美國工廠幕後：建造新型核彈

本文是“新核時代”專題報道的一部分，該專題報道是關於一項耗資1.5萬億美元改造美國核武庫的計劃。

在每一件美國核武器內部，都存在著一個保齡球大小的球體，它由地球上最奇異的元素構成。這個球體被稱為鈽坑，是炸彈的核心。它被常規炸藥包圍。當這些炸藥爆炸時，鈽被壓縮，其原子開始分裂，釋放出輻射並加熱周圍的物質。這種反應點燃了一系列事件，使得核武器成為核武器。

在早期的核彈中，例如美國在二戰期間投擲到日本的那些，鈽或鈾的裂變以及釋放出的致命能量是故事的結局。在現代武器中，鈽裂變點燃了第二階段，也是更強大的階段，在這個階段中，氫原子發生核聚變，釋放出更多的能量。自20世紀80年代末以來，美國就再也沒有大規模生產過這些鈽坑。

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但這種情況正在發生改變。該國正在對其核武庫進行現代化改造，升級舊武器並建造新武器。這項努力包括更新導彈、一種新的武器設計、對現有設計的修改以及新的鈽坑。為了完成最後一項，美國國家核安全管理局已經頒佈了一項有爭議的計劃，即每年在南卡羅來納州的薩凡納河工廠生產50個新的鈽坑，並在新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯國家實驗室（炸彈的誕生地）生產30個鈽坑。首批鈽坑將為一種名為W87-1的武器設計，該武器將裝備新型洲際彈道導彈“哨兵”。之後，該綜合設施將為其他炸彈設計生產鈽坑。

並非所有人都認為這項工作是必要的。鈽坑的生產引發爭議，因為它成本高昂且可能存在風險，而且現有的鈽坑可能仍然可以使用一段時間。鈽的物理特性非常複雜，沒有人知道最初的鈽坑何時會失效。鈽坑的製造方式及其工作原理是美國最嚴密保守的秘密之一。然而，在2023年6月，洛斯阿拉莫斯官員邀請了一批記者參觀該設施，這是多年來的首次。

我們之所以在那裡，是因為該實驗室和更廣泛的國家核安全管理局綜合設施正在發起一場魅力攻勢，以支援新的鈽工作。他們必須贏得納稅公眾的支援，併為這項工作招募約2500名新員工。其中一些工人必須從事高危工作，這需要自冷戰末期以來該國基本上已經喪失的專業知識。那時，許多人認為世界正走向裁軍，而核武器復興所需的技能似乎不太可能被需要。但事實並非如此。相反，中國正在迅速擴大其核武庫，而與烏克蘭交戰的俄羅斯則在吹噓新的導彈試驗和自身的核現代化。美國也在做同樣的事情。世界秩序感到脆弱；重新關注核武器有可能引發21世紀的軍備競賽，並增加對核武器可能或可能無法維持的脆弱和平的依賴。

在洛斯阿拉莫斯進行的大部分鈽工作都發生在被稱為PF-4的建築物中，該建築物位於城鎮南部，在實驗室綜合設施的Tech Area 55區域內。它是實驗室中戒備最森嚴的區域之一。在我們的參觀之前，我們被告知要檢查我們的手、前臂和腳踝是否有劃痕或擦傷，放射性汙染物可能會滲入其中。我們被指示在這些擦傷處放置技術保護措施：創可貼。進入建築物後，一塊標牌重複了這一資訊，指示進入者“封閉你的傷口”。

在設施中迎接我們的是令人震驚的樂觀友好和致命嚴肅的混合。建築物外一塊令人愉快的木製標牌歡迎訪客，當我們走進去時，保安人員互相擊拳致意。但是，同樣的保安人員佩戴著長槍，當我們穿過類似TSA的入口進入建築物深處時，他們的眼睛緊緊地轉動著。一支保安部隊將跟隨我們整個下午——我們已被要求交出手機、相機和錄音機，以及所有金屬、尼龍和聚酯物品。

一旦我們透過初步篩選，我們就進入一個氣閘室，膠囊狀房間的兩側是黃色的門。一次只能開啟一扇門，以防止潛在的放射性汙染物滯留在PF-4內部。在我們透過且未觸發警報後，我們穿上防汙染實驗服——紅色代表沒有安全許可的訪客，黃色代表屬於這裡的人。我們將一次性鞋套套在鞋子上（保安人員獲得迷彩鞋套）。安全護目鏡滑過我們的臉，輻射徽章夾在我們的胸前，測量鞭打穿過它們的不可見的能量和粒子。為了掩蓋鈽坑生產的機密細節，所有鈽工作當天都已暫停。

