美国核武器安全技术与安全控制概述

美国核武器安全技术与安全控制概述核武器的安全性是保持战略威慑力的基石和有核国家的最高利益所在。美国作为世界上最早拥有核武器且拥有数量最多的国家，高度重视核武器的安全问题，在发展新的核武器技术的同时，不断对现有核武库进行安全性改造，将安全思想贯穿于武器设计、贮存管理和作战使用中，已在设计技术、管理机制、保卫措施、指挥程序以及安全制度上形成了一套严密的安全体系。1采用多重技术手段，从系统设计上确保核武器的内在安全核武器是一种高风险武器，在撞击、着火或枪击等意外事件下容易发生核爆炸与放射性事故，污染环境，危害人身。因此，安全性是核武器最重要、最严格的一项技术性能。提高安全性最简单的方法是实施核部件与非核部件的分开放置，美国在20世纪50年代对核航弹即采用此种方法，但分储不利于战备。为此美国从20世纪60年代开始注重从系统设计上提高核武器的安全性，为保障核武器的核爆安全与化爆安全采取了一系列有效的技术措施。1.1增强核爆安全装置为防止核武器在异常环境或事故状态下过早解除保险而启动引爆系统，美国桑迪亚实验室20世纪70年代初研制出增强核爆安全装置。该系统将核武器引爆控制系统的关键电气部件隔离在一个“禁区”内，用结构壳体和绝缘壁使该区域和各种意外“能量源”隔离开。控制正常解保和点火电能进入禁区的唯一通道是强链接开关。目前，美国部署的核武器中已有3/4装备了这种安全装置。为了提高核武器指挥与控制的可靠性，防止非授权使用核武器，美国还采用了将增强核爆安全装置与密码锁结合起来的更先进的技术设计。1.2钝感高能炸药钝感高能炸药是为防止核武器意外核爆而研制的新型炸药，对提高核武器储存安全，防止钚污染是一种有效的方法。与早期采用的高爆速、大能量炸药相比，该种炸药具有独特的钝感性，在火烧、碰撞、跌落或枪击等情况下发生爆炸的概率很低，有利于实现化爆安全。美国参议院军事委员会1978年提议对“今后所有核武器均采用钝感高能炸药”。到20世纪90年代初期，美国部署的核武器大约有1/3采用了这种炸药。因而，采用钝感高能炸药如TATB代替常规炸药，是未来的一种发展趋势。1.3耐火弹芯耐火弹芯是为了防止钚在高温下汽化散落造成大面积污染而采取的安全措施。基本设计思想是在初级钚球外设计包覆一层耐高温、抗钚腐蚀的材料，使钚芯能够承受大约1000°C的高温，并保证在几个小时内不会受到破坏，即使其中钚球熔化，也不会因其侵蚀作用而破裂，这样就防止了钚的污染。美国核武库约10%的核弹头采用了耐火弹芯。钝感高能炸药和耐火弹芯是核武器最关键的两项安全特征装置，也是在设计时需要进行全当量核试验的装置，这对已签署禁核试条约的国家来说构成了技术挑战。1.4一点安全一点安全是从系统设计上保障核武器安全核爆的固有性能。美国国防部1968年开始将其制定为核武器安全技术标准。一点安全对设计的要求非常高，即通过理论设计保证在发生事故时，初级高能炸药在某点起爆时所产生的核爆威力在1.8千克TNT当量以上的机率不超过百万分之一，并无需其它安全措施。1.5机械安全装置机械安全装置是为防止事故情况下初级高能炸药部件爆炸后（特别是多点起爆）产生较大的核当量而设计的，目的主要是破坏聚合爆轰或冲击波的对称性或球面性。1.6分离部件设计分离部件的早期设计思想是在核武器解除保险前，使核部件（如钚芯）和炸药部件分开一定距离，或在二者之间设置屏障，从而防止因炸药球爆炸而引发核爆炸。但由于美国自20世纪50年代中期以后开始采用封闭弹芯，这种分隔概念变得难以实现。劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的科学家为此在20世纪80年代末提出研究新的弹头设计结构，如移动炸药球、移动钚球或采用灌注等方法，以便在现代化核弹头中实现这种分离。2建立系统的安全机制，从防范措施和防护制度入手抓好外围管理除通过优化系统设计改善核武器的安全性外，美国还建立了自上而下的管理机构和严格的保卫措施和管理制度。