英國核武重地的新面貌

英國核武研究的祕密基地,最近開放自然雜誌採訪。他們的高功率雷射,不但用來研究核武功能,也將開放外部科學家利用,可能替新能源產生,天體內部反應和基礎核物理帶來新的發展。

原載於【知識通訊評論90期】2010.04.01

原子武器研究所所在地奧德馬斯頓

英國科學實驗室:原子武器研究所(AWE)院區位在英國伯克郡奧德馬斯頓村。這個佔地三百零四公頃的研究設施,原本是二次世界大戰時的英國皇家空軍機場,目前有數千名負責維護英國的核彈頭的科學家、工程師和技術人員。

奧德馬斯頓(Aldermaston)是一個風景如畫的英國村莊,有著紅磚砌成的房屋、整潔的花園和一家吸引人的酒吧。但是就在它的南邊,有一群禁衛分外森嚴的建築物。在雙層圍牆和設有崗哨的大門背後,是英國最隱秘的研究實驗室,原子武器研究所(AWE)的院區。這個佔地三百零四公頃的研究設施,原本是二次世界大戰時的機場,有大約四千名負責維護英國的核彈頭的科學家、工程師和技術人員。

負責監督原子武器研究所的國防部,對實驗室的活動三緘其口的程度乃眾所周知;在那裡工作的科學家,一般也盡量保持低調。但在未來的幾個月中,該所目標最遠大,也最昂貴的科學計畫即將完成,這也會促使實驗室將其大門開放,至少開一條縫隙。

新的「獵戶座」研究設施,將設有十二條高功率雷射光束,能在不到一奈秒中,將材料壓縮並加熱到攝氏幾百萬度。這套雷射系統座落在一座閃閃發光、足球場大小的建築中,將讓奧德馬斯頓的物理學家知道,英國老化中的核武組件會如何運作的關鍵資料。根據目前的計畫,獵戶座大約有百分之十五的時間將提供給學術界,以研究在恆星上或巨大行星內部的情況。而基於這樣的開放精神,研究人員也邀請了《自然》的記者去參觀。

「獵戶座」設有十二條高功率雷射光束

新的「獵戶座」研究設施,將設有十二條高功率雷射光束,能在不到一奈秒中,將材料壓縮並加熱到攝氏幾百萬度。

在大多數方面,獵戶座是加州利佛莫(Livermore)美國國家點燃裝置(NIF)的小表弟,後者已在進行學術實驗。在全功率運行時,國家點燃裝置所可以用一百九十二道雷射,製造約四百萬焦耳的能量,比獵戶座更強大約一百倍。英國原子武器研究所的雷射特別值得一提的,是其絕佳的精確度,使研究人員可精確控制施加於其靶腔中材料的熱量及壓縮力,而且AWE將這座設施備完全讓外界分享。

「英國國防部對實驗室的活動三緘其口的程度乃眾所周知。」

合作的動機並非完全無私。國防部門想要給在安全警戒線內的科學家,提供所需的智力刺激,以使他們保持警覺;另一個這樣作的誘因是培養並拓寬此領域的物理學家社群,以供該所發掘研究人才。AWE的首席科學家蘭帝葛(Daryl Landeg)說,「我們希望展現我們對科學所保持的高標準。」即使距離奧德馬斯頓遙遠的學者,也都渴望能進入這道圍牆。在巴黎近郊的法國綜合理工學院強雷射實驗室主任阿密蘭諾夫(François Amiranoff)表示,目前歐洲只有不到五套類似的雷射設施。他說,「科學界對獵戶座這樣的設施,極端感到興趣」。

保密規則

在密切參與曼哈頓計劃後,一九五○年英國在目前AWE現址建立起原子武器的計劃。這個院區中還留有一些設施,可製造和儲存敏感的核子材料,受到國家嚴格保密法的保護,之前一直不歡迎訪客。二○○一年至二○○四年領導原子武器研究所電漿物理部門的倫敦帝國學院物理學家羅斯(Steven Rose)表示,過去十年情況已開始改變。「我想,將保密的重要性置於首位的傳統論點,這些年來也許已影響力大減,」他說,「他們已經意識到,你可以與外界合作共同做一點事情。」

走進獵戶座,這座二○○五年動工、造價一億八千三百萬英鎊(約合兩億七千四百萬美元)的雷射設施,有十部傳統雷射器,每一束雷射都可在約一奈秒(十億分之一秒)中,輸出五百焦耳的能量。它也有兩個短脈衝雷射器,可在半皮秒(一兆分之一秒)中輸出同樣的能量。?

獵戶座一束雷射可在約一奈秒中輸出五百焦耳能量

2005年動工的「獵戶座」,造價一億八千三百萬英鎊(約合兩億七千四百萬美元),有十部傳統雷射器,每一束雷射都可在約一奈秒中輸出五百焦耳的能量,威力十分驚人。

在獵戶座的主要建築內,穿著聚四氟乙烯工作服和髮網的工人,在巨大的白色支架周圍忙進忙出。主結構即將裝上所需的反射鏡、放大器和透鏡,來增強並集中十二束雷射於其標靶,標靶位於一個單獨的腔室,有一公尺半的固體混凝土屏障,以拘限雷射束擊中標靶所產生的輻射。雷射室和標靶區(以及對其訪客要求)的超高清潔度,不只是為了美觀,在雷射光徑上一根不該出現的毛髮,可能會導致強力光束的不規則行進,打碎昂貴的反射鏡或光柵。

