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。

圖片來源:https://www.nature.com/articles/s41467-019-12386-0.pdf

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

人瀏覽過