為了維護核彈並製造新核彈，科學家們正在不斷探索物理學的前沿

國家點火裝置的前置放大器模塊在激光到達靶室時增加激光能量 圖片：Damien Jemison/LLNL

2025年7月23日 | 阿爾伯克基、利弗莫爾、洛斯阿拉莫斯和聖達菲

在加州國家點火裝置（NIF ）進行的每一次實驗——一次“點火”——僅持續幾十億分之一秒。然而，在這短暫的一瞬間，卻發生了許多事情：192束激光，總能量約500萬億瓦，匯聚在機器的靶室中，並將能量傾瀉到一個僅幾厘米長的金制圓柱體上。圓柱體內部是一個胡椒粒大小的鑽石球，裡面充滿了氘和氚的混合物，它們是氫的重同位素。

當球體吸收激光能量時，其外層迅速燒蝕。這會產生一股以每秒300公里速度行進的衝擊波，使球體內部發生內爆。當氘和氚原子在數十億倍大氣壓的壓力下相互擠壓，溫度超過100兆攝氏度時，它們開始聚變生成氦，釋放出巨大的能量。

這是在不引爆原子彈的情況下重現核武器爆炸所需的工具。NIF誕生於 20 世紀 90 年代，當時美國決定停止地下核試驗。在沒有這些試驗的情況下，負責國家核威懾力量的人員仍然需要確保其核彈頭在儲存期間的安全，最重要的是，確保它們在需要時能夠按預期發揮作用。

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美國核機構為應對這一挑戰而開發的設施最終包括全球最強大的激光器NIF，以及速度最快、性能最強的超級計算機El Capitan。這兩台設備已成為美國核武器實驗室新使命的核心，因為它們正在升級現有核彈，並且幾十年來首次開始設計全新的核彈。

維護核武器需要一支科學家和工程師隊伍。NIF隸屬於舊金山附近的勞倫斯利弗莫爾國家實驗室，該實驗室成立於1952年，與位於新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯國家實驗室競爭。不到十年前，第一顆核彈正是在洛斯阿拉莫斯國家實驗室製造出來的。“我們在一個高度機密的環境中開發這項先進技術，”利弗莫爾國家實驗室的負責人金·布迪爾說道。“在這場技術競賽中，引入科學嚴謹性、同行評審和競爭至關重要。” 這兩個實驗室有意追求不同的武器設計，儘管有時會合作，但彼此都稱之為“競爭對手”。

桑迪亞實驗室正在進行測試。 圖片：桑迪亞實驗室

利弗莫爾和洛斯阿拉莫斯設計了美國核彈頭中的“物理組件”，也就是核彈的核部件。第三個機構——桑迪亞國家實驗室，則負責添加非核部件（例如扳機、電池、傳感器和抗輻射電子設備），並將這兩個物理實驗室製造的設備與運載系統（例如導彈）集成，使其成為堅固耐用、可部署的武器。美國國家核安全局（NNSA）的三個實驗室總共僱傭了數萬名科學家和工程師。這三個實驗室都允許《經濟學人》罕見地接觸其研究人員和部分設施。

利弗莫爾核電站開業之初，其主要目標之一是加速氫彈（或熱核彈）的研發。與曼哈頓計劃中研發的裂變炸彈不同，後者通過分裂重元素（鈾和鈈）的原子釋放能量，而熱核炸彈的設計是通過聚變氘和氚原子（現存最輕的原子之一）來釋放能量。（這些炸彈之所以被稱為熱核炸彈，是因為它們有兩個階段：首先，由鈈製成的裂變炸彈會產生強烈的熱能；然後點燃第二階段，進行聚變。）

熱核技術為威力更大、體積更小的武器打開了大門。20世紀50年代，美國海軍決定打造海基核威懾力量，利弗莫爾受命將核彈小型化，以便將其裝載在潛艇內部的導彈上。他們用了不到四年時間就研製出了“北極星”導彈系統，該系統比以往任何導彈系統都要小一個數量級，布迪爾博士自豪地將其稱為“核武器史上最重要的技術變革”。

小型緊湊的熱核裝置在冷戰期間不斷擴張，成為美蘇兩國核武庫的主力。幸運的是，這些武器從未被投入實戰，而且在製造數十年後，仍有數千枚仍在庫存中。

如今，洛斯阿拉莫斯、利弗莫爾和桑迪亞國家實驗室的科學家們面臨的最大任務之一，就是密切關注這些彈頭。“擱置一枚核武器就像一個年復一年進行的化學實驗，”布迪爾博士說。“情況在變化。放射性物質會隨着時間衰變。聚合物材料也會降解。”

每年都會有一些裝置被拆開並進行徹底檢查。此外，還會進行更極端的測試。材料微觀樣本被放置在NIF的靶室內，在那裡，它們可以在經歷相當於核爆炸的衝擊時通過X射線成像。在桑迪亞國家實驗室，Z機器是另一種模擬核爆炸核心的方法，但使用的是強電磁場而不是激光。相比之下，在洛斯阿拉莫斯，武器的非核部分則受到用於引爆核彈的常規炸藥的衝擊波的轟擊。

Z機器使用電磁場來模擬核爆炸。 圖片：Randy Montoya/桑迪亞國家實驗室

所有這些實驗工作都是為了更好地了解炸彈材料的特性。此外，除了1992年之前進行的約一千次全面核武器試驗外，這些數據還用於構建更精確的核爆炸計算機模擬。這些模擬結果如今非常準確，以至於洛斯阿拉莫斯國家實驗室主任湯姆·梅森認為，如今的科學家對核武器工作原理的理解比爆炸試驗時代更加深刻。“現代科學工具確實遠遠超過了我們在20世紀90年代所擁有的一切，”他說。

