谢邀。
题主有N个小问题,那我就先挖坑回答一部分,然后再慢慢填坑。
这个回答主要是拿美帝举例,相对而言美帝核武器比较透明。虽说美帝的数据只能代表美帝一家,有局限性,但也算是提供了一个参考。答案篇幅有点长,图片也有点多,正在填坑中,答主先把目录放上来:
1.1 冷战中前期美帝核武器产能
1.1.1 W-25
1.1.2 W-31
1.1.3 MK-28/W-28
1.2 冷战中前期美帝核武器产能
1.3 冷战末期美帝核武器产能
1.4 21世纪美帝核武器产能
(联动答案链接如下)美国的核弹制造公司有哪些?
1.4.1 核安全企业的减少
1.4.2 钚弹芯产能的骤降
1.4.2.1 本章节关键信息提炼
1.4.2.2 钚弹芯科普
1.4.2.3 目前美帝钚弹芯的储量(正在填坑)
1.4.2.4 目前LANL的钚弹芯产能(正在填坑)
1.4.3 氚产能的骤降
1.4.4 核安全企业的预算不足(正在填坑)
2.1 设计役龄≠“保质期”
2.2 美帝现役核武器均产自冷战结束前,役龄均在28年以上
2.3 从美帝正在进行的三个LEP(延寿项目)来看“氢弹保质期”
2.3.1 W76 LEP(正在填坑)
2.3.2 B61 LEP(正在填坑)
2.3.3 W80 LEP(正在填坑)
对于这个问题其实是没有明确答案的。首先美帝核武器型号很多,不同型号核武器生产情况各不相同,且至今没有一份解密文献详细说明现役核武器的具体生产过程;其次核武器分纯裂变武器(原子弹)、裂变/聚变混合武器(比如氢弹),不同类型的核武器结构不同,生产难度也不同;最后,不同时期世界局势不同,对核武器产能的需求不同,技术水平也不同,这就导致不同时期核武器的产能有高有低。因此,我在这里就抛砖引玉得罗列一些美帝核武器相关的产能数据以及量产时间点,以供答主参考。
1.1 冷战中前期美帝核武器产能
美帝核武库井喷式增长是在1958年到1962年,在这5年时间里,美帝核武库从1958年的7345枚飙升至1962年的25540枚,而1965年到1967年这三年也是美帝现役核武器总量的峰值,保持在3万1枚以上,随后美帝核武库逐年减少,核武器产量也就再也没有回到50年代末60年代初那种年产量数千枚的夸张水平。
1958年到1962年这5年间,美帝核武器年产量的峰值是1959年,该年美帝核武库净增长量是5646枚,次年1960年的净增长量则为4966枚。可以这么理解,在美帝核武器生产火力全开的50年代末60年代初,算上正常退役,每年净增长五千枚各型核弹是洒洒水的。但需要注意的是,1958年到1962年美帝核武器年净增长量之所以能年年突破3000枚,一部分原因是低技术水平战术核武器的大规模生产,这些战术核武器往往是低当量的纯裂变弹(原子弹),生产难度较低。
下面举三个具体的例子,来直观得展示一下50年代末美帝的核武器产能——W25、W31和W28。
1.1.1 W-25
W-25弹头当量1.5千吨,是AIR-2 (MB-1) Genie 妖怪空空导弹所载的核弹头(AIR-2实为无控火箭)。W-25是无氘氚气体助爆的内爆式纯裂变弹(原子弹),虽说是美帝首枚应用了封闭式弹芯 (sealed pit) 的核弹头,但纯裂变弹总体而言生产难度较低。在1957年到1960年间量产,生产时间共计3年,总产量3150枚,年产量1050枚。
1.1.2 W-31
