如何驗證核彈已被拆除？

儲存大量的核武器，是當今世代的隱憂之一，因此世界各國簽署了軍備削減條約，試圖一步步解決這個問題。然而，這樣的條約真的有效嗎？事實上，當各國簽署削減軍備協定時，為確保不會洩露軍事機密，通常不會授予武器檢查員全部的權限，去探究其技術的細節。

編譯／黃柏誠

既然無法進行實際檢查，各國便想出了各種方法取而代之。例如，過去的美俄削減軍備條約，要求銷毀的是導彈、飛機的核彈頭發射系統，而不是彈頭本身。在二十世紀末，為了遵守《 START條約》，美國切斷了B-52轟炸機的機翼，將解體後的轟炸機放在原地長達三個月之久，就是為了使俄羅斯衛星能夠以視覺確認殘骸。

儘管這個方法合乎邏輯，但仍隱藏著許多問題。大量的核武器庫存，使它們暴露於被盜、未經授權或意外使用，及轉移到第三國的風險之中。若造成恐怖主義與核武的擴散，可能會對人類社會產生災難性的後果。

麻省理工學院 (MIT) 的核科學家Areg Danagoulian說：「確實有必要先避免出現這種危險的情況，並追查這些庫存。」 「而這正是意味著，我們必須真正確認軍備的拆除與否。」

現在，以Danagoulian為首的MIT研究員，已經成功地測試了一種新的技術，可以幫助檢查人員核查核武器的銷毀情況。該方法使用中子束來確定有關核彈頭的某些特徵。除此之外，更能透過同位素濾波器，對所測數據中的信息進行物理加密。

高風險測試

該測試在倫斯勒理工學院校園內的The Gaerttner LINAC Center中進行，使用長15公尺的中子束。這整個測試實驗，建立在Danagoulian與其研究小組先前的理論基礎上，他們於2018年發表了兩篇論文，詳細介紹了該系統的計算機模擬結果。而在這次公開於Nature Communication的論文中，不僅公開測試結果，他們還針對信息加密、同位素分辨率等方面進行改良。

這個實驗中很重要的一點是模擬核彈頭的特徵。由於核彈頭內部獨特的材料架構，一般傾向於使用Pu元素，因為它具有二十種不同中子數量的同位素。然而，由於研究是在學術單位中進行，MIT研究小組無法取得Pu與鈾元素，因此在經過特性篩選後，鉬、鎢元素被選為代替239Pu和240Pu同位素的材料。

實驗的過程其實非常簡單：首先，發射水平中子束到核彈頭的代替品，再通過加密濾波器對信息進行干擾，最後讓中子束的信號發送到鋰玻璃中子探測器。在探測器中，可以記錄下代表彈頭某些關鍵特性的數據。

最終，實驗人員們欣喜地發現該測試有效，因為中子束可以識別出所測試的同位素。

能夠檢測出同位素，是運用了中子共振傳輸分析 (NRTA) 這項技術。NRTA可以利用中子，誘發在電子伏特 (eV) 能量範圍內的核共振，尤其是對於高原子序的元素，如鉬、鎢、鈾和Pu等。NRTA的特點是它對共振能量與振幅的唯一性，因此面對同樣元素的同位素，也可以做到高分辨率的成像。

Danagoulian說：「在低能範圍內，中子的相互作用對同位素有專一性。」 「因此，在有同位素標記的情況下進行測量的話，該信號本身會嵌入有關同位素種類和幾何形狀的信息。然而，我們仍需要額外的步驟來對其進行物理性加密。」

中子束信息的物理加密改變了一些確切的細節，但是仍允許科學家記錄物體的獨特特徵，進而用來它與其他物體比較。這種改變意味著：在核武拆卸的檢查中，一個國家可以允許他國測試，而無須透露與其武器設計相關的全部細節。

Danagoulian解釋：「這種加密濾波器基本上掩蓋了測試對象本身的內在屬性。」

事實上，若是去除濾波器，也可以讓中子束穿過核彈頭，直接記錄訊息，然後在計算機系統上對其進行加密。但這樣的做法真的安全嗎？其實不盡然。根據Danagoulian的說法：「原則上，你可以使用計算機來進行加密，但是計算機並不可靠。它們可以被駭客入侵，而物理定律是不變的。」

MIT研究小組的測試還包括對數據的檢查，以確保檢查人員無法對流程進行逆向工程，從而推斷出國家想要保密的武器信息。

若這項技術實現，在未來的武器檢查中，東道國將向武器檢查員展示一枚彈頭，後者可以對該材料進行中子束測試。如果通過要求，他們也可以對其他即將銷毀的彈頭進行測試，並確保其他彈頭的數據特徵與原始彈頭的特徵匹配。透過這個技術，儘管還需要安排許多其他協議，才能使整個過程完整地運行，但新方法似乎合理地平衡了兩方的訊息透漏和保密性。

人性層面

Danagoulian認為，對這項新方法進行測試，對他的研究團隊而言是重要的一步。他說道：「程式可以模擬物理現象，但不能模擬系統的不穩定性。」「實驗則能模擬整個世界。」

雖然這個研究是在大型的實驗設施進行，但更小，、更簡化的中子束源可能也可以進行此類測量。中子束可以改為氘─氚脈衝的生成形式，或使用小型的線性加速器來驅動產生中子。將來，Danagoulian想製造一種小規模的測試儀器，該儀器只有5公尺長，方便轉移，可以拿到武器的放置地點使用。

Danagoulian表示：「我們的工作目的是創建這些概念，對其進行驗證，通過模擬和實驗證明它們有效，然後，讓美國國家能源部 (DOE) 實驗室來進行最後驗證。」

他還強調了核武器削減的重要性。由幾枚現代核彈頭組成的小集群，等同於第二次世界大戰中發射的所有武器的破壞力，包括投在廣島和長崎的原子彈。然而駭人的是，截至2019年，美國和俄羅斯的核武庫中估計有多達13,000枚核武器。或許政府也意識到了其中蘊藏的危險，因此這項研究得到了DOE國家核安全管理局獎的部分支持。

Danagoulian強調，「成為父母」這件事大大地增強了他的意識，讓他知道他必須在這個問題上採取行動。這也對他推動當前的研究項目有極大的幫助。他說：「這使我感到緊迫。我可以利用我的知識，技能和物理訓練，為社會和我的孩子做些什麼嗎？」 「這是這項研究工作的人性層面。」

 

編譯來源：Sciencedaily 2019/09/30 How to dismantle a nuclear bomb.

參考資料：Ezra M. Engel, Areg Danagoulian. A physically cryptographic warhead verification system using neutron induced nuclear resonances. Nature Communications, 2019