元素94，也就是鈽，非常稀有。垂死的恆星在其最後的熾熱噴發中產生少量鈽，但這種星塵在地球形成之前幾乎已經衰變殆盡。地球自己也製造了一些：在現在的非洲加彭，藻類在億萬年間濃縮了天然鈾，形成了一個天然裂變反應堆，產生了四噸鈽。那些鈽也已經衰變殆盡。科學家們從現代遺留下來的鈾同位素的比例中推斷出了天然核反應的存在。

用於武器的鈽的存在僅僅是因為人們製造了它。1940年，科學家們在加州大學伯克利分校使用粒子加速器，用氘核（一個質子和一箇中子結合在一起）轟擊鈾的一種同位素（每個原子有92個質子）。這產生了錼（每個原子有93個質子），錼方便地衰變成鈽，每個原子有94個質子。因此，製造核武器的最有效的成分之一誕生了。製造足夠用於武器的鈽比生產足夠濃縮鈾更容易也更便宜，濃縮鈾是唯一另一種用於維持核武器裂變鏈式反應的元素。而裂變正是實現炸彈次級部分中點燃聚變所需的壓力和溫度的關鍵。

幾十年來，鈽的產生過程在反應堆中不斷重複。事實上，科學家們製造瞭如此多的鈽，以至於薩凡納河和洛斯阿拉莫斯的新鈽坑不需要新的鈽——目前的供應可以被再利用、重塑、重生。

然而，所有這些行動都不會簡單，因為鈽本身就不簡單。洛斯阿拉莫斯材料科學與技術部門的科學家約瑟夫·馬茨一生都在研究這種複雜性的具體細節。馬茨還在大學時就開始研究鈽，在保護性手套箱內操作鈽，這些手套箱保護工人免受輻射。他從未忘記第一次接觸元素94。即使隔著厚厚的手套和玻璃，他仍然可以感覺到：他手中一公斤重的材料是溫暖的。“我記得當時確實有點害怕，”他說。“我幾乎產生了恐懼反應。”

從那時起，他的恐懼讓位於對這種物質的迷戀。有許多值得迷戀的地方。在某些條件下，它具有延展性和順從性，而在另一些條件下，它又非常脆弱。當它呈液態時，在約650攝氏度時熔化，它是所有元素中最粘稠的，滴落緩慢。如果你以固態形式加熱它，有時它會膨脹，有時它會收縮。它與空氣發生反應，迅速將其外觀從銀白色金屬轉變為彩虹般的汙漬光譜。當它凝固時，它會像水一樣膨脹，其長度和密度也會在沒有太多誘因的情況下發生變化。當然，它最著名的特性是其放射性衰變的傾向，透過衰變，它將自身轉化為虛無。

這種傾向也是使其如此危險的原因。吸入的鈽會在體內衰變，釋放出可能造成嚴重破壞的α粒子（氦核）。同位素鈽238用作熱源和電源，但不用作武器，它表現出其他奇怪的行為。“如果你把它灑在實驗室裡，它會自己移動，”馬茨說。鈽原子衰變產生的衝力會使其在表面上射出。“它可以無處不在，”他補充道。

鈽的奇異性來自於其電子排列。該元素佔據了元素週期表中“5f亞層”開始填充的部分。這與鈽的行為有關，因為“f”電子位於狹窄的能帶中，這些能帶相互重疊，使得電子可以輕鬆地在能帶之間滑動。當它們這樣做時，馬茨說，“那些‘f’電子的性質會發生巨大變化。” 例如，改變溫度，一些電子會與附近的原子“以非常複雜的形狀”結合，馬茨說。組合學意味著鈽以六種不同的固相存在，每種固相都有其自身的晶體結構和奇怪的行為。

科學家們花費了數十年的時間才發現所有這一切。“我們今天所知的鈽的複雜性，曼哈頓計劃的科學家們並不知道，”馬茨說。多年來，那些秘密科學家實際上沒有任何鈽可以研究——它必須經過艱苦的生產才能獲得。“幾乎一切都是理論性的，”洛斯阿拉莫斯高階歷史學家艾倫·卡爾說。“在沒有實際材料的情況下，他們只能使用粉筆、黑板和筆記本。” 第一克元素94於1944年4月運抵洛斯阿拉莫斯的臺地。這種物質已經讓研究人員感到困惑。當他們對密度等特性進行基本測量時，他們看到了巨大的變化。最終，他們能夠製造出他們的第一個鈽金屬半球——今天鈽坑的原型，大小像高爾夫球。然而，當他們第二天來到實驗室準備進行實驗時，他們發現半球已經破裂，因為它們的性質和尺寸發生了變化。“這太令人抓狂了，”馬茨說。