W-31弹头当量,多种当量设定,最小当量1千吨,最大当量4万吨,是MIM-14 Nike Hercules奈基-大力神地空导弹所载弹头,也是MGR-1 Honest John诚实约翰无导火箭所载弹头。与W-25不同,W-31是氘氚气体助爆的裂变弹,即增强型原子弹(boosted fission weapon),技术难度相较W-25而言更高。量产时间是1958年到1961年,生产时间共计3年,总产量4200枚,年产量1400枚。
1.1.3 MK-28/W-28
MK-28和W-28家族中,除了Y4型号是纯裂变弹之外,其余皆为热核武器(氢弹)。它是美帝冷战时期改进周期最长的核武器家族,既有战术核武器,又有战略核武器,在其服役的33年时间里共衍生出20个型号。其量产时间是1958年1月到1958年3月,以及1958年8月到1966年5月。在量产初期,MK-28裂变初级的安全问题被发现,随后停产5个月。MK-28生产时间共计8年,产量为5300枚(4500枚MK-28+800枚W-28),平均年产量662.5枚。
这里说明一下,美帝冷战初期的核炸弹均为MK开头,比如58年量产入役的MK-28,再比如62年量产入役的MK-53。但在1968年,核炸弹的编号统一改为B开头,比如MK-28被改为B-28,MK-53被改为B-53。
1.2 冷战中前期美帝核武器产能
上文提到,美帝核武器产能峰值是在1959年,而从1965年开始,美帝核武器年净增长量就已经衰减到1000枚以下了。而从65年以后投产的这些核武器型号,大多数直到今天都还在服役。不过年净增长量的下降并不代表着美帝核武器产能已完全不如60年代初。以W-68为例,W-68是波塞冬/海神潜射弹道导弹所载弹头,是仅重166千克,最大当量5万吨的热核武器(氢弹)。在1970年6月到1975年6月间量产,共5年,产量为5250枚,是美帝历史上规模最大的核武器生产项目,平均年产量为1050枚(规模排第二的是上文提到的MK-28)。
1.3 冷战末期美帝核武器产能
代表着美帝现役核武器最高水平是W88弹头。1984年3月洛斯阿拉莫斯LANL开始研发W-88,而首枚W88产于1988年9月,量产则在1989年4月开始,直到1989年11月时,负责生产W88的洛基弗拉茨/洛基滩工厂(Rocky Flats)在FBI的突袭检查中被关停后,量产才被迫中止。W88在这8个月的时间里,总产量是400枚,换算一下年产量是600枚。很显然,相比于同为潜射弹道导弹弹头的W68而言,美帝在冷战末期生产W88时的产能已经下降了很多。
这里再小小得说明一下,洛基弗拉茨工厂在冷战时期一直是美帝重要的核武器生产设施,而其带来的钚污染也在70年代末招致数次反核抗议运动。简言之,因为该工厂涉及氢弹裂变初级关键部件——钚弹芯的生产,因此针对钚污染的抗议从70年代末起就没停过,比如1983年就有1万7千人包围工厂进行反核抗议。而在1987年,工厂内部人员开始向EPA(美帝环保局)和FBI透露工厂内不安全的生产环境。两年后的1989年,在美帝司法部的支持下,FBI突破守卫工厂的DOE安保人员的阻拦(能源部雇员的辣鸡战斗意志),以针对工厂管理人员Dominick Sanchini的搜查令为由对洛基弗拉茨工厂进行了全方位的搜查。最后,因为违法美帝的反污染法等在内多项环境犯罪 (environmental crimes),工厂被关停,而其负责的W88弹头生产也一同中止。1992年时,老布什一声令下“不用再等着W88恢复生产了”,于是洛基弗拉茨工厂瞬间裁员4千5。所以,环保主义者的好朋友——FBI?