數字計算

距離NIF步行幾分鐘的利弗莫爾計算中心就展示了它究竟有多強大。今年 1 月，科學家和政府官員齊聚一堂，共同揭幕NNSA最新的（也是目前全球最強大的）超級計算機 El Capitan。這台機器每秒可進行千萬億次（10 18）浮點運算（計算的一種度量）。這比普通筆記本電腦快約 1 億倍，是有史以來第三台百億億次級計算機（“exa”是 1 後面跟着 18 個零的度量前綴）。它大約有 90 個冰箱大小的處理器機架，密集地分布在幾個網球場大小的空間內。

這台超級計算機是先進模擬與計算（ ASC）項目的一部分。該項目於1995年與NIF項目同時啟動，作為美國暫停核武器試驗的回應。該項目的首批目標之一是在千禧之際組裝運行武器系統三維模擬所需的硬件和軟件。

科學家們利用當時已逐漸成熟的並行計算架構克服了巨大的挑戰。這意味着將模擬拆分成多個小塊，以便在高端計算機的中央處理器 ( CPU ) 和圖形處理器 ( GPU ) 上同時運行。之前，運行一次模擬仍然需要數月時間。“現在，我們估計在 El Capitan 上，一天可以運行 200 次以上的模擬，”利弗莫爾武器模擬和計算副主任羅布·尼利 (Rob Neely) 說道。而且，所有這些模擬的分辨率都要高得多。

國家點火裝置的靶室，聚變點火在此發生。 圖片：Jason Laurea/LLNL

仔細觀察處理器，就會發現一些其他的東西。El Capitan 沒有使用CPU和GPU，而是使用了芯片設計公司 Advanced Micro Devices 為利弗莫爾開發的專用芯片，稱為加速處理單元 ( APU )。通常，GPU和CPU都有自己的存儲和內存，它們之間的通信（稱為總線）會成為系統速度的瓶頸。而每個APU都是一塊硅片，其中的各個部分（“小芯片”）可以單獨作為CPU或GPU運行，從而允許它們共享內存和存儲。“據我們所知，這是目前世界上唯一以這種方式實現的架構，”Neely 博士說。

這些APU的密度和架構使 El Capitan 比那些理論上擁有更強大原始計算能力的機器更具優勢。在洛斯阿拉莫斯，這些模擬器還被用於一項新任務——從零開始設計一種新武器。這種名為W93 的機器最終將用於美國海軍新型哥倫比亞級潛艇部署的彈道導彈。這是自 1980 年代以來美國核武庫中的第一種新武器，由于禁止進行爆炸試驗，洛斯阿拉莫斯需要從設計過程一開始就進行模擬。Neely 博士說，El Capitan 將允許科學家優化設計。

W93項目象徵着洛斯阿拉莫斯煥發的活力。“我們的預算在過去五六年裡大約翻了一番，”梅森博士說。這意味着將有數千名科學家加入，設施將現代化，並恢復製造鈈核的能力——鈈核是現代熱核彈的核心部件。而且，與當今美國許多其他科研領域不同，美國國家核安全局（NNSA）的預算預計不會受到聯邦資金的削減。

所有這些都是對梅森博士所說的核武器“第四個時代”的回應。第一個時代是曼哈頓計劃期間核彈的發明；第二個時代是冷戰時期競相擴充核武庫；第三個時代是蘇聯解體後，人們認為核威懾在世界事務中的作用將逐漸減弱。第四個核時代是一個令人擔憂的時期，其特點是軍備控制的崩潰、俄羅斯威脅使用核武器、以及印度和巴基斯坦等其他核大國之間的緊張關係。此外，新興和潛在核大國也存在不確定性，美國的盟友也有可能在對其保護傘失去信心後自行研發核武器。“顯然，威懾再次變得非常重要，”梅森博士說。

儘管洛斯阿拉莫斯和利弗莫爾實驗室的主要用途毋庸置疑，但科學家們熱衷於指出，這些設施的用途遠不止國家安全。例如，國家核聚變實驗室（NIF）就是在利用核聚變技術發電方面處於領先地位的實驗室。

上圖：位於勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的El Capitan是世界上性能最強大的計算機。下圖：位於桑迪亞國家實驗室的B61-12核重力炸彈。 圖片：Garry mcLeod/LLNL；Craig Fritz/桑迪亞國家實驗室

2022年12月，NIF實現了其名稱中的“I”，成為世界上第一個實現點火的核聚變電站——其釋放的能量超過了啟動核聚變所需的能量。此後，那裡的科學家們又成功實現了八次點火，每次都逐漸提高了產生的能量。

利弗莫爾大學武器物理項目主任、前國家核能研究所所長馬克·赫爾曼深知，要將這些突破轉化為可行的能源，還需要付出更多努力。首先，激光器本身必須更加節能，聚變反應需要每秒發生數十次（而不是每周十幾次）。赫爾曼博士表示，儘管還需要更多的工程工作，“但這些目標的實現不存在任何科學障礙。”

威懾，不受阻攔

然而，這些實驗室的存在是為了製造武器。其可怕的威力始終縈繞在參與其中的科學家的心中和動機之中。當被問及他和同事在研製核彈過程中的感受時，梅森博士指出，正是由於人們對自身力量的恐懼，地緣政治秩序得以維持（儘管偶爾令人不安）。“如果我們設計的武器從未被使用過，”他說，“我們就成功了。”