纽约市码头的海关检查员将刚刚从伊斯坦布尔一艘船上卸下的一个密封货柜通过辐射扫描仪进行扫描。里面似乎有十几辆新拖拉机。尽管探测器没有感应到辐射，但检查员还是打开了货柜。他们的手持设备也没有显示出辐射，因此他们允许货柜离开。一位私人运输商将其运送到美国中西部的一个小城市。恐怖分子小组的成员在那里取出了他们最后一批高浓缩铀，这些铀被伪装成拖拉机引擎中的10个金属垫圈，总重两公斤。几个月后，一枚当量为一千吨的简易核装置在洛杉矶引爆。爆炸、火灾和空气中的放射性物质导致超过10万人死亡。几乎所有进入美国的航运都停止了，引发了金融危机。在法医和情报工作将阴谋追溯到巴基斯坦和伊朗的恐怖组织之后，军事行动在中东展开。
编者按 作者和编辑们一直很小心，没有泄露可能帮助恐怖分子或在已出版来源中不易获得的细节。
这些可怕的事件是否牵强附会？近年来，我们两人曾两次帮助美国广播公司新闻团队将一个苏打罐大小的贫铀圆筒偷偷通过美国港口的辐射探测器。这种材料对任何人都没有危险，但它确实发出了与高浓缩铀（HEU）相当的辐射特征，而高浓缩铀可以组装成核弹。当您阅读本文时，布什政府和美国国会可能正在考虑花费数十亿美元在港口和其他边境口岸增设探测器——这些探测器也无法可靠地发现我们的圆筒或类似数量的HEU。
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用高浓缩铀制造的简易核装置对恐怖分子造成大规模杀伤的风险最大。在9月11日袭击事件之后，美国政府试图阻止核武器和材料的走私。美国国土安全部实施了所谓的“分层防御”，主要围绕昂贵的辐射探测器构建。
为什么要关注探测？进入美国的货柜数量之多令人震惊。货柜有不同的尺寸，因此数量按标准20英尺货柜或“20英尺当量单位”（TEU）计算。2005年，超过4200万个标准货柜进入美国港口。到2007年，国土安全部已部署了数百台辐射门户监测器。它还要求国会增购更先进的机器，但在10月份，鉴于软件问题，它退缩了，要对这些设备进行进一步测试。尽管一些联邦官员和政府承包商声称该技术将是有效的，但我们进行的一项分析表明，这些机器无法可靠地检测出高浓缩铀。相反，政府必须更加重视识别和消除或保护已知的高浓缩铀库存，从源头上阻止潜在的问题。
易于隐藏
为了制造混乱，恐怖分子可以窃取、购买或被赠予完整的核武器，但这种情况不太可能发生。完整的核武器通常比制造核武器所需的可裂变材料受到更严格的物理安全保护。更可能的途径是非法获取这种材料——目前这种材料分散在世界各地的许多民用、军事和太空力量设施中——然后将其走私到美国并组装成炸弹。主要关注两种可裂变材料：钚和高浓缩铀。
要达到给定的爆炸当量，所需的钚比高浓缩铀少，但制造钚武器需要复杂得多的工程。如果钚在货物中运输，也更容易被探测到。高浓缩铀更易于处理，更易于制成简易爆炸装置，并且在货柜中更难探测到。此外，更多的高浓缩铀存在于更分散且安全性较低的地方。根据国际原子能机构的数据，1993年1月至2006年12月期间，全球共发生275起涉及核材料和犯罪意图的已证实事件。其中4起涉及钚，但14起涉及高浓缩铀。超过40个国家藏有高浓缩铀，其中俄罗斯、其他前苏联国家和巴基斯坦的设施被盗风险最高。哈佛大学最近的一项研究得出结论，美国资助的安全工作在苏联解体后国家中45%的受关注核设施中尚未完成。