1.4 21世纪美帝核武器产能
1.4.1 核安全企业的减少
如果说冷战末期美帝的核武器产能出现了下滑,那么冷战结束后就只能用“骤降”来形容了。在国会报告中,美帝参与核武器生产的企业被称为核武器综合体Nuclear Weapons Complex,而在美帝能源部和国家核安全局NNSA的报告中,核武器综合体被称作核安全企业Nuclear Security Enterprise。目前尚在运作中的核安全企业只剩下八家,而辅助的支持性性企业也只剩下两家。关于美帝核安全企业的简介,可以参考我另一个问题下的答案,不过那个答案也是半成品(见谅xD)。
我们先来看看冷战刚结束时,1996年美帝核安全企业分布情况:
然后我们再看一下2016年的场景,地图一下子干净了很多呢:
1.4.2 钚弹芯产能的骤降(本章节仍然是半成品状态,篇幅已经远远超过答主预期了)
看完地图,那么就再用数字来具体说明一下目前美帝的核武器产能,本章节就直接拿前文已经提到的“钚弹芯”举例。
1.4.2.1 本章节关键信息提炼
曾经-在1965年到1989年之间,洛基弗拉茨工厂是美帝唯一的钚弹芯生产地,钚弹芯产量曾一度达到年产1000枚。当时除负责生产环节的洛基弗拉茨工厂外,还有5家支持性的安全企业涉及钚弹芯生产,分别是皮内拉斯工厂(Pinellas Plant)、汉福德区(Hanford Site)、萨凡纳河区(Savannah River Site)、洛斯阿拉莫斯(LANL)和劳伦斯利佛摩(LLNL)。
现在-1996年后全美只有洛斯阿拉莫斯的Plutonium Facility 4这一设施拥有钚弹芯生产能力,2007年美帝钚弹芯产量恢复至年产11枚,目前年产量是11-30枚。
未来-国防部要求在2021年前将钚弹芯产量提高到30枚,而能源部今年表示一定要在2030年前,将年产量提升到年产80枚,除了要把LANL的产量稳定到30枚外,还要让萨凡纳河区实现年产50枚的“宏伟目标”。
1.4.2.2 钚弹芯科普
首先还是得介绍一下“钚弹芯 (plutonium pits)”这个概念,解释一下它的重要性。美帝目前服役的这些现代核武器(氢弹)一般都是由两部分构成的,裂变初级与聚变次级。而“钚弹芯”就是裂变初级的最核心部件,没有之一。目前美帝绝大多数钚弹芯的材料是94%钚239的武器级钚,也有少部分达到98%。
钚弹芯本质上同扔在长崎的胖子原子弹一样,是一枚内爆式结构的裂变弹,由它构成的裂变初级在现代核武器(氢弹)里起到了“扳机”的作用。简单说,没有“钚弹芯”就没有裂变初级,没有裂变初级就没法“引爆”聚变次级,聚变次级不引爆那氢弹就无从谈起。所以,钚弹芯的产能是衡量一国核武器工业化生产的标杆。换言之,无论是对维护现有核武器,还是对新建核武器而言,钚弹芯的产能都是至关重要的。
关于钚弹芯的构造,这里引用1997年洛斯阿拉莫斯文献中的表述:
Pits can generally be characterized as nested shells of materials in different configurations and constructed by different methods
LANL的这段表述证明了弹芯是由不同材料的壳体嵌套而成的。除了钚这个在“钚弹芯”名称中就已经出现的材料外,还有铍、铝等其他材料。钚弹芯的核心部件是钚239球体,通常是中空的,而其外嵌套的壳体还包括通常以铍为主的中子反射层neutron tamper,以及其他材质的金属包层metal cladding(比如不锈钢、铝或钒)。下图大体上展示了钚弹芯“壳体嵌套”的构造,但是真实性有待考证。
