目前主要致力于維持核武系統(tǒng)的可靠性和準確度，但其在軍備控制和防止核武器擴散，以及美國核計劃產(chǎn)生的有害廢棄物處理方式上的研究也很充分。

主要研究方向和任務重心?組建伊始，桑迪亞國家實驗室便體現(xiàn)出了其“非核”特性——不與核裝藥和具體核裝置打交道，而是專注于核武器的非核部分以提高核武器的安全性、耐受性和可靠性等性能：如設(shè)計電氣系統(tǒng)保險、解保、引爆裝置、發(fā)射系統(tǒng)、中子發(fā)生器和指揮控制設(shè)備以及核材料、組件及儀器技術(shù)的研究。此外，實驗室還在計算生物學、數(shù)學、材料科學、替代能源、微機電系統(tǒng)在內(nèi)的各個學科有所涉足。目前世界上最大的X射線發(fā)生器——Z脈沖功率設(shè)施（Z機）也位于桑迪亞國家實驗室。Z機被用于極端溫度與壓強之下的材料測試，收集到的數(shù)據(jù)可用于計算機模擬系統(tǒng)以輔助核武器研發(fā)。桑迪亞國家實驗室還參與了保存核武器所需的地下設(shè)施的建造工作，其同時也是諸多開源軟件的起源地，這有助于實驗室在信息化領(lǐng)域助力美國核現(xiàn)代化。

2020年8月，桑迪亞國家實驗室整合了一個由美國能源部主導，設(shè)有5個國家量子信息科研中心的研究小組——量子系統(tǒng)加速器小組（Quantum Systems Accelerator）。能源部認為桑迪亞國家實驗室在量子制造、工程和系統(tǒng)集成方面的專業(yè)知識將給予這個小組很大的幫助，項目的主要目標就是將時下異軍突起的量子計算機和核技術(shù)進行聯(lián)合，使它們可以轉(zhuǎn)化為對研制新核武器有重要作用的裝置。核現(xiàn)代化離不開核武器的發(fā)展，而在禁止核試驗的今天，利用高性能計算機來模擬核爆，無疑是每個核大國進行核武器設(shè)計的關(guān)鍵步驟。桑迪亞國家實驗室在高性能量子計算方面的領(lǐng)軍作用，將有助于研究人員更好地在虛擬環(huán)境下模擬核試驗，這樣做既不違反《全面禁止核試驗條約》，也能夠大大降低成本。

加速核武器微電子系統(tǒng)現(xiàn)代化 桑迪亞國家實驗室在微電子領(lǐng)域也頗有建樹，這與其長期從事研制核武器保險、引爆系統(tǒng)的職能密不可分。桑迪亞實驗室的微電子研究和開發(fā)制造中心（MESA）直接參與了美國軍方主導的核武器延壽計劃，也推動了新型核武器抗輻射芯片工藝的進步。該中心的出色表現(xiàn)使得美國在抗輻射電路上的研究始終保持在世界領(lǐng)先水平。

從2014年起，桑迪亞實驗室開始對W88、W87、B61-12核彈頭的引信進行替換工作。為制造出穩(wěn)定可靠的引信部件，實驗室將目光投向了大規(guī)模制造集成150～180納米晶圓的技術(shù)升級上。美國國防部認為，盡管目前大多數(shù)核武器所配抗輻射芯片的350納米工藝芯片能夠很好地勝任相關(guān)工作，但是該制造技術(shù)本身已經(jīng)遠遠落后于時代，在核武庫更新?lián)Q代的大背景下，繼續(xù)使用20世紀九十年代的陳舊技術(shù)明顯不利于防輻射芯片實現(xiàn)更密集和更復雜的邏輯功能。但目前桑迪亞國家實驗室僅能夠大規(guī)模生產(chǎn)200納米晶圓，整個復雜的升級過程將在2021年7月完成，屆時，桑迪亞國家實驗室將獲得大規(guī)模制造集成150～180納米晶圓的能力。此外，桑迪亞實驗室還將在2038年前統(tǒng)合分散在各地的中子發(fā)生器生產(chǎn)業(yè)務。1995年，實驗室被指定為中子發(fā)生器的生產(chǎn)機構(gòu)，但業(yè)務活動被安置在多個地點的8座設(shè)施中，這直接造成生產(chǎn)效率低下，工作流程不理想等問題，增加了時間和產(chǎn)品質(zhì)量風險因素。而擬議中的新設(shè)施將統(tǒng)合分散在各地的生產(chǎn)機構(gòu)，這將改善工作流程和效率并允許實驗室安裝和測試替換設(shè)備，開發(fā)新技術(shù)。

責任編輯：劉靖鑫