美国核国家实验室助力“核现代化”

郝泽澳 陈 曦

维持核武器的战略价值要求其各组件具有寿命长、安全可靠、易于从储存状态中快速激活等特性。对美国而言，能够使核武器达成上述功能必然离不开其国内核武器开发制造的“泰斗”—隶属于美国能源部的三家国家实验室——洛斯·阿拉莫斯国家实验室（LANL）、劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）和桑迪亚国家实验室（SNL）。随着近年来美国与中俄之间竞争加剧以及特朗普执政时期美国核战略的调整转向，制造新的先进核武器成为美国“核现代化”的主要任务之一。但美国也认识到自己在建造新核武器方面的不足和挑战，潜在的网络威胁、工业体系自身的问题以及如何建造一套完整的核供应链，都是核现代化工作的难点。此外，现有的国际环境也不允许美国通过大量核试验来定型一款新的核武器。在此背景下，如何胜任升级更新核武器（主要是核弹头和弹头组件），将实验室新兴科研方向与传统业务相结合的重大任务成为三家实验室的当务之急。

洛斯·阿拉莫斯国家实验室

始建于1943年的洛斯·阿拉莫斯国家实验室，是美国直接承担核武器设计的两个国家实验室之一。洛斯·阿拉莫斯国家实验室几乎参与了美国核武库中所有核弹头的开发，它生产的核弹头占据了美国核武库的“半壁江山”。世界上第一颗原子弹和氢弹都诞生于此，美国海基核力量所使用的W78与W88系列核弹头，以及B61系列核航弹也都出自该实验室之手。

管理层与主要任务的调整洛斯·阿拉莫斯国家实验室隶属于美国能源部，最初由加州大学单独管理，但在其单独管辖下，实验室曾在钚和核废料处理环节出现巨大漏洞，引起美国能源部的不满，因此能源部想通过招标来确定新的管理者。2006年，能源部第一次竞标选中了“洛斯·阿拉莫斯国家安全公司”这一新机构，但对结果并不满意的美国政府于2018年再一次发起招标。这一次，加州大学则联合了比奇特尔公司和德克萨斯州农工大学来竞标并最终成功。

DARHT设施内景

冷战结束以后，实验室的中心任务发生了较大变化：从传统的制造核武器以扩充核武库转变为维护核武库安全稳定以及使用计算机模拟核试验。《2020核事务手册》则指出，洛斯·阿拉莫斯国家实验室正在执行一项由美国国家核安全局主导的钚储存计划，主要以退役老化钚弹芯并生产新弹芯的形式进行。按照设想，到2030年左右，洛斯·阿拉莫斯国家实验室的产能将逐步达到每年80个钚弹芯，而这些钚弹芯将被全部用来制造新的弹头。不过，2020年7月8日美联社曾报道，洛斯·阿拉莫斯国家实验室内发生了由于实验人员操作失误发生的钚泄露事件，好在泄露事件并未对外界环境造成影响。由此可见，钚储存计划仍然因诸多不可控因素而存在较大风险，即使是洛斯·阿拉莫斯国家实验室这样拥有丰富经验的机构也不能确保万无一失，而“钚泄露事件”也为钚储存计划的顺利推进蒙上了一层阴影。

新型核弹头的开发洛斯·阿拉莫斯国家实验室目前主要承担的是新型低当量核弹头的开发和生产任务。早在冷战时期，实验室就开始研究核弹头小型化技术，并成功研制出包括无后坐力核火炮在内的多款低当量核武器。而实验室当前的“明星产品”则是备受瞩目的W76-2型核弹头，W76-2是W76系列核弹头的低当量版本，改进自W76-1型核弹头，用于装备三叉戟潜射弹道导弹。由于其爆炸当量只有5000吨，远不及正常潜射弹道导弹所装备的数十万吨级当量核弹头，因此，W76-2型核弹头也被认为是一种可能降低核战争门槛的危险武器。第一枚W76-2型核弹头由实验室于2019年2月22日在德克萨斯州的Pantex工厂制造完毕，将有1500枚W76-1型核弹头接受改造成为W76-2型，而整个改进计划将在2024年完成。目前，第一枚W76-2型低当量核弹头已经在2019年年末随美国海军“田纳西”号弹道导弹核潜艇完成了首次战备巡航。