再讲一下钚弹芯的生产,在铸造时钚弹芯一般是做成两个中空的半球体。在1989年之前的量产时代,洛基弗拉茨工厂是用锻造铸造法wrought process来生产钚弹芯的;而在今天的洛斯阿拉莫斯LANL,则是用模具铸造法cast process来生产。如果将生产完成后的化学检测以及X光检测步骤都计入的话,那生产一枚钚弹芯通常需要3个月的时间。
顺便再科普一下钚弹芯的使用年限。美帝国防部和能源部在2008年的National Security and Nuclear Weapons in the 21st Century一文中说明,钚弹芯的最低使用年限是85到100年。2012年劳伦斯利佛摩的研究则证明,现役钚弹芯的使用寿命能达到150年。而LLNL的前所长Penrose Albright在2013年听证会上表示,不管是洛斯阿拉莫斯还是劳伦斯利佛摩,两个国家实验中都保存有役龄已达40年、50年和60年的钚弹芯样本,而这些样本均未表现出老化问题,并强调这些钚弹芯还能再用好几十年("these pits are good for many, many more decades to come")。所以从这个角度说,美帝现役的绝大多数钚弹芯,其设计寿命至少都在85到100年以上,再用半个世纪不是问题。(本段文献索引直接扔在文末的reference list,感兴趣的知乎er可以按照年份查找)
稍微总结一下,钚弹芯这个氢弹重要部件最低85-100年的设计寿命能在一定程度上回答题主所问的“氢弹的保质期为多久?”这个问题。另外,氢弹作为一个整体的设计寿命是20到60年,这将在本答案的第二章节会详细介绍。
1.4.2.3 目前美帝钚弹芯的储量
位于德克萨斯的潘太克斯工厂Pantex Plant是冷战至今美帝非常重要的核安全企业,在1993年以前,潘太克斯工厂就拆解了超过5万枚核武器。而美帝和苏修于1991年签订的《第一阶段削减战略武器条约》START I后,退役核武器数量猛增,使得潘太克斯在90年代开始专精退役核武器拆解。仅在1990到1999这10年间,潘太克斯工厂便拆解了总计11875枚核武器,见下图:
这些被拆解核弹的钚弹芯大多被送往了该工厂的第四区 (zone 4)进行“暂储”。在1997年,潘太克斯被确定为钚弹芯的长期存放场所,“暂储”也就从此变成了最长可达50年的长期贮存。钚弹芯存储地位确定之后,1997年到1999年间,还没死透的洛基弗拉茨往潘太克斯运输了1200枚钚弹芯,而萨凡纳河区 (又一个重要核安全企业,下一章1.4.3会提到)也在1998年往潘太克斯运输了60枚钚弹芯。所以截至1999年,潘太克斯工厂内存储的钚弹芯总量已经超过12000枚。其中7000到8000枚是属于“过剩”性质的弹芯,即过剩弹芯surplus pits。而如果考虑到本世纪初START II条约的执行,那么潘太克斯工厂内的钚弹芯储量起码再上升2000到2500枚。倘若再算上目前美帝正在执行的new START条约,将2550枚已退役待拆解的核弹计算在内,那么潘太克斯的钚弹芯储量预估还要再增加。不难看出,倘若未来美帝想恢复冷战时期的核武库,那么至少钚弹芯是不用发愁的,过剩的钚弹芯储量也确实给了美帝迟迟不恢复钚弹芯弹芯产能的底气。
当然,既然有核武器的拆解,那么也肯定有核武器部件的拆解,钚弹芯也不例外。美帝计划将过剩弹芯中的钚移除,把移除后的钚制成MOX燃料,用于核电站的商业发电(钚弹芯的拆解就不赘述了,以后有空再科普)。但是问题在于,虽然能源部于1996年声明“过剩弹芯”为21.3公吨,但随后又将部分过剩钚弹芯重新划归国家安全资产national security assests,而国安资产是不在拆解范畴内的。所以美帝能源部这样虚晃一枪之后,外界就不知道1996年声明中的21.3公吨到底有多少可信度了。