获取核材料并非易事，但美国广播公司新闻的演习表明，将其走私到美国可能是一件简单的事情。2002年夏天，美国广播公司新闻小组成功地将一个装有6.8公斤（15磅）贫铀（DU）圆筒的铅衬钢管偷偷通过了美国海关和边境保护局，方法是将其放置在一个标准货柜内。这种材料不适合制造武器，但其化学性质与高浓缩铀几乎相同。我们的组织，自然资源保护委员会（NRDC），准备了屏蔽圆筒。美国广播公司新闻摄制组将管道放在一个普通的行李箱中，并乘坐旅客列车从维也纳到伊斯坦布尔——选择这条路线是为了模拟恐怖分子的旅程。新闻摄制组沿途没有看到任何辐射探测设备。
到达伊斯坦布尔后，记者们将行李箱放在一个装饰箱内，与成箱的巨型花瓶一起装在一个大型金属货柜中，该货柜于7月10日从伊斯坦布尔乘船出发。当货柜抵达纽约州斯塔滕岛时，国土安全部的海关官员将其列为高风险目标，部分原因是其原产地，并将其标记为进行更彻底的筛查。机器及其操作员未能感应到铀。美国广播公司新闻于2002年9月11日，即911袭击事件发生一年后，播出了其报道。
美国广播公司新闻在一年后重复了实验。这一次，行李箱被放置在一个柚木箱内，该柚木箱与其他家具一起装在雅加达的一个货柜中。货柜于8月23日抵达加利福尼亚州长滩港。与之前一样，这批货物被海关人员列为目标并进行筛查，但于9月2日获准用卡车运输。美国广播公司新闻宣布，官员们再次未能探测到贫铀。在报道播出后，海关扣押了我们的圆筒，“处理”了它，并将我们中的一人（科克伦）列入航空旅行观察名单数月。
探测器不足
国土安全部于2002年末开始安装第一代探测器系统——称为辐射门户监测器（RPM）。尽管美国广播公司新闻的结果如此，但已有800多台此类机器及其后续产品被放置在有人值守的入境口岸、陆地边境口岸、机场、海港以及国际邮件和快递设施。这些机器是所谓的闪烁探测器，它们计数中子和伽马射线，但不测量其总能量。因此，这些仪器可以测量探测到的辐射强度，但无法测量辐射源的特征辐射谱或特征。
为了显示放射性物质，必须首先探测到辐射，但随后计数也必须与货物中无害放射性物质产生的计数区分开来——从香蕉、巴西坚果和白土豆到猫砂、飞机零件、玻璃和混凝土，应有尽有。这种自然背景辐射会根据货柜的内容而发生显著变化。然而，辐射门户监测器无法测量辐射源的特征辐射谱，这不可避免地导致来自背景源的误报，而当前监测器的误报率非常高——在某些设施中，每天高达数百次。当警报被触发时，海关人员必须让货柜通过进一步扫描或手动检查，从而增加相当大的运输延误和成本。
进一步的测试由称为VACIS的伽马射线成像系统完成，该系统生成货柜内容的X射线扫描。海关官员还配备了小型、寻呼机大小的个人辐射探测器。尽管所有这些传感器都出现在第二次美国广播公司新闻实验中，但它们都没有探测到隐藏的铀。
鉴于辐射门户监测器的缺陷，国土安全部于2006年宣布，它将采购数百台第二代辐射探测器——先进光谱门户（ASP）机器——仅硬件总价就超过10亿美元。该系统既有伽马射线探测器，也有中子探测器，但也可以执行伽马射线光谱分析以显示辐射特征；当一起应用时，这些技术旨在通过将辐射源识别为无害的放射性货物来降低误报率。2007年8月，乔治·W·布什总统签署成为法律的《2007年9/11委员会建议实施法案》规定，在五年内，所有海运货物在装载到驶往美国的外国港口的船只之前都必须进行扫描。将需要部署更多的探测器。