B61系列核航弹服役业已60年，最新的B61-12核航弹的升级工作则由洛斯·阿拉莫斯国家实验室、桑迪亚国家实验室以及波音公司合作完成。这种新型核武器的诞生，将取代B61-3/4/7/10系列（10已退役），大大提高美国空军的核能力。B61-12核航弹的主要亮点是其精确的打击能力。为此，类似联合制导攻击武器的（JDAM）所安装的“制导尾翼工具包”（TSA）组件也被安装在B61-12上，团队还为航弹安装了火箭发动机以有效保障炸弹的命中精度。B61-12核航弹可以由F-35战机携带，首枚B61-12核航弹已于2020年3月开始生产。

大科学装置助力实验室腾飞洛斯·阿拉莫斯国家实验室从事核事业多年，麾下科技设备十分丰富。最为出名的莫过于“双轴射线照相水动力测试设备”（DARHT）。这种号称世界上功能最为强大的X射线发射仪，能够照射出高功率X射线图像，这些图像可以用来分析核武器模型，从而使计算机进行更加真实的模拟和验证。动态中尺度材料科学能力计划（DMMSC）则是洛斯·阿拉莫斯国家实验室目前正在发展的旗舰计划。此技术将有助于解决有关中尺度材料性能和生产控制的相关问题，以便专业人员了解核储备的状况并提高美国核武器的寿命，其机理主要在于结合超高分辨率模拟材料，利用高性能计算机来研究微观和中尺度材料现象，这样有利于理解材料如何影响核武器的性能。除此之外，可以用来进行复杂核武器数据计算、建模和可视化的战略计算中心、用于研究微观结构的电子显微镜实验室、负责炸药开发与测试的炸药中心、同位素生产设施、装备有线性加速器的洛斯·阿拉莫斯中子科学中心以及专门负责模拟高磁场脉冲环境的国家高磁场实验室，目前都配有领先世界的大科学装置，并将在未来辅助新弹头的研发和生产。

根据核安全管理局2018年《库存维护与管理计划》概要的要求，洛斯·阿拉莫斯国家实验室需要尽快具备“计划”所要求的管理弹头库和研制新弹头的一流能力，实验室为达成这一目标近年来也添置了多款新型装备，而其中最关键就是高性能计算机。洛斯·阿拉莫斯国家实验室已经引进了D-wave系统公司的新一代5000量子位量子计算机Advantage，还为其开发了许多新算法，而实验室也已经为上一代量子计算机D-Wave2000量子位量子计算机系统开发了60多个应用程序。事实上，即使只是对核武库中已有的弹头进行日常管理和维护就需要收集海量的数据，而对收集到的数据进行大规模分析则必须应用高性能计算机，考虑到量子计算是时下高性能计算的一个重要研究方向，洛斯·阿拉莫斯国家实验室引进两款先进的量子计算机并正在积极引进最新型的量子退火机也就不足为奇。

劳伦斯·利弗莫尔国家实验室

劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的国家点火装置

Z脉冲功率设施

劳伦斯·利弗莫尔国家实验室于1952年在旧金山湾区的利弗莫尔市成立，实验室现有约6300余名研究人员，经费年均达15亿美元。实验室负责为核爆炸装置和其他核武器部件提供研究、开发和制造指导。而作为能源部年度库存评估过程的一部分，该实验室的职责是确保核弹头的性能、安全和可靠性；支持库存武器的监视、评估、翻新和未来生产等。

参与可靠替代核弹头计划和核储备管理项目2006年，小布什政府启动了“可靠替代核弹头”计划，这个计划抛弃了之前集中于对老旧核武器进行更新维护的发展模式，在更新现有核武库部分库存的同时，将主要精力放在发展新一代核弹头的工作上，而劳伦斯·利弗莫尔国家实验室正是这一计划的主要支持者和承担者。但该计划最终由于奥巴马“无核世界”构想的提出而破产。不过，停止研发新一代核武器的举措使一些专家担心，由于许多核弹存放时间过长，弹头内的核材料会发生化学变化，比如钚元素以及其他物质一直在缓慢衰变。而且据估算，美国每年花在这些老旧核弹头身上的保养费接近50亿美元，尽管花如此大的价钱进行维护，每年仍约有6件左右的核武器完全丧失功能。特朗普上台后加快推进的核现代化项目决定研发新的核弹头，实验室对此非常支持并积极利用前期研究成果推进项目。