这里稍微扯开去一下,并不是说美帝就能分分钟恢复冷战核武库,毕竟核武器制造是牵扯很多部件的,钚弹芯只是其中一环,其他部件产能跟不上钚弹芯储量再多也白搭。美帝在冷战后所面临的核武器产能下降问题是客观存在的,甚至可以极端得表述为,美帝全靠不断缩小核武库来吊着半口气。相较氚产能的恢复以及氢弹次级的制造而言,钚弹芯产能的骤降其实并不算什么亟待解决的问题。虽说库存钚弹芯的老化的确会影响美帝核武器维护和制造能力,但这和每过12.43年氚储量就减半这种悲剧相比,真的不算个事儿。
既然已经提到潘太克斯了,那就再顺便科普一下潘太克斯的最大设计储量。在1992年,能源部考虑到未来军控条约的执行(比如前面提到的START I),认为潘太克斯工厂未来钚弹芯最大储量可能会达到2万枚,因此提出了60座地堡且每座地堡储存至多440枚钚弹芯的设计。地堡被称作钢拱军械库steel arch construction,简称SAC magazines。下图就是钚弹芯的贮存地堡,以及钚弹芯储存容器的堆放示意图,图中的pit drums是AL-R8钚弹芯存储容器的别称。
下面再好好科普一下钚弹芯的存储容器。下图展示的就是上文所提到的AL-R8钚弹芯存储容器,以及存储其内的钚弹芯,AL-R8由DOW陶氏化学在60年代末开发。在冷战时期,该型存储容器被广泛应用于洛基弗拉茨以及潘太克斯工厂之间的钚弹芯运输。在1991年后,AL-R8则被停止用于钚弹芯运输,仅作为潘太克斯工厂内的弹芯存储容器。
除了AL-R8这个型号外,美帝还有另外两型更新更贵的钚弹芯存储容器,分别是FL-Type和AT-400A型容器。不同于上图中AL-R8单一的存储桶,这两个新型号均有内桶与外桶两个部分组成,能够更好得屏蔽射线(主要是α射线)。美帝的OTA在1993年的文献中表示,AL-R8成本低廉,仅约300美金,而FL-Type则高达5000美金,因此高成本的FL-Type并没有在潘太克斯工厂的钚弹芯存储中扮演主要角色。
AT-400A的内桶较为特殊,装入弹芯后,内桶会被彻底焊死,只预留了内桶上方的取样管以供定期检测桶内环境,因此就安全性而言是远超过前两型弹芯存储容器的。在90年代中后期,AT-400A投入试用,比如1997年时,潘太克斯引进了20个试用型的AT-400A,装入W48核炮弹的弹芯后封死。顺便提一句,从钚弹芯存储容器内桶的直径和高度,我们也能大致把握钚弹芯的实际大小。
1.4.2.4 目前钚弹芯的存储问题
前文提到,钚弹芯的材质不仅仅是钚239,还会涉及其他金属,这些金属往往就是构成钚弹芯中子反射层的主要材料。钚弹芯内反射层的作用与氢弹次级反射层类似,反射四散逃逸的中子,提高反应效率,继而减少所需的裂变物质。下图展示了弹芯次临界物质的质量与反射层厚度的关系:
铍就是一种非常典型的钚弹芯反射层材料,特别是在美帝冷战中前期所生产的钚弹芯中应用较广。截止2001年,美帝共有48种钚弹芯,其中现役核武器所涉及的钚弹芯共计10种,而在这48种弹芯中,有至少5种弹芯被确定使用了铍包层,W-48核炮弹的弹芯、W-44反潜火箭弹头的两型弹芯以及MK-43核炸弹的两型弹芯,而W55和W79的弹芯也疑似应用了铍制反射层。