然而，此举是不明智的，因为即使是先进光谱门户机器也不可靠。在美国国防部内华达州试验场的机密试验中，没有证明它们可靠地感应屏蔽高浓缩铀的能力。此外，由于软件问题，先进光谱门户机器在纽约和新泽西港务局安装时未能正常运行。事实上，2007年11月，《华盛顿邮报》透露，国土安全部自身也质疑这些机器的有效性。据该报报道，2006年9月，美国政府问责办公室的审计员声称，官员们大大夸大了这些工具的能力。问责办公室一年后的另一项调查发现，官员们监督了先进光谱门户系统受损的测试。在向国会请愿拨款购买更多先进光谱门户机器后，国土安全部部长迈克尔·切尔托夫于2007年10月决定推迟对新型先进光谱门户机器的认证和进一步生产，直到问题得到解决。当本期《大众科学》杂志在报摊上发行时，国土安全部可能会向国会提交关于先进光谱门户探测器的新承包商性能数据。立法者将不得不决定是否继续资助此类采购，鉴于这些机器令人不安的历史。
一个合适的替代品
国土安全部不喜欢美国广播公司新闻的演习，并公开声称，如果自然资源保护委员会的贫铀块是高浓缩铀，检查员会识别并拦截它。我们不同意。我们的分析表明，即使用铅和钢稍微屏蔽一下，贫铀和高浓缩铀也具有相似的微弱辐射信号，并且同样难以被任何一代监测器探测到。
为了比较贫铀和高浓缩铀，我们计算了屏蔽和未屏蔽的贫铀和高浓缩铀样品在不同距离处的辐射粒子计数和探测器剂量率，然后将这些量与背景辐射进行了比较。我们使用洛斯阿拉莫斯国家实验室使用的标准辐射分析软件和劳伦斯利弗莫尔国家实验室提供的常用铀辐射数据进行了计算。
一些高浓缩铀含有极低浓度的同位素铀232，铀232在天然铀中不存在，但在高浓缩铀在核反应堆中辐照时会产生。在美国和俄罗斯，大多数高浓缩铀是从从军用燃料中回收的铀中浓缩而来的，因此被痕量的铀232污染。即使是微小的量，小于十亿分之一（ppb），也具有明显的辐射信号。
两个重要因素会降低辐射门户监测器探测纯高浓缩铀或受污染高浓缩铀信号的能力：吸收辐射的屏蔽以及辐射源和探测器之间的距离。在未屏蔽的情况下，纯高浓缩铀和受污染高浓缩铀的计算剂量率均高于贫铀。但在两种情况下，大部分剂量都来自伽马射线谱的低能量部分，而低能量部分很容易被屏蔽吸收。如果辐射源被一层一毫米厚的铅包裹，则不含铀232的高浓缩铀的辐射剂量率低于类似屏蔽的贫铀的剂量率。对于被2 ppb铀232污染并包裹在相同屏蔽层中的高浓缩铀，伽马射线剂量率与贫铀的剂量率大致相等。公开数据表明，大约一半的俄罗斯高浓缩铀的铀232浓度可能低于0.2 ppb，而巴基斯坦和伊朗生产的所有高浓缩铀可能都不含该同位素。
对于贫铀和高浓缩铀，发射的辐射都会随着与辐射源距离的增加而减小。我们计算出，对于轻度屏蔽的高浓缩铀（覆盖一层一毫米厚的铅），且不含铀232，在两米处的剂量率小于背景辐射的5%；对于被0.2 ppb污染的高浓缩铀，剂量率小于背景辐射的10%。在典型的门户监测器中，从标准货柜中心到两侧探测器的距离大于两米。因此，如果任何屏蔽高浓缩铀被放置在货柜中心附近，辐射门户监测器和新型先进光谱门户机器都无法区分俄罗斯的大多数屏蔽高浓缩铀。
我们的工作表明，在测试国土安全部探测走私核武器材料的能力方面，贫铀是高浓缩铀的良好替代品。如果我们的测试贫铀块是高浓缩铀，辐射门户监测器不会探测到它，下一代先进光谱门户机器也不会探测到它。
足以制造炸弹
更糟糕的是，恐怖分子可能通过运输比我们使用的贫铀块更小的碎片将高浓缩铀走私到美国。那么，问题是，小块高浓缩铀是否可以组装成当量可观的简易炸弹。
大多数现代核武器都基于内爆：引爆常规炸药以充分压缩核材料，使其爆发失控的裂变链式反应。秘密行动的恐怖分子不太可能组装出这种装置，因为其复杂性。然而，一种更简单的枪式设计可能是有效的；两个次临界高浓缩铀块被驱动在一起，使其形成一个超临界质量。“小男孩”原子弹于1945年投向广岛，它在一毫秒内将大约65公斤高浓缩铀组合在一起，方法是将一个次临界块沿着枪管射向第二个次临界块。
