美国工厂幕后：建造新型核弹

本文是“新核时代”专题报道的一部分，该专题报道是关于一项耗资1.5万亿美元改造美国核武库的计划。

在每一件美国核武器内部，都存在着一个保龄球大小的球体，它由地球上最奇异的元素构成。这个球体被称为钚坑，是炸弹的核心。它被常规炸药包围。当这些炸药爆炸时，钚被压缩，其原子开始分裂，释放出辐射并加热周围的物质。这种反应点燃了一系列事件，使得核武器成为核武器。

在早期的核弹中，例如美国在二战期间投掷到日本的那些，钚或铀的裂变以及释放出的致命能量是故事的结局。在现代武器中，钚裂变点燃了第二阶段，也是更强大的阶段，在这个阶段中，氢原子发生核聚变，释放出更多的能量。自20世纪80年代末以来，美国就再也没有大规模生产过这些钚坑。

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但这种情况正在发生改变。该国正在对其核武库进行现代化改造，升级旧武器并建造新武器。这项努力包括更新导弹、一种新的武器设计、对现有设计的修改以及新的钚坑。为了完成最后一项，美国国家核安全管理局已经颁布了一项有争议的计划，即每年在南卡罗来纳州的萨凡纳河工厂生产50个新的钚坑，并在新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯国家实验室（炸弹的诞生地）生产30个钚坑。首批钚坑将为一种名为W87-1的武器设计，该武器将装备新型洲际弹道导弹“哨兵”。之后，该综合设施将为其他炸弹设计生产钚坑。

并非所有人都认为这项工作是必要的。钚坑的生产引发争议，因为它成本高昂且可能存在风险，而且现有的钚坑可能仍然可以使用一段时间。钚的物理特性非常复杂，没有人知道最初的钚坑何时会失效。钚坑的制造方式及其工作原理是美国最严密保守的秘密之一。然而，在2023年6月，洛斯阿拉莫斯官员邀请了一批记者参观该设施，这是多年来的首次。

我们之所以在那里，是因为该实验室和更广泛的国家核安全管理局综合设施正在发起一场魅力攻势，以支持新的钚工作。他们必须赢得纳税公众的支持，并为这项工作招募约2500名新员工。其中一些工人必须从事高危工作，这需要自冷战末期以来该国基本上已经丧失的专业知识。那时，许多人认为世界正走向裁军，而核武器复兴所需的技能似乎不太可能被需要。但事实并非如此。相反，中国正在迅速扩大其核武库，而与乌克兰交战的俄罗斯则在吹嘘新的导弹试验和自身的核现代化。美国也在做同样的事情。世界秩序感到脆弱；重新关注核武器有可能引发21世纪的军备竞赛，并增加对核武器可能或可能无法维持的脆弱和平的依赖。

在洛斯阿拉莫斯进行的大部分钚工作都发生在被称为PF-4的建筑物中，该建筑物位于城镇南部，在实验室综合设施的Tech Area 55区域内。它是实验室中戒备最森严的区域之一。在我们的参观之前，我们被告知要检查我们的手、前臂和脚踝是否有划痕或擦伤，放射性污染物可能会渗入其中。我们被指示在这些擦伤处放置技术保护措施：创可贴。进入建筑物后，一块标牌重复了这一信息，指示进入者“封闭你的伤口”。

在设施中迎接我们的是令人震惊的乐观友好和致命严肃的混合。建筑物外一块令人愉快的木制标牌欢迎访客，当我们走进去时，保安人员互相击拳致意。但是，同样的保安人员佩戴着长枪，当我们穿过类似TSA的入口进入建筑物深处时，他们的眼睛紧紧地转动着。一支保安部队将跟随我们整个下午——我们已被要求交出手机、相机和录音机，以及所有金属、尼龙和聚酯物品。

一旦我们通过初步筛选，我们就进入一个气闸室，胶囊状房间的两侧是黄色的门。一次只能打开一扇门，以防止潜在的放射性污染物滞留在PF-4内部。在我们通过且未触发警报后，我们穿上防污染实验服——红色代表没有安全许可的访客，黄色代表属于这里的人。我们将一次性鞋套套在鞋子上（保安人员获得迷彩鞋套）。安全护目镜滑过我们的脸，辐射徽章夹在我们的胸前，测量鞭打穿过它们的不可见的能量和粒子。为了掩盖钚坑生产的机密细节，所有钚工作当天都已暂停。