除参与开发新型核弹头外，劳伦斯·利弗莫尔国家实验室还启动了“核储备管理项目”，力图在不进行核爆炸试验的前提下提高库存核武器的安全性和可靠性。这一项目关注的研究方向主要有以下6种：延长武器寿命、预测建模、钚元素的研究、高爆炸药的研究、高能量密度的研究以及对基础设施和人员的投资。实验室下设的武器原理与设计组和国家点火装置小组（计初衷是用来模拟核爆，属于美国“无爆炸核试验”不可或缺的部分）正在努力通过激光技术等非传统手段再一次取得核武器新概念和实践的创新突破。随着过去十几年实验室对超级计算机和基础核设施的投资不断加大，核储备管理项目的研究人员们已经“建立了对核武器性能的科学基础的基本了解”，并设计出了改良的弹头监视工具，方便人员发现核武器在储存中出现的问题。

改进现有核弹头当前，劳伦斯·利弗莫尔实验室是B83、W80-1/4和W87-0/1弹头的物理实验室和设计机构。实验室正在与桑迪亚国家实验室展开合作，进行W80-4核弹头的延寿计划，延寿工作主要是使弹头本身和新型远程防区外巡航导弹（LRSO）相适应，同时改善该弹头的安全特性，确保不需在核试验的情况下完成整个升级工作。国家核安全管理局表示，将在2025年9月之前交付首枚W80-4核弹头。

实验室负责的另外一款弹头W87-1核弹头则是基于美军现役的“民兵-3”弹道导弹安装的W87核弹头进行升级改进，目的是彻底取代现役的W78核弹头。W87-1将是30多年来第一个使用新制造的钚弹芯的弹头。W87-1是基于以前测试过的核武设计，并将采用先进的安全性能设计和钝感高能炸药。W87-1不会具备新的核能力，但它将提供增强的安全性，其研制工作也不需要地下核爆炸试验。W87-1核弹头将装备于美军新一代陆基弹道导弹（GBSD）上，目前，整个W87-1的改进计划已经进入可行性研究和设计选项阶段，首枚W87-1核弹头将在2030财年开始制造。

桑迪亚国家实验室的数据中心

在特朗普政府向国会提交的2021财年总统预算中，负责美国核武器研制工作的能源部预算中出现了名为W93的核弹头项目。目前，尚不清楚W93弹头的研制任务将具体由哪个试验室负责，但劳伦斯·利弗莫尔试验室主任威廉姆·歌德史密斯公开表示对此项目有浓厚的兴趣和信心。

在核不扩散和核爆炸领域的研究监测其他国家的核试验情况一直是美国防扩散的重要一环，而劳伦斯·利弗莫尔国家实验室是负责全球核爆监测的最专业机构。在高性能超级计算机的有力辅助下，实验室的地震学家开发出了三维地球模型，以更精确地探测和确定核爆炸的位置。超级计算机的计算技术可以有效地探测核爆炸或地震附近地形的变化，还可以自动存储与分析爆炸和地震的记录信息。这些新技术不仅提高了美国监测核爆炸的能力，而且使研究人员能够更好地确定可能发生小地震的活动性断层，以便更好地在地震来临前进行预警，因此“核爆炸探测”研究具有军民两用的特性。在这一工程中，最重要的两种技术是“贝叶斯分层地震定位器”技术以及“全局三维地震层析成像”技术，这两种技术均能以三维角度对地层空间进行分层展示，为研究人员确定核爆炸或地震的中心、深度、位置等信息提供了极大便利。

2018年，在美国国家核安全管理局武器不扩散和军控办公室的领导下，劳伦斯·利弗莫尔国家实验室启动了“核不扩散和军控”项目，利用其核武器和辐射监测及相关领域的专业知识阻止核污染、放射污染或高爆炸药意外引爆等重大安全事故的发生。实验室在该领域有两项技术当前处于世界领先水平。一是智能采样器，当土壤中存在大量的放射性稀有气体时，则很有可能是最近发生了一次地下核爆炸，智能采样器可以从疑似含有高浓度稀有气体的位置自动捕获地表甚至更深层的气体。另一项创新技术是用于安全防护的射频识别技术，该技术可以让研究人员能够检测、远程监控以及跟踪装有核材料的容器，大大提升了核监测的精确性和可操作性。

