为了维护核弹并制造新核弹，科学家们正在不断探索物理学的前沿

在加州国家点火装置（NIF ）进行的每一次实验——一次“点火”——仅持续几十亿分之一秒。然而，在这短暂的一瞬间，却发生了许多事情：192束激光，总能量约500万亿瓦，汇聚在机器的靶室中，并将能量倾泻到一个仅几厘米长的金制圆柱体上。圆柱体内部是一个胡椒粒大小的钻石球，里面充满了氘和氚的混合物，它们是氢的重同位素。

当球体吸收激光能量时，其外层迅速烧蚀。这会产生一股以每秒300公里速度行进的冲击波，使球体内部发生内爆。当氘和氚原子在数十亿倍大气压的压力下相互挤压，温度超过100兆摄氏度时，它们开始聚变生成氦，释放出巨大的能量。

这是在不引爆原子弹的情况下重现核武器爆炸所需的工具。NIF诞生于 20 世纪 90 年代，当时美国决定停止地下核试验。在没有这些试验的情况下，负责国家核威慑力量的人员仍然需要确保其核弹头在储存期间的安全，最重要的是，确保它们在需要时能够按预期发挥作用。

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美国核机构为应对这一挑战而开发的设施最终包括全球最强大的激光器NIF，以及速度最快、性能最强的超级计算机El Capitan。这两台设备已成为美国核武器实验室新使命的核心，因为它们正在升级现有核弹，并且几十年来首次开始设计全新的核弹。

维护核武器需要一支科学家和工程师队伍。NIF隶属于旧金山附近的劳伦斯利弗莫尔国家实验室，该实验室成立于1952年，与位于新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯国家实验室竞争。不到十年前，第一颗核弹正是在洛斯阿拉莫斯国家实验室制造出来的。“我们在一个高度机密的环境中开发这项先进技术，”利弗莫尔国家实验室的负责人金·布迪尔说道。“在这场技术竞赛中，引入科学严谨性、同行评审和竞争至关重要。” 这两个实验室有意追求不同的武器设计，尽管有时会合作，但彼此都称之为“竞争对手”。

桑迪亚实验室正在进行测试。 图片：桑迪亚实验室

利弗莫尔和洛斯阿拉莫斯设计了美国核弹头中的“物理组件”，也就是核弹的核部件。第三个机构——桑迪亚国家实验室，则负责添加非核部件（例如扳机、电池、传感器和抗辐射电子设备），并将这两个物理实验室制造的设备与运载系统（例如导弹）集成，使其成为坚固耐用、可部署的武器。美国国家核安全局（NNSA）的三个实验室总共雇佣了数万名科学家和工程师。这三个实验室都允许《经济学人》罕见地接触其研究人员和部分设施。

利弗莫尔核电站开业之初，其主要目标之一是加速氢弹（或热核弹）的研发。与曼哈顿计划中研发的裂变炸弹不同，后者通过分裂重元素（铀和钚）的原子释放能量，而热核炸弹的设计是通过聚变氘和氚原子（现存最轻的原子之一）来释放能量。（这些炸弹之所以被称为热核炸弹，是因为它们有两个阶段：首先，由钚制成的裂变炸弹会产生强烈的热能；然后点燃第二阶段，进行聚变。）

国家点火装置的前置放大器模块在激光到达靶室时增加激光能量 图片：Damien Jemison/LLNL

热核技术为威力更大、体积更小的武器打开了大门。20世纪50年代，美国海军决定打造海基核威慑力量，利弗莫尔受命将核弹小型化，以便将其装载在潜艇内部的导弹上。他们用了不到四年时间就研制出了“北极星”导弹系统，该系统比以往任何导弹系统都要小一个数量级，布迪尔博士自豪地将其称为“核武器史上最重要的技术变革”。

小型紧凑的热核装置在冷战期间不断扩张，成为美苏两国核武库的主力。幸运的是，这些武器从未被投入实战，而且在制造数十年后，仍有数千枚仍在库存中。

如今，洛斯阿拉莫斯、利弗莫尔和桑迪亚国家实验室的科学家们面临的最大任务之一，就是密切关注这些弹头。“搁置一枚核武器就像一个年复一年进行的化学实验，”布迪尔博士说。“情况在变化。放射性物质会随着时间衰变。聚合物材料也会降解。”

每年都会有一些装置被拆开并进行彻底检查。此外，还会进行更极端的测试。材料微观样本被放置在NIF的靶室内，在那里，它们可以在经历相当于核爆炸的冲击时通过X射线成像。在桑迪亚国家实验室，Z机器是另一种模拟核爆炸核心的方法，但使用的是强电磁场而不是激光。相比之下，在洛斯阿拉莫斯，武器的非核部分则受到用于引爆核弹的常规炸药的冲击波的轰击。

Z机器使用电磁场来模拟核爆炸。 图片：Randy Montoya/桑迪亚国家实验室

所有这些实验工作都是为了更好地了解炸弹材料的特性。此外，除了1992年之前进行的约一千次全面核武器试验外，这些数据还用于构建更精确的核爆炸计算机模拟。这些模拟结果如今非常准确，以至于洛斯阿拉莫斯国家实验室主任汤姆·梅森认为，如今的科学家对核武器工作原理的理解比爆炸试验时代更加深刻。“现代科学工具确实远远超过了我们在20世纪90年代所拥有的一切，”他说。