2.1核武器安全管理机构美国核武器的安全管理实行的是由总统决策、国防部和能源部共同负责，核武器委员会直接参与的管理机制。国防部和能源部为美国核武器安全的主管部门，共同负责在核武器研究、发展、库存和退役工作中的职责。两个部门在许多方面联合向总统提出咨询并执行国家核武器计划。其中，总统掌握核武器的规模、部署、使用等决策权。国防部负责提出军事需求，运载系统、指挥控制系统、作战力量的部署与规划，部队训练，威胁评估等工作。能源部负责核武器的设计、研制、试验及核材料的生产与管理，库存核武器技术性能的监测与评定，维持核武器联合体关键生产能力，支持核武库的科学管理计划，制定核武器活动经费预算，以及退役核武器的拆除等。在2000年3月正式成立核安全局后，能源部所有有关国家安全事务均通过该机构实施。核武器委员会是国防部与能源部的联合委员会，负责协调解决与两部门有关的核武器问题，如制定年度核武器备忘录；研究核武器库存方案与费用；审查各种生产方案的成本、效益与进度；协调两部门核武器计划的制定和预算；确定核武器生产方案的费效比；宏观指导核武器优先研究项目；协调、批准能源部核武器研制、开发、生产和退役等活动等。核武器委员会由三名委员组成：负责采办、技术和后勤的国防部副部长（任主席）；参谋长联席会会议副主席；能源部副部长。下设核武器委员会常务委员会、核武器需求工作组与项目官员小组。参谋长联席会议是国防部长和总统在所有军事问题特别是核武器问题上的主要顾问。在库存核武器管理方面，它的职能是：监督国防核武器局的工作，包括确定库存核武器的构成，向各军种分配、部署核武器，对核部队及库存武器进行经常性的例行检查。军事联络委员会代表国防部但隶属能源部，是国防部与能源部之间的联络机构，关于核武器的所有问题包括研制、生产、库存、退役等，均通过该委员会进行联络。国防核武器局系国防部核武器研究、发展、试验与鉴定工作的主管业务部门。主要负责核武器的研制与试验，为核武器的安全储存提供技术保障，为参联会和各军种提供所有与核武器问题有关的防务咨询，并负责协调国防部与能源部之间有关核武器的研制与试验等事宜。各军种(空军、海军、陆军及海军陆战队)是核武器的最终用户和库存核武器的具体监管单位。在核弹头服役期间，按照国防部和参谋长联席会议以及国防部核武器局的文件和规范，提供核武库后勤、运输、安全和维护等工作。2.2安全保卫措施与管理制度·使用特种保安部队对核武器储存库进行武装警卫；·对储存区的核武器进行直接监护；·严格核武器的储存、控制、保养手续，加强责任制；·采用围墙（一般设两到三重）、拱形顶盖的建筑和严格的通行制度来限制人员接近，并在库房周围安设先进的探测、照明、通讯和警报等设备，配备强大火力以防意外事故发生；·对接触核武器的人员进行严格审查；·采取“双人制”，即任何人接触核武器时，都必须有同样技术知识的另一个人在场，要求两人均具备“发现对方非经批准的或不正当操作的能力”。·对拥有核武器的部门进行资格审查；·实施人员可靠性计划，确保负责保管、监守或能接触核武器的人员可靠并能够胜任其所肩负的职责；·由军种参谋部同国防核武器局、能源部协商制定核武器安全条例，并以各军种的指令形式公布；·对库存核武器实施核查和汇报。3及时调整战略，为禁核试后核武器安全性评定探索新的检验途径美国在1993年宣布暂停核试验之后，其库存核武器安全性与可靠性研究、检验受到严重影响，在传统的核试验评定手段无法使用的情况下，为确保库存核武器的有效性和继续发展核武器技术，美国制定并实施了以科学为基础的“核武库技术保障计划”，加大了核武器实验室研究力度，迅速将核武器的研发和维护手段转向不受条约限制的数值模拟计算。3.1实验室研究设施为提高实验室对核武器的物理研究能力，美国建立了一系列大型室内装置。主要有国家点火装置、X射线脉冲功率装置、双轴闪光照相流体力学试验装置、先进流体力学装置、先进辐射源等。这些装置是在现阶段暂停核试验条件下，美国开展高能密度物理研究，尤其是进行核武器物理研究的重要工具和手段。