铍制包层其实存在着诸多问题,除了铍中毒这种健康影响以外以外,钚弹芯的装卸过程中,铍制包层的钚弹芯相比其他类型的弹芯更容易因撞击而破裂。此外,铍对温度变化的敏感的特点也给钚弹芯存储带来了很多困难。比如1992年,一枚W48核炮弹的钚弹芯在核弹拆解过程中破裂,钚弹芯外侧铍制包层上0.6毫米宽25厘米长的裂缝导致了钚沾染。钚弹芯外是有一圈球状装药的高爆炸药的,核弹引爆时就是靠这圈高爆炸药来挤压钚弹芯,继而让次临界质量下的钚239密度增加,达到超临界质量实现链式反应。而在核武器拆解过程中,就涉及了通过快速冷却并快速升温的方式来安全移除高爆炸药的操作。这种温度的骤降骤升便是W-48弹芯外铍制包层破裂的原因之一。1992年的事故之后,潘太克斯工厂就为W48弹芯设立了150华氏度(65摄氏度)的夏季温度上限,高于这一温度上限就需要采取主动冷却的措施。
实际上,钚弹芯存储时碰到的最大问题就是对温度的敏感性了,只是这一问题在铍制包层的钚弹芯上更加突出。大家可能觉得上文提到的65摄氏度有点不可思议,可能觉得就算德克萨斯再热也不至于室温超过60度,但就像评论区知友提到的那样,由于自然衰变,钚本身就是热源。一般来讲,每个钚弹芯可产生18瓦的热能,而前文已经提到,潘太克斯工厂内的钚弹芯存储地爆至多可存放440枚弹芯,因此地爆内数千瓦的热能足以使地爆内的室温高于环境温度。钚弹芯容器(比如前文提到的AL-R8)都有防火设计,能防止外部热源影响钚弹芯,并在发生火灾时提供保护,反过来,这种设计也在一定程度上起到了防止内部热量散逸的效果。因此,存储于潘太克斯工厂第四区的弹芯容器,其内平均温度往往超过了50摄氏度,甚至达到过65摄氏度。
"Some high-wattage pits, with average temperatures greater than 50 degrees C, are known to have reached temperatures near 150 C while stored in Zone 4."
洛斯阿拉莫斯和劳伦斯利佛摩这两家国家实验室都表达过其对钚弹芯存储时过热问题的担忧,在1995年Jerry Dow(来自LANL)和Salazar Lou(来自LLNL)写给能源部的信中,就建议,应该将钚弹芯存储场所的温度控制在18到24摄氏度(65-75华氏度)之间。而在1998年的时候,也的确出现过30枚W76钚弹芯被搬离潘太克斯第四区,以避免夏季热浪的不利影响。
"... due to potential temperature concerns during the recent heat wave."
1.4.2.5 目前LANL的钚弹芯产能
冷战结束前,洛基弗拉茨工厂在1954年到1989年共计35年的时间里因其生产的高质量钚弹芯而享有盛名,当然在环保界,它也因不安全的生产过程以及钚污染而臭名昭著。1992年洛基弗拉茨彻底完蛋之后,美帝能源部在1996年将钚弹芯产能转移到了洛斯阿拉莫斯国家实验室。
(未完,正在填坑)
1.4.3 氚产能的骤降
氚是美帝现代核武器(氢弹)中另一个关键组成部分,其对于裂变初级的重要性仅次于前文提到的钚弹芯。前文已经提到,美帝的现代核武器均为初次两级设计的氢弹,而为了实现弹头小型化,裂变初级就必须尽可能得小。所以,在保证裂变初级当量的前提下,需要尽可能得减少裂变材料(钚-239)的使用,尽可能得减少钚弹芯的大小。除了用98%钚239的supergrade超级钚之外(比如美帝现役的W80弹头就用上了supergrade钚),另一个方法就是在裂变反应时注入氘氚混合气体,继而提高反应效率,也就是所谓的助爆。这种加注氘氚助爆剂的设计在本质上属于“增强型裂变弹”范畴。但是问题来了,氚的半衰期是12.43年,每年以5.5%的速率衰变成氦3,因此如果不定期更换氘氚助爆剂,那么助爆剂就会因为氚不断衰变的问题,而逐渐失效。