獵戶座的主要任務,就像NIF一樣,是探討核武如何運作,特別是隨著其老化的改變。一九九八年英國批准了《全面禁止核試驗條約》,一項禁止試驗核子武器的國際協定。英國和世界各地的科學家因此就忙於建立電腦模型來模擬核彈頭,試圖計算在儲存幾十年後,這些武器是否仍會引爆,以及將導致怎麼樣的爆炸。但是,缺少的是實際的數據。

美國科學家希望,更強大的國家點燃裝置設施,能產生夠高的溫度和壓力,來使少量的兩種氫同位素(氘和氚)引發核融合,而產生出一些這類的數據。此核融合過程將類似一個當代熱核武器,最強大爆炸階段中內部的狀況。

NIF與獵戶座任務相同,規模卻大不相同

美國 NIF 與英國的獵戶座雖然任務相同,但 NIF 的規模遠遠超過獵戶座。

 

如果NIF是一個熱核錘子,那獵戶座就是一個手術刀。這個較小的設施將永遠無法達成全面的融合,但它能夠仔細控制測試材料(如鈾)內部的條件。原子武器研究所電漿物理部門主任羅伯茨(Peter Roberts)解釋,壓力和溫度效應通常相伴。他說,「如果你用自行車打氣筒為一個輪胎打氣,它就會熱起來,」。但是,獵戶座可以迴避這個問題;它可以用納秒長脈衝來壓縮材料,然後突然以半皮秒的很短脈衝將之加熱。這會造成一個不尋常的「等容加熱」結果,因為該材料以極快的速度加熱,來不及膨脹。這種讓獵戶座能夠在大尺度的溫度和壓力組合下研究材料。

具體而言,研究人員是要利用獵戶座探討核武材料的兩個關鍵參數:透明度和狀態方程。前者描述輻射如何穿過物質;在這種情況下,要討論構成氫彈的兩個階段。第一階段,或曰「一階反應」,是幾公斤的鈽被傳統炸藥壓縮,直到它們開始失控的核反應。從此一核反應產生的輻射,隨之被集中到「第二階段」,其中氫同位素以核融合造成一個更大的爆炸。

研究人員想知道不透明性是什麼,以及它如何隨著核武老化而變化;這使他們能夠為輻射從一階到二階反應的流量建立模型,並驗證彈頭是否仍然能正常運作。另一個參數(狀態方程)描述的是一物質在極高的壓力和溫度下的行為。獵戶座產生的這些數據和其他關鍵參數,將提供核武科學家所需要的資訊,確保他們的模型正確。羅斯說,「這些數據是查不到的」。

獵戶座的任務為探討核武的運作

一九九八年英國批准了《全面禁止核試驗條約》,此後科學家必須以電腦模型模擬核彈頭,計算儲存幾十年後核武具有多大威力,獵戶座的主要任務就像美國 NIF 一樣,在探討核武如何運作的實際數據。

運作NIF的研究人員往往強調,巨型雷射在能源生產和基礎科學的應用,更勝於其軍事作用;例如,它可能引導發明新的核反應器,利用小型核融合內爆發電。獵戶座的科學家對此則較為坦率。羅伯茨說,「我們基本上是在研究核武的物理。」不過,他和在實驗室的其他人員都樂於給非軍事科學家利用雷射的機會,科學家們對一探其能力也都躍躍欲試。英國拉塞福阿普頓實驗室中央雷射設施主任鄧恩(Mike Dunne)說,「這座設施有的重要特性,是英國甚至歐洲的其他雷射所不能及的。」鄧恩並表示,獵戶座應會減輕該實驗室的火神雷射(Vulcan,獵戶座的非軍事用同類機型,被高度超量使用)的壓力。

極端條件

研究天體的物理學家發現自己的處境和核武器科學家沒有什麼不同:例如,無法重現星體內部的極端條件、高度依賴複雜的電腦計算模型來說明它們如何運作。獵戶座達不到恆星的溫度和壓力,但它能夠以能模擬部分恆星和其他天體的高磁場和溫度,創造流動的熱離子化氣體。鄧恩說,藉由放大來自獵戶座的數據,天體物理學家應該能夠改善他們的模型。

雷射設備還有助於了解在原子物理學中更為深奧、基礎的工作。當前的理論已能充份描述普通物質和達到失去電子的程度的極熱物質;但是理論並不能說明原子遭受強力輻射,但並未失去所有的電子的狀況。阿密蘭諾夫說,透過加熱試驗材料,並用獵戶座的短脈衝光束來探測,就能獲得數據,使現有的理論拓展到這個中間地帶。這種溫暖、高密度的物質可能存在於氣體行星(如木星)的核心,甚至在地球的核心。

在獵戶座上的科學合作要到二○一二年下半才會展開,而使用該設施的研究計畫會透過用於火神和其他英國雷射的體系提交,而不是取決於核武科學家。鄧恩表示,這種研究計畫的開放性同行審查「是贏得學術社群信任絕對關鍵的」。「如果由一些在圍牆內的委員會來評判優劣,總是會有些人懷疑,他們挑選的主題,有助於他們自己的研究,而不是僅僅因為它們是很好的科學。」

回到原子武器研究所的院區,核武科學家正在積極為他們的新客人張羅所需。負責協助施工管理的貝特(Tom Bett),展示了非機密訪客專用的數據分析室,內有豪華的電腦終端機。(他解釋道,有關核武的工作將在一個單獨的房間進行,那些數據將儲存於上鎖庫房內的伺服器。)

訪問學者被迎入這座新的雷射設施,第一眼看到的,就是一樓直達天花板的落地玻璃窗為接待區帶來的良好採光。「這些窗戶,」貝特自豪地補充說,「都是防彈的。」

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1 Response

  1. woodford 說:

    聽說 John Searl 曾住在這個基地的附近.

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