元素94，也就是钚，非常稀有。垂死的恒星在其最后的炽热喷发中产生少量钚，但这种星尘在地球形成之前几乎已经衰变殆尽。地球自己也制造了一些：在现在的非洲加蓬，藻类在亿万年间浓缩了天然铀，形成了一个天然裂变反应堆，产生了四吨钚。那些钚也已经衰变殆尽。科学家们从现代遗留下来的铀同位素的比例中推断出了天然核反应的存在。

用于武器的钚的存在仅仅是因为人们制造了它。1940年，科学家们在加州大学伯克利分校使用粒子加速器，用氘核（一个质子和一个中子结合在一起）轰击铀的一种同位素（每个原子有92个质子）。这产生了镎（每个原子有93个质子），镎方便地衰变成钚，每个原子有94个质子。因此，制造核武器的最有效的成分之一诞生了。制造足够用于武器的钚比生产足够浓缩铀更容易也更便宜，浓缩铀是唯一另一种用于维持核武器裂变链式反应的元素。而裂变正是实现炸弹次级部分中点燃聚变所需的压力和温度的关键。

几十年来，钚的产生过程在反应堆中不断重复。事实上，科学家们制造了如此多的钚，以至于萨凡纳河和洛斯阿拉莫斯的新钚坑不需要新的钚——目前的供应可以被再利用、重塑、重生。

然而，所有这些行动都不会简单，因为钚本身就不简单。洛斯阿拉莫斯材料科学与技术部门的科学家约瑟夫·马茨一生都在研究这种复杂性的具体细节。马茨还在大学时就开始研究钚，在保护性手套箱内操作钚，这些手套箱保护工人免受辐射。他从未忘记第一次接触元素94。即使隔着厚厚的手套和玻璃，他仍然可以感觉到：他手中一公斤重的材料是温暖的。“我记得当时确实有点害怕，”他说。“我几乎产生了恐惧反应。”

从那时起，他的恐惧让位于对这种物质的迷恋。有许多值得迷恋的地方。在某些条件下，它具有延展性和顺从性，而在另一些条件下，它又非常脆弱。当它呈液态时，在约650摄氏度时熔化，它是所有元素中最粘稠的，滴落缓慢。如果你以固态形式加热它，有时它会膨胀，有时它会收缩。它与空气发生反应，迅速将其外观从银白色金属转变为彩虹般的污渍光谱。当它凝固时，它会像水一样膨胀，其长度和密度也会在没有太多诱因的情况下发生变化。当然，它最著名的特性是其放射性衰变的倾向，通过衰变，它将自身转化为虚无。

这种倾向也是使其如此危险的原因。吸入的钚会在体内衰变，释放出可能造成严重破坏的α粒子（氦核）。同位素钚238用作热源和电源，但不用作武器，它表现出其他奇怪的行为。“如果你把它洒在实验室里，它会自己移动，”马茨说。钚原子衰变产生的冲力会使其在表面上射出。“它可以无处不在，”他补充道。

钚的奇异性来自于其电子排列。该元素占据了元素周期表中“5f亚层”开始填充的部分。这与钚的行为有关，因为“f”电子位于狭窄的能带中，这些能带相互重叠，使得电子可以轻松地在能带之间滑动。当它们这样做时，马茨说，“那些‘f’电子的性质会发生巨大变化。” 例如，改变温度，一些电子会与附近的原子“以非常复杂的形状”结合，马茨说。组合学意味着钚以六种不同的固相存在，每种固相都有其自身的晶体结构和奇怪的行为。

科学家们花费了数十年的时间才发现所有这一切。“我们今天所知的钚的复杂性，曼哈顿计划的科学家们并不知道，”马茨说。多年来，那些秘密科学家实际上没有任何钚可以研究——它必须经过艰苦的生产才能获得。“几乎一切都是理论性的，”洛斯阿拉莫斯高级历史学家艾伦·卡尔说。“在没有实际材料的情况下，他们只能使用粉笔、黑板和笔记本。” 第一克元素94于1944年4月运抵洛斯阿拉莫斯的台地。这种物质已经让研究人员感到困惑。当他们对密度等特性进行基本测量时，他们看到了巨大的变化。最终，他们能够制造出他们的第一个钚金属半球——今天钚坑的原型，大小像高尔夫球。然而，当他们第二天来到实验室准备进行实验时，他们发现半球已经破裂，因为它们的性质和尺寸发生了变化。“这太令人抓狂了，”马茨说。

