美国国家点火装置（美国亚临界核试验及激光核聚变装置）

导读

1996年9月联合国通过《全面禁止核试验条约》，禁止各国通过核爆炸的方式，检验和评估核武器的安全性和有效性，因此，拥核国家只能采用其他手段试验和评估核武器。亚临界核试验是其中最重要的一种，试验中所用的武器级钚、高浓缩铀等核材料未达到临界质量，不会发生核爆炸。

由于核武器的设计寿命一般为30年，因此有核国家一般通过这样的试验定时检验库存核武器的性能。美国亚临界核试验主要在位于内达华州的核试验场进行，截止2019年底，美国已经进行了29次亚临界核试验。

一、美国亚临界核试验概况

美国进行亚临界核试验的目的主要是研究不同老化程度的武器级钚在冲击波压力下的表面喷射、层列与压力的关系，为计算机仿真程序提供数据支持，同时也可以维持内华达试验场的试验能力，以在必要的时候重启核试验。

美国从1997年7月2日进行首次亚临界核试验，截止2019年底，共进行了29次，试验情况见下表。

1997年7月2日，LANL开展了首次亚临界实验，代号为Rebound。在内华达试验场的U1a试验场地下293米的水平巷道内进行，其目的是获得有关钚在不同的高压(数百万个大气压)条件下对冲击波压的响应。

该试验共使用了75公斤高能炸药，分装在三个不同爆炸装置中，提供了三个不同的压力条件。在该试验中，共使用了不到1.5公斤的钚。化学高能炸药的能量直接传给24块钚，最大的钚块为70克。从这次试验中获得的数据将支持有关维持美国核武器库存安全性与可靠性的研究。

Rebound试验中用到的压力装置

Oboe实验由LLNL设计，主要研究钚材料层裂与表面喷射问题。从1999年9月开始至今，已成功地进行了9次Oboe实验。Oboe实验在两个洞室中进行，在其中一个洞室中进行12次，在封洞前进行一次威力较大的亚临界实验，代号为Piano。

在另外一个洞室内计划进行20次实验，在封洞前再进行类似Piano型的亚临界实验。Oboe实验首次采用实验后搬走爆炸罐的方式进行实验。为了防止空气对激光束的衍射，罐中适当地抽真空。

美科研工作者为亚临界核试验进行准备工作

在2012年进行的Pollux亚临界试验中采用了一种新的诊断方法：多路复用光子多普勒测速仪（MPDV），该技术是由泰德?斯特兰德（Ted Strand）和劳伦斯?利弗莫尔国家实验室近十年来共同开发的。旨在进一步使用频率和时分复用技术来组合八个PDV频道转换成可以由一个数字转换器通道记录的单个复信号。结果是，每个PDV通道的成本降低了五倍，总热负荷降低了约八倍。

MPVD工作原理

2017年进行的Viga试验是美国第二次大规模亚临界核试验，在地下900英尺的洞库中进行，这一深度足以容纳高能量的核爆炸。实验为化学炸药爆炸冲击下的钚临界状态提供了新的科学数据。

Viga亚临界核试验中用到的容器

二、内华达核试验场

美国内华达核试验场（NTS）位于拉斯维加斯西北方的一片广袤沙漠和山区中，美国冷战期间曾在此进行过近1000次核试验。虽然大规模的核试验目前已经暂停，但该试验场却保留了核武器生产联合体的主要部分和相关核设施，以便需要时重新恢复地下核试验。

1951年内华达核试验现场图片

内华达试验场U1a试验点是一个地下实验室，它由在293米竖井底部挖掘的约335米长的水平巷道构成。竖井装备了用于运送人员和设备的升降机，在距该竖井约304米处设有另外一个竖井，用于通风、仪表与电力输送以及应急进入。与主巷道相接有一个152米长的水平巷道，在该水平巷道的末端开挖了一个密封小室，试验的爆炸装置被置放于该小室内。

该试验点对工作人员和公众非常安全，并最大限度地降低了对环境的影响。这一竖井最初是于60年代挖掘的，并于1990年在竖井底部挖掘的一个水平巷道中进行过一次核试验。

U1a地下设施

目前，NTS仍在秘密进行核武器材料和配件的“亚临界”试验，执行的项目包括：核材料的试验生产，如核临界试验、核材料向试验场的运输、在特殊工厂进行的钚弹芯生产以及核爆炸“扳机”的制造等。另外，NTS还在大规模地进行其它武器的试验，如使用战机试验新型常规武器。作为多领域的军事研究实验室，NTS正充分发挥着它的商业价值。