1944年晚些時候，曼哈頓計劃的一位科學家提出了一個突破性的想法，即透過將鈽與另一種元素結合製成合金，可能會使其穩定在一個可加工的相中。問題是，他們不知道哪種元素可能有效。根據馬茨發現的一份歷史文獻，科學家們有一種非常科學的方法來決定嘗試哪些物質：“我們在櫥櫃裡找到什麼就用什麼，”他們寫道。最終，他們發現鎵起了作用。它至今仍用於鈽坑中。

在這些早期科學發現的興奮之中，這項工作的重點有時會被遺忘：這一切都是為了創造一種致命的超級武器。1945年，美國向廣島投擲了一顆鈾裂變彈，然後向長崎投放了一顆鈽彈——本質上是一個裝在炸藥中的鈽坑——以摧毀長崎。炸彈立即造成數萬人死亡，事後又有更多人死亡。正如曼哈頓計劃物理學家I. I. 拉比所擔心的那樣，根據2005年出版的《美國普羅米修斯》一書中的引述，“三個世紀物理學的頂峰”是一種大規模殺傷性武器。

戰後不久，鈽坑的生產轉移到了科羅拉多州博爾德市郊外的一個設施。該設施名為落基 flats，每年可以生產數千個鈽坑——這種生產力水平或許得益於其違反環境法規的行為，這在1989年導致聯邦政府的突擊搜查，然後永久關閉。“當時沒有考慮到公眾，”洛斯阿拉莫斯武器部門副主任鮑勃·韋伯斯特說。不久之後，由於一項試驗暫停令和條約，該國的核武器綜合設施經歷了另一次階段性轉變。科學家和工程師一直以來都以最簡單的方式測試武器：將其炸燬。如果它們像預期的那樣爆炸，官員們就會凍結設計，並製造更多該武器的克隆品。研究人員從未真正理解為什麼一切都有效，或者是什麼可能導致它失效——或者這兩種情況如何隨著時間推移而改變。

但在1992年，喬治·H·W·布什總統宣佈暫停核試驗。當時擔任洛斯阿拉莫斯主任，現任斯坦福大學教授的西格·海克爾在華盛頓特區聽到這一宣佈。“我回到洛斯阿拉莫斯，告訴我們的人，‘聽著，世界剛剛改變了，’”他說。他們將不得不透過理解其物理特性來維護庫存，而無需進行測試。對於鈽坑來說，這項任務已被證明尤其複雜，因為所有鈽坑現在都已使用了幾十年。由於鈽是80年前才首次合成的，因此沒有人能夠觀察到它在超過這個時間點後的生命週期內的行為。

老化如何影響鈽坑是一個有爭議的話題，但有些事情是肯定的：隨著鈽坑中鈽原子的衰變，其產物會破壞剩餘鈽的晶體結構，產生空隙和缺陷。這些衰變還會用氦、鋂、鈾和錼等物質汙染鈽坑。在50年內，一公斤鈽將積累大約0.2升氦氣。隨著鈽坑的變化，它們在任何條件下的效能和安全性——包括僅僅放在架子上——都變得令人懷疑。聯合國裁軍研究所高階研究員、普林斯頓大學科學與全球安全專案研究員帕維爾·波德維格質疑現代化的動機，但他承認，“如果你維護武庫，在某個時候，擁有新的鈽坑會更安全。”

科學家們仍然不知道鈽坑的壽命。JASON——一個為政府提供建議的秘密科學家小組——在2007年首次預測，鈽坑將持續使用數十年，這意味著沒有必要進行生產計劃。但它在2019年改變了立場，宣告“我們敦促儘快重建鈽坑製造能力，同時進行重點計劃以瞭解[鈽]老化”。美國國家核安全管理局自己的研究表明，鈽坑將至少持續150年，但也表明它們的退化可能會導致意外的缺陷。科學家們可能永遠不會確切知道這些缺陷會產生什麼影響，或者它們會如何影響爆炸，因為核武器的表面目的是永遠不使用它們。

到目前為止，重啟美國鈽坑生產已被證明具有挑戰性。洛斯阿拉莫斯的努力至少落後計劃一年，而薩凡納河的努力則落後約五年。

國防核設施安全委員會和其他批評者聲稱，PF-4對於地質學家現在知道可能發生在洛斯阿拉莫斯的地震的抵抗力不足。該委員會在去年的一次聽證會上聲稱，如此劇烈的震動及其可能引起的火災可能會導致鈽汙染擴散到公眾。在PF-4內部，我們的參觀團遇到了一張海報，上面列出了實驗室的設施地震分析和風險評估（也稱為SAFER），該計劃已導致對建築物本身和內部裝置的升級。2022年，安全委員會認為這種現代化改造仍然不夠好。