1944年晚些时候，曼哈顿计划的一位科学家提出了一个突破性的想法，即通过将钚与另一种元素结合制成合金，可能会使其稳定在一个可加工的相中。问题是，他们不知道哪种元素可能有效。根据马茨发现的一份历史文献，科学家们有一种非常科学的方法来决定尝试哪些物质：“我们在橱柜里找到什么就用什么，”他们写道。最终，他们发现镓起了作用。它至今仍用于钚坑中。

在这些早期科学发现的兴奋之中，这项工作的重点有时会被遗忘：这一切都是为了创造一种致命的超级武器。1945年，美国向广岛投掷了一颗铀裂变弹，然后向长崎投放了一颗钚弹——本质上是一个装在炸药中的钚坑——以摧毁长崎。炸弹立即造成数万人死亡，事后又有更多人死亡。正如曼哈顿计划物理学家I. I. 拉比所担心的那样，根据2005年出版的《美国普罗米修斯》一书中的引述，“三个世纪物理学的顶峰”是一种大规模杀伤性武器。

战后不久，钚坑的生产转移到了科罗拉多州博尔德市郊外的一个设施。该设施名为落基 flats，每年可以生产数千个钚坑——这种生产力水平或许得益于其违反环境法规的行为，这在1989年导致联邦政府的突击搜查，然后永久关闭。“当时没有考虑到公众，”洛斯阿拉莫斯武器部门副主任鲍勃·韦伯斯特说。不久之后，由于一项试验暂停令和条约，该国的核武器综合设施经历了另一次阶段性转变。科学家和工程师一直以来都以最简单的方式测试武器：将其炸毁。如果它们像预期的那样爆炸，官员们就会冻结设计，并制造更多该武器的克隆品。研究人员从未真正理解为什么一切都有效，或者是什么可能导致它失效——或者这两种情况如何随着时间推移而改变。

但在1992年，乔治·H·W·布什总统宣布暂停核试验。当时担任洛斯阿拉莫斯主任，现任斯坦福大学教授的西格·海克尔在华盛顿特区听到这一宣布。“我回到洛斯阿拉莫斯，告诉我们的人，‘听着，世界刚刚改变了，’”他说。他们将不得不通过理解其物理特性来维护库存，而无需进行测试。对于钚坑来说，这项任务已被证明尤其复杂，因为所有钚坑现在都已使用了几十年。由于钚是80年前才首次合成的，因此没有人能够观察到它在超过这个时间点后的生命周期内的行为。

老化如何影响钚坑是一个有争议的话题，但有些事情是肯定的：随着钚坑中钚原子的衰变，其产物会破坏剩余钚的晶体结构，产生空隙和缺陷。这些衰变还会用氦、镅、铀和镎等物质污染钚坑。在50年内，一公斤钚将积累大约0.2升氦气。随着钚坑的变化，它们在任何条件下的性能和安全性——包括仅仅放在架子上——都变得令人怀疑。联合国裁军研究所高级研究员、普林斯顿大学科学与全球安全项目研究员帕维尔·波德维格质疑现代化的动机，但他承认，“如果你维护武库，在某个时候，拥有新的钚坑会更安全。”

科学家们仍然不知道钚坑的寿命。JASON——一个为政府提供建议的秘密科学家小组——在2007年首次预测，钚坑将持续使用数十年，这意味着没有必要进行生产计划。但它在2019年改变了立场，声明“我们敦促尽快重建钚坑制造能力，同时进行重点计划以了解[钚]老化”。美国国家核安全管理局自己的研究表明，钚坑将至少持续150年，但也表明它们的退化可能会导致意外的缺陷。科学家们可能永远不会确切知道这些缺陷会产生什么影响，或者它们会如何影响爆炸，因为核武器的表面目的是永远不使用它们。

到目前为止，重启美国钚坑生产已被证明具有挑战性。洛斯阿拉莫斯的努力至少落后计划一年，而萨凡纳河的努力则落后约五年。

国防核设施安全委员会和其他批评者声称，PF-4对于地质学家现在知道可能发生在洛斯阿拉莫斯的地震的抵抗力不足。该委员会在去年的一次听证会上声称，如此剧烈的震动及其可能引起的火灾可能会导致钚污染扩散到公众。在PF-4内部，我们的参观团遇到了一张海报，上面列出了实验室的设施地震分析和风险评估（也称为SAFER），该计划已导致对建筑物本身和内部设备的升级。2022年，安全委员会认为这种现代化改造仍然不够好。