U1a的内部巷道

NTS的U1a设施曾进行过多亚临界试验，大多数亚临界试验使用武器级钚-239。来自亚临界试验的数据将与其他各种物理试验的数据集成在一起，以不断扩充核武器有关知识，并在维护美国现有庞大的核武库以及开发新型核武器工作中发挥着重要作用。

U1A的内部设施

三、亚临界试验能力增强计划

美国在持续进行次临界实验的同时，也在不断增强自身的次临界实验能力。为解决美国核武器初级内爆晚期钚相关数据问题，美国国家核安全管理局在2014年2月制定《增强次临界实验能力计划》(ECSE)，并在同年9月正式启动。整个ECSE项目分为4个部分：

（1）U1a设施增强计划(UCEP)，依据能源部第413号命令执行(DOEO413)，对U1a设施进行升级，建造相应的诊断设备巷道、实验区进入通道、通风系统、应急设施、爆室、控制室等附属配套基础设施，由内华达国家安全场组织建设。

（2）先进闪光照相系统(代号“天蝎座”Scorpius)，依据能源部第413号命令执行(DOEO413)，是实验主要装备，分为U1a设施接口、注入器、加速器、下行通道、探测器、全球系统等子系统，由能源部主要实验室及内华达核试验场联合完成，是整个计划的核心设备。

Scorpius三维图

“天蝎座”系统的的主要部件注入器(4脉冲,2 MV,2 kA,85 ns)完全用固态脉冲发生器驱动的真空感应增压(Vacuum IVA)热阴极,其加速器(9个2 Mev模块、4脉冲、250 kV电池)基于DARHT-1电池(经过多脉冲性能验证),采用2×2 SPEL脉冲功率构架。

（3）用于中子诊断的中子诊断次临界实验计划(NDSE)，由洛斯?阿拉莫斯国家实验室的研究团队负责。

（4）实验容器处置巷道(Entombment Dri ft for“Spent”SCEs)建造工作。该项工作与U1a设施升级计划同时开展，但独立于UCEP计划。巷道预计尺寸为600英尺长，10英尺高，10英尺宽(或者300英尺长，14英尺高)，容器处置洞室最终大小要根据临界安全评估决定，总拨款1.69亿美元。洞室最终设计已于2019年1月完成，2019财年启动挖掘工程，2021财年完成建造。

四、美国国家点火装置（NIF）

美国国家点火装置位于美国加利福尼亚州北部劳伦斯利弗莫尔国家实验室，它通过把192条激光束聚焦到一个很小的点上，产生可控氢核聚变反应。NIF由美国能源部下属的国家核安全管理局投资，自1997年起建设，2009年落成，是世界最大的激光聚变装置。

2012年，NIF将研究方向转向核武维护，并为清洁聚变核弹积累实验数据。内达华核试验设施中进行的核试大都聚焦在一级核裂变方面，而NIF进行的实验则是研究二级聚变反应，虽然试验不全是处于亚临界状态，但整体可控。

美国国家点火装置

2009年9月，在NIF进行的首次储存管理实验期间，科学家开始使用NIF来验证NNSA在非点火条件下有关核武器性能的数据和模型。但是，利弗莫尔和国家核安全局的官员说，只有点火实验才能帮助解决预测武器性能的某些不确定性领域，特别是当武器处于储存年龄或进行翻新时。

激光核聚变装置建立的初衷是实现可控核聚变，为人类应用清洁能源做出贡献，但随着技术的不断进步，激光核聚变的效能相对于托克马克装置实现的磁约束核聚变没有任何优势，所以全球的激光核聚变装置开始将研究重点放在核武器维护和新型核弹的研发上。

HELEN的目标室

除了美国以外，世界其它国家的激光核聚变装置如法国核武器研究所的MLF、英国原子武器中心的HELEN等也大都打着核能商用的幌子进行核武器实验，装置积累的数据可以用来维护现有核武器的性能，也可以用来制造新式清洁聚变弹。

结语

亚临界核试验是美国为了避开《全面禁止核试验条约》而进行的无自持链式反应的核试验，在位于内华达的地下核试验洞库中进行，主要用来研究武器级钚在高能炸药冲击波下的物化性质，以维护现有核武器的可用性。美国NIF是全球最大的激光核聚变装置，主要用来研究现有核弹中二次聚变反应的机理和特性，维护美国庞大的核武库，同时为美国清洁聚变弹的研究提供科学数据。