然而，此后核材料的“质量”持续提高，以至于1987年诺贝尔奖获得者、曼哈顿计划科学家路易斯·阿尔瓦雷斯指出，如果恐怖分子拥有现代武器级铀，他们“很有可能仅通过将一半材料掉到另一半材料上来引爆高当量爆炸”。为了检验这一论断，我们模拟了“小男孩”设计与阿尔瓦雷斯描述的简易核装置之间的差异。
我们再次使用了洛斯阿拉莫斯软件代码，并根据公开的设计信息以及枪式组件中高浓缩铀的两种简单配置，模拟了“小男孩”的当量。我们的模型显示，对于爆炸驱动的枪式组件，获得一千吨爆炸当量所需的最小量将大大少于“小男孩”中的高浓缩铀量。最令人不安的是，对于更大的量，通过将一块高浓缩铀掉到另一块高浓缩铀上，可以实现大于50%概率的一千吨当量，这证实了阿尔瓦雷斯的说法。设计高浓缩铀炸弹似乎简单得令人震惊。因此，唯一真正的障碍是秘密收集足够的材料。
更有效的对策
鉴于门户监测器在探测走私高浓缩铀方面的困难，阻止任何秘密流入至关重要。美国政府基本上有四种选择：依靠情报来识别和抓捕核走私犯；从源头上消除高浓缩铀；巩固高浓缩铀并加以保护；或在国际边界探测高浓缩铀。明智的政策将根据其有效性和成本，以平衡的方式追求所有这些途径。然而，美国目前的做法过于依赖可疑的探测器。联邦政府确实有计划“稀释”俄罗斯过剩的军用高浓缩铀库存，使其变成低浓缩铀，并用低浓缩燃料取代研究堆中的高浓缩铀燃料。美国还在帮助改善俄罗斯一些高浓缩铀库存的物理安全性。但政府并未像门户监测器计划那样，给予这些不属于国土安全部的计划相同的高度优先地位。
正如试验所示，辐射门户监测器和先进光谱门户机器目前都无法提供可靠的保护。国土安全部确实支持对其他先进探测方案的研究，例如主动探测系统，该系统用低能中子轰击货柜或车辆，产生明显的伽马辐射信号。去年，劳伦斯利弗莫尔公布了一个原型，据称它可以探测到轻度屏蔽的重量小于一公斤的铀块，且误报率低[见第102页的方框]。位于加利福尼亚州托兰斯的RapiScan Systems公司正在开发类似的方案。然而，这项技术必须商业化，并且其成本必须大幅降低。公众和托运人担心货物内容会暴露在产生的伽马射线下，这也必须得到解决，即使能量水平非常低，辐射也会在一小时内消散。劳伦斯利弗莫尔表示，它可以在2009年之前准备好一个系统进行商业评估。
国会现在可能正在辩论是否应继续支持陷入困境的、耗资数十亿美元的先进光谱门户计划。有了辐射门户监测器和先进光谱门户机器，海关人员可能会抓住试图走私高浓缩铀的业余恐怖分子，但他们不太可能抓住像9/11恐怖分子穆罕默德·阿塔这样的老练特工。美国政府应该将更高的政策优先级，并在某些情况下投入更多资金，用于在全球范围内保护和消除高浓缩铀来源。政府还应寻求在全球范围内禁止高浓缩铀的商业用途，例如用于医疗应用的同位素生产和核反应堆设计实验，其中大多数可以使用低浓缩铀或在粒子加速器中进行。为了保护美国免受恐怖分子核袭击，美国应制定一项更大、更有效的战略计划，重点是消除获得武器级材料的途径。
更多探索 阻止核恐怖主义。《大众科学》杂志，第294卷，第2期，第56-63页；2006年2月，亚历山大·格拉泽和弗兰克·N·冯·希佩尔著。
2007年保护炸弹。《哈佛
大学与核威胁倡议组织，2007年9月，马修·本恩著。
寻找隐藏的材料。丹尼斯·斯劳特在
《核新闻》杂志，第43页；2007年11月。
边境辐射探测器再次延迟。《华盛顿邮报》，第A1页；2007年11月20日，小罗伯特·奥哈罗著。
华盛顿邮报，第A1页；2007年11月20日。
国际原子能机构维护的非法贩运数据库，列出了涉及放射性材料的未经授权的活动：http://www.iaea.org/NewsCenter/News/2007/itdb.html