桑迪亚国家实验室

桑迪亚国家实验室的科研人员正在维护B61核航弹

诞生于1948年的桑迪亚国家实验室，由能源部与美国电话电报公司子公司桑迪亚公司共管。实验室共有5个技术区域，每一个技术区域都有各自特有的专项工作。实验室同时拥有多处被称为郊狼测试场的测试区域。桑迪亚国家实验室目前主要致力于维持核武系统的可靠性和准确度，但其在军备控制和防止核武器扩散，以及美国核计划产生的有害废弃物处理方式上的研究也很充分。

主要研究方向和任务重心组建伊始，桑迪亚国家实验室便体现出了其“非核”特性——不与核装药和具体核装置打交道，而是专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：如设计电气系统保险、解保、引爆装置、发射系统、中子发生器和指挥控制设备以及核材料、组件及仪器技术的研究。此外，实验室还在计算生物学、数学、材料科学、替代能源、微机电系统在内的各个学科有所涉足。目前世界上最大的X射线发生器——Z脉冲功率设施（Z机）也位于桑迪亚国家实验室。Z机被用于极端温度与压强之下的材料测试，收集到的数据可用于计算机模拟系统以辅助核武器研发。桑迪亚国家实验室还参与了保存核武器所需的地下设施的建造工作，其同时也是诸多开源软件的起源地，这有助于实验室在信息化领域助力美国核现代化。

2020年8月，桑迪亚国家实验室整合了一个由美国能源部主导，设有5个国家量子信息科研中心的研究小组——量子系统加速器小组（Quantum Systems Accelerator）。能源部认为桑迪亚国家实验室在量子制造、工程和系统集成方面的专业知识将给予这个小组很大的帮助，项目的主要目标就是将时下异军突起的量子计算机和核技术进行联合，使它们可以转化为对研制新核武器有重要作用的装置。核现代化离不开核武器的发展，而在禁止核试验的今天，利用高性能计算机来模拟核爆，无疑是每个核大国进行核武器设计的关键步骤。桑迪亚国家实验室在高性能量子计算方面的领军作用，将有助于研究人员更好地在虚拟环境下模拟核试验，这样做既不违反《全面禁止核试验条约》，也能够大大降低成本。

加速核武器微电子系统现代化桑迪亚国家实验室在微电子领域也颇有建树，这与其长期从事研制核武器保险、引爆系统的职能密不可分。桑迪亚实验室的微电子研究和开发制造中心（MESA）直接参与了美国军方主导的核武器延寿计划，也推动了新型核武器抗辐射芯片工艺的进步。该中心的出色表现使得美国在抗辐射电路上的研究始终保持在世界领先水平。

从2014 年起，桑迪亚实验室开始对W88、W87、B61-12核弹头的引信进行替换工作。为制造出稳定可靠的引信部件，实验室将目光投向了大规模制造集成150～180纳米晶圆的技术升级上。美国国防部认为，尽管目前大多数核武器所配抗辐射芯片的350纳米工艺芯片能够很好地胜任相关工作，但是该制造技术本身已经远远落后于时代，在核武库更新换代的大背景下，继续使用20世纪九十年代的陈旧技术明显不利于防辐射芯片实现更密集和更复杂的逻辑功能。但目前桑迪亚国家实验室仅能够大规模生产200纳米晶圆，整个复杂的升级过程将在2021年7月完成，届时，桑迪亚国家实验室将获得大规模制造集成150～180纳米晶圆的能力。此外，桑迪亚实验室还将在2038年前统合分散在各地的中子发生器生产业务。1995年，实验室被指定为中子发生器的生产机构，但业务活动被安置在多个地点的8座设施中，这直接造成生产效率低下，工作流程不理想等问题，增加了时间和产品质量风险因素。而拟议中的新设施将统合分散在各地的生产机构，这将改善工作流程和效率并允许实验室安装和测试替换设备，开发新技术。