其中，国家点火装置是目前世界上规模最大的在建核爆模拟装置，其工作原理是利用大型激光器产生的高强度激光照射含氘氚的靶丸，创造产生热核聚变点火的条件。国家点火装置总共可产生192路激光束，激光总能量达1.9兆焦耳，用于研究核装置次级的物理过程，特别是研究流体动力学不稳定性、辐射输运、状态方程以及辐射自由程等问题。X射线脉冲功率装置利用强电流产生的磁场压缩套筒等离子体壳体，产生X射线脉冲，用于进行高能密度物理与惯性约束聚变研究。桑迪亚实验室的PBFA-Z装置即采用这种原理。双轴闪光照相流体力学试验装置是美国投巨资建造的另一种大型实验装置，其原理是利用两路互相垂直的直线感应加速器大型X光机，产生强X光进行爆轰试验闪光照相。该装置可提供内爆过程中物理特性随时间变化的物理图像和分析数据，是解决核武器安全性与可靠性、检验对核装置初级的物理认识和预测能力的试验工具。以上述装置为代表的一系列大型实验室装置，对于加强实验室试验研究能力，促进武器物理及相关学科的基础研究，保持核武器实验室的技术能力，具有非常重要的意义。3.2“虚拟”试验与“零当量”试验计算机模拟和仿真是利用计算机强大的运算能力对核装置爆炸全过程进行数值模拟，通过计算来描述、判断核装置爆炸的发展过程和最终结果，是目前模拟核试验的最主要手段之一。美国提高计算机模拟能力主要通过“加速战略计算倡议”来实现，其目标是将武器评估方法从传统的试验转移到数值计算，依据以往的经验数据，实现全系统、全物理过程的三维模拟计算。截止到目前，美国IBM公司为利弗莫尔实验室建造的“蓝色基因”计算机的运行速度已达到每秒百万亿次，实现了核试验模拟技术里程碑的突破。流体力学试验是评估核武器初级储存性能的主要手段，可用于了解核武器部件老化现象、化学反应和材料界面变化的影响。该试验需借助许多实验室大型设备进行，如阿拉莫斯的双轴闪光照相流体力学试验装置、利弗莫尔的闪光X射线装置、内华达实验场的大型爆炸试验装置以及密封引爆装置等。次临界试验是指带核材料但不发生链式反应（即核材料仍处于次临界状态）的爆轰流体力学试验。可用于研究武器中裂变材料在炸药产生的高压动载条件下的材料特性，也可用接近原型的试验装置，研究裂变材料在武器条件下的行为，如裂变材料库存老化后是否会影响武器战术技术性能等。从1997年至2004年底，美国已进行了21次次临界试验。由于“虚拟”试验与“零当量”均不受禁核试条约限制，且在研究核物理属性、保持核试验设备设施、锻炼试验和诊断队伍等方面具有特殊意义，在未来核武器发展中将发挥十分重要的作用。3.3其他除通过室内研究能力保障现有核武器的安全性与可靠性之外，美国还采取了其他一些有效措施：如实施增强监测计划，提高对核武器的监测能力，预防库存核武器老化；及时更换有限寿命部件，延长库存核武器的服役期限；启动微系统和工程科学应用计划，对非核部件进行现代化改造；保持核武器联合体的再生产能力，以及更新核武器的运载系统等。4规范指挥作战流程，形成严密可靠的核武器使用体系核武器的安全控制同其自身的安全性一样不容忽视。美国为确保核武器威慑与安全的统一，规定了严格的使用权限、指挥控制程序，并采纳了科学的使用控制技术手段。4.1指挥控制体系核武器的指挥、控制和通信系统是美国战略核力量的神经中枢，其最大的特点是决策权高度集中于总统。美国国防部文件明确规定，“保障总统作为总司令对军队的核武器作战进行指挥和指导；保障总统作为最高行政首长对支援核作战的所有政府机构行使职权和指导；保障总统作为国家元首对支持核作战所需要的多国行动行使职权和指导。”形成于1960年艾森豪威尔执政时期的“统一联合作战计划”（SIOP），既是美国战略核作战计划的核心，也是总统发号核作战指令的决策基础。SIOP的制定程序是：先由总统确定战略思想、目标和指导方针；再由国防部长制定“核武器使用政策”，假设各种具体情况、设定目标打击方案、目标定位、目标类型、制约因素及与战区指挥官的协调配合；然后由参谋长联席会将其提炼为“联合战略能力计划”，确定核打击目标和应达到的破坏等级；最后，由战略指挥部将其拟制