实验室的一些人不同意这种观点，包括钚坑生产负责人马特·约翰逊，他正在带领我们参观PF-4。“如果发生地震，我希望待在这里，”他望着海报说。然而，最近又出现了一些其他的安全问题。今年5月，美国国家核安全管理局发布了一项关于2021年四起事件的调查报告：一起临界安全违规事件，一起导致三名工人皮肤污染的泄露事件，以及两起将水流向易裂变材料的洪水事件。该机构认定，管理洛斯阿拉莫斯的承包商违反了安全、程序、管理和质量保证规则。

同样穿着黄色实验服参加参观的韦伯斯特说，实验室及其工作人员认真对待安全问题，但也承认问题是不可避免的。“我们总是会在最低级别上遇到问题，”他说。他说，如果一切都开始完美运行，他们将降低被视为安全违规的门槛，以便人们仍然可以练习报告。但是，他指出，截止点已经很低了：“如果房间的放射性像Fiestaware餐具一样高，就会被关闭。”

那些专门用于钚坑生产企业各个部分的房间，都有一个共同点：它们都装满了手套箱，这是工人在其中操作钚的辐射防护设备。长手套密封在玻璃上的开口处，以便戴着手套的手可以安全地触摸样品。手套本身上面写着日期，以便工人知道何时更换它们。每个人都戴着两双手套。玻璃窗户周围环绕着一个看起来像是用钚制成的金属箱：暗银色，带有光滑的圆形角，这样更容易清洁，颗粒也更难附着。韦伯斯特说：“你可以在上面吃饭。” “不是在这里，”他补充道。

在参观过程中，我们被禁止放下笔记本，以免潜在的污染物粘在上面。如果我们掉落了笔记本，一名放射性控制技术员——他一直跟着我们，并且在我们离开房间时会扫描我们的手和脚以检查放射性——会在归还笔记本之前测量每一页。

在某些地方，手套箱的窗户被铝箔覆盖，以阻止我们看到机密材料。在这些箱子的上方，每个房间里都有一种小车系统，工人用它将钚从一个房间运到另一个房间。在一些房间里，放射性废物被包装好，等待运往储存设施，站在附近可能受到的剂量写在地上。我们永远不会忘记这是一个危险的地方。

制造钚坑的工人们每天都面临着这些风险。为了完成他们的工作，他们首先必须从旧材料中回收和提纯钚。然后他们“铸造”，或将钚塑造成块状。一旦铸造完成，这些块状物必须组装成一个整体。站在发生这种情况的地方附近的是第一位组装钚坑的女性，出于安全原因，我们无法公开她的姓名。她在2013年组装了她的第一个钚坑（2007年至2013年间，实验室生产了31个钚坑）。如今，组装一个钚坑需要她30分钟到一个小时。“一切都靠触摸，靠感觉，”她说。她喜欢这项工作，其中一部分工作在一个两层楼高的手套箱中进行。“在手套箱里很平静，”她说。

一旦她或其他工人完成了一个钚坑，它就会经过微米级测量和成分审查，以确认其符合规格。如果它获得批准印章（带有字面意义的印章，形状像钻石），它将被运往德克萨斯州的潘泰克斯工厂，安装到核弹头中。在未来的几年里，如果一切按计划进行，这个过程每年至少会在这里发生30次。

所有这些努力和投资都是为了希望钚坑永远不会发挥其积极作用。美国与所有核国家一样，储存武器是为了进行一场微妙的威慑游戏，其理念是，我们拥有同等或更强大的武器的存在将阻止其他国家使用他们的武器。在这种战略中，钚坑的真正目的是闲置在那里作为一种威胁。但是，为了使该战略奏效，该国必须愿意兑现这一威胁。

当我们离开PF-4时，永久安装的仪器再次扫描我们的手和脚，检查放射性。之后，在一个气闸室中，一台全身扫描仪嗅探我们身体上的α、β和γ射线辐射。即使污染不太可能发生，当警报解除时，我们还是如释重负地叹了口气。

我们回到我们的生活，在那里我们可以很容易地忘记钚坑。冷战结束后，许多美国人已经习惯了这些武器。“在某种程度上，它变得如此正常以至于可以被遗忘，”爱达荷州立大学核历史学家莎拉·罗贝说。人们在面对钚时感受到的恐惧随着时间的推移而减弱。但是原子时代正在复兴，我们将不得不重新面对这些强大武器带来的蛰伏的恐惧。