数字计算

距离NIF步行几分钟的利弗莫尔计算中心就展示了它究竟有多强大。今年 1 月，科学家和政府官员齐聚一堂，共同揭幕NNSA最新的（也是目前全球最强大的）超级计算机 El Capitan。这台机器每秒可进行千万亿次（10 18）浮点运算（计算的一种度量）。这比普通笔记本电脑快约 1 亿倍，是有史以来第三台百亿亿次级计算机（“exa”是 1 后面跟着 18 个零的度量前缀）。它大约有 90 个冰箱大小的处理器机架，密集地分布在几个网球场大小的空间内。

这台超级计算机是先进模拟与计算（ ASC）项目的一部分。该项目于1995年与NIF项目同时启动，作为美国暂停核武器试验的回应。该项目的首批目标之一是在千禧之际组装运行武器系统三维模拟所需的硬件和软件。

科学家们利用当时已逐渐成熟的并行计算架构克服了巨大的挑战。这意味着将模拟拆分成多个小块，以便在高端计算机的中央处理器 ( CPU ) 和图形处理器 ( GPU ) 上同时运行。之前，运行一次模拟仍然需要数月时间。“现在，我们估计在 El Capitan 上，一天可以运行 200 次以上的模拟，”利弗莫尔武器模拟和计算副主任罗布·尼利 (Rob Neely) 说道。而且，所有这些模拟的分辨率都要高得多。

国家点火装置的靶室，聚变点火在此发生。 图片：Jason Laurea/LLNL

仔细观察处理器，就会发现一些其他的东西。El Capitan 没有使用CPU和GPU，而是使用了芯片设计公司 Advanced Micro Devices 为利弗莫尔开发的专用芯片，称为加速处理单元 ( APU )。通常，GPU和CPU都有自己的存储和内存，它们之间的通信（称为总线）会成为系统速度的瓶颈。而每个APU都是一块硅片，其中的各个部分（“小芯片”）可以单独作为CPU或GPU运行，从而允许它们共享内存和存储。“据我们所知，这是目前世界上唯一以这种方式实现的架构，”Neely 博士说。

这些APU的密度和架构使 El Capitan 比那些理论上拥有更强大原始计算能力的机器更具优势。在洛斯阿拉莫斯，这些模拟器还被用于一项新任务——从零开始设计一种新武器。这种名为W93 的机器最终将用于美国海军新型哥伦比亚级潜艇部署的弹道导弹。这是自 1980 年代以来美国核武库中的第一种新武器，由于禁止进行爆炸试验，洛斯阿拉莫斯需要从设计过程一开始就进行模拟。Neely 博士说，El Capitan 将允许科学家优化设计。

W93项目象征着洛斯阿拉莫斯焕发的活力。“我们的预算在过去五六年里大约翻了一番，”梅森博士说。这意味着将有数千名科学家加入，设施将现代化，并恢复制造钚核的能力——钚核是现代热核弹的核心部件。而且，与当今美国许多其他科研领域不同，美国国家核安全局（NNSA）的预算预计不会受到联邦资金的削减。

所有这些都是对梅森博士所说的核武器“第四个时代”的回应。第一个时代是曼哈顿计划期间核弹的发明；第二个时代是冷战时期竞相扩充核武库；第三个时代是苏联解体后，人们认为核威慑在世界事务中的作用将逐渐减弱。第四个核时代是一个令人担忧的时期，其特点是军备控制的崩溃、俄罗斯威胁使用核武器、以及印度和巴基斯坦等其他核大国之间的紧张关系。此外，新兴和潜在核大国也存在不确定性，美国的盟友也有可能在对其保护伞失去信心后自行研发核武器。“显然，威慑再次变得非常重要，”梅森博士说。

尽管洛斯阿拉莫斯和利弗莫尔实验室的主要用途毋庸置疑，但科学家们热衷于指出，这些设施的用途远不止国家安全。例如，国家核聚变实验室（NIF）就是在利用核聚变技术发电方面处于领先地位的实验室。

上图：位于劳伦斯利弗莫尔国家实验室的El Capitan是世界上性能最强大的计算机。下图：位于桑迪亚国家实验室的B61-12核重力炸弹。 图片：Garry mcLeod/LLNL；Craig Fritz/桑迪亚国家实验室

2022年12月，NIF实现了其名称中的“I”，成为世界上第一个实现点火的核聚变电站——其释放的能量超过了启动核聚变所需的能量。此后，那里的科学家们又成功实现了八次点火，每次都逐渐提高了产生的能量。

利弗莫尔大学武器物理项目主任、前国家核能研究所所长马克·赫尔曼深知，要将这些突破转化为可行的能源，还需要付出更多努力。首先，激光器本身必须更加节能，聚变反应需要每秒发生数十次（而不是每周十几次）。赫尔曼博士表示，尽管还需要更多的工程工作，“但这些目标的实现不存在任何科学障碍。”

威慑，不受阻拦

然而，这些实验室的存在是为了制造武器。其可怕的威力始终萦绕在参与其中的科学家的心中和动机之中。当被问及他和同事在研制核弹过程中的感受时，梅森博士指出，正是由于人们对自身力量的恐惧，地缘政治秩序得以维持（尽管偶尔令人不安）。“如果我们设计的武器从未被使用过，”他说，“我们就成功了。”