實驗室的一些人不同意這種觀點，包括鈽坑生產負責人馬特·約翰遜，他正在帶領我們參觀PF-4。“如果發生地震，我希望待在這裡，”他望著海報說。然而，最近又出現了一些其他的安全問題。今年5月，美國國家核安全管理局釋出了一項關於2021年四起事件的調查報告：一起臨界安全違規事件，一起導致三名工人皮膚汙染的洩露事件，以及兩起將水流向易裂變材料的洪水事件。該機構認定，管理洛斯阿拉莫斯的承包商違反了安全、程式、管理和質量保證規則。

同樣穿著黃色實驗服參加參觀的韋伯斯特說，實驗室及其工作人員認真對待安全問題，但也承認問題是不可避免的。“我們總是會在最低級別上遇到問題，”他說。他說，如果一切都開始完美執行，他們將降低被視為安全違規的門檻，以便人們仍然可以練習報告。但是，他指出，截止點已經很低了：“如果房間的放射性像Fiestaware餐具一樣高，就會被關閉。”

那些專門用於鈽坑生產企業各個部分的房間，都有一個共同點：它們都裝滿了手套箱，這是工人在其中操作鈽的輻射防護裝置。長手套密封在玻璃上的開口處，以便戴著手套的手可以安全地觸控樣品。手套本身上面寫著日期，以便工人知道何時更換它們。每個人都戴著兩雙手套。玻璃窗戶周圍環繞著一個看起來像是用鈽製成的金屬箱：暗銀色，帶有光滑的圓形角，這樣更容易清潔，顆粒也更難附著。韋伯斯特說：“你可以在上面吃飯。” “不是在這裡，”他補充道。

在參觀過程中，我們被禁止放下筆記本，以免潛在的汙染物粘在上面。如果我們掉落了筆記本，一名放射性控制技術員——他一直跟著我們，並且在我們離開房間時會掃描我們的手和腳以檢查放射性——會在歸還筆記本之前測量每一頁。

在某些地方，手套箱的窗戶被鋁箔覆蓋，以阻止我們看到機密材料。在這些箱子的上方，每個房間裡都有一種小車系統，工人用它將鈽從一個房間運到另一個房間。在一些房間裡，放射性廢物被包裝好，等待運往儲存設施，站在附近可能受到的劑量寫在地上。我們永遠不會忘記這是一個危險的地方。

製造鈽坑的工人們每天都面臨著這些風險。為了完成他們的工作，他們首先必須從舊材料中回收和提純鈽。然後他們“鑄造”，或將鈽塑造成塊狀。一旦鑄造完成，這些塊狀物必須組裝成一個整體。站在發生這種情況的地方附近的是第一位組裝鈽坑的女性，出於安全原因，我們無法公開她的姓名。她在2013年組裝了她的第一個鈽坑（2007年至2013年間，實驗室生產了31個鈽坑）。如今，組裝一個鈽坑需要她30分鐘到一個小時。“一切都靠觸控，靠感覺，”她說。她喜歡這項工作，其中一部分工作在一個兩層樓高的手套箱中進行。“在手套箱裡很平靜，”她說。

一旦她或其他工人完成了一個鈽坑，它就會經過微米級測量和成分審查，以確認其符合規格。如果它獲得批准印章（帶有字面意義的印章，形狀像鑽石），它將被運往德克薩斯州的潘泰克斯工廠，安裝到核彈頭中。在未來的幾年裡，如果一切按計劃進行，這個過程每年至少會在這裡發生30次。

所有這些努力和投資都是為了希望鈽坑永遠不會發揮其積極作用。美國與所有核國家一樣，儲存武器是為了進行一場微妙的威懾遊戲，其理念是，我們擁有同等或更強大的武器的存在將阻止其他國家使用他們的武器。在這種戰略中，鈽坑的真正目的是閒置在那裡作為一種威脅。但是，為了使該戰略奏效，該國必須願意兌現這一威脅。

當我們離開PF-4時，永久安裝的儀器再次掃描我們的手和腳，檢查放射性。之後，在一個氣閘室中，一臺全身掃描器嗅探我們身體上的α、β和γ射線輻射。即使汙染不太可能發生，當警報解除時，我們還是如釋重負地嘆了口氣。

我們回到我們的生活，在那裡我們可以很容易地忘記鈽坑。冷戰結束後，許多美國人已經習慣了這些武器。“在某種程度上，它變得如此正常以至於可以被遺忘，”愛達荷州立大學核歷史學家莎拉·羅貝說。人們在面對鈽時感受到的恐懼隨著時間的推移而減弱。但是原子時代正在復興，我們將不得不重新面對這些強大武器帶來的蟄伏的恐懼。