这里再强调一下,并不是所有氢弹都需要应用助爆剂。氘氚助爆剂只是目前美帝现役核武器(氢弹)为了实现小型化的“必需品”,定语是“美帝现役核武器”以及“为了实现小型化”。另外,就算一定要把氢弹的裂变初级做成增强型裂变弹,一定要给裂变初级用上助爆剂,那么氘氚混合气体也只是美帝为了实现弹头小型化所做的选择。换言之,氘氚混合气体并不是助爆剂的唯一选择。对核武器感兴趣的知乎er应该知道,氢弹实现聚变反应主要是通过D-T反应(氘-氚反应),但倘若直接取用氘和氚作为氢弹聚变燃料,那么成本将会变得极其高昂,也难以保存。比如人类历史上首次真正意义上的氢弹核试验——1952年的ivy king核试验,其试爆核装置Sausage的聚变次级用的就是自带巨型冷却设备的液态氘(顺便再说明一下,sausage的裂变次级是非助爆的TX-5纯裂变弹,这再一次说明了助爆剂不是氢弹的“必需品”)。很显然,直接以氘、氚作聚变燃料的热核装置是没有任何实战前景的,毕竟整个sausage核装置算上冷却设备总重82吨,投放都成问题的核装置是不可能被武器化的。所以,在1954年的castle bravo核试验中,美帝就把SHRIMP核装置的聚变燃料改成了氘化锂,而目前五常现役的氢弹,一般都使用氘化锂-6作为聚变燃料。氘化锂-6是固体,成本低廉且易于保存。锂-6受中子轰击生存氚(Li-6 + n -> T + He-4 + 4.78 MeV),因此氘化锂-6能为氢弹的D-T反应提供必须的氘和锂,同时,既解决了液态氘的低温保存问题,也规避了氚12.43年半衰期的问题。言归正传,回到助爆剂这个话题上,助爆剂也能用类似氘化锂-6的方法来规避氚的半衰期问题,即使用各种铀的氢化物粉末,比如氘化铀。氘化铀粉末在高温环境下能快速释放氘,由此解决助爆剂问题。
在冷战时期,美帝主要有两个氚生产点,南卡罗来纳州萨凡纳区Savannah River Site(SRS),以及华盛顿州的汉福德区(Hanford Site)。但因为环保以及安全方面的顾虑,当最后一座位于萨凡纳区(SRS)的反应堆在1988年停运后,美帝能源部实际上已经失去了氚的生产能力。当然,虽说氚已停产,但氚的回收工作还在进行。整个90年代到本世纪初,SRS是全美唯一的氚回收及提纯中心,SRS不断回收退役核武器中的氘氚助爆剂,提取其中的氦3,再将提纯后的氚重新与氘混合,加注到现役核武器中去。由于冷战结束后美帝核武库不断减小,这种啃老本的方式勉强还够维持核武库的正常维护,但本世纪开始,随着三大LEP(核弹延寿项目,本答案第二章详细介绍)项目的上马,啃老续命的方式以及难以为继。所以在2003年,能源部及其下辖的NNSA国家核安全局开始在位于田纳西州的瓦茨巴Watts Barr核电站一号堆开展氚的生产项目。NNSA为了保证现役核武库的正常维护,当前目标是,要在2025年之前,让瓦茨巴核电站在两个为期18个月的生产周期内生产2800克的氚。为此,NNSA正在寻求美国核能管理委员会的批准,想要获得瓦茨巴核电站二号堆的使用权。
这里拿具体的核武器举个例子,让大家感受2800克氚是什么概念。以1989年时美帝在役的400枚W79和W70中子弹为例,这两款中子弹的当量都在1千吨tnt左右,每一枚需要约15克氚,并于1992年全部退役。假设美帝计划重新让这些中子弹进入现役,那么美帝就需要为此额外准备6000克的氚,大家可以自行和上文提到的2800克生产计划作个对比。所以在网上看到评论说,“要是美帝苏修想打核大战,分分钟恢复冷战核武库”,这时候就可以拿美帝目前的钚弹芯和氚产能怼回去。
再顺便提一下,瓦茨巴核电站的所有权是在田纳西河谷管理局Tennessee Valley Authority (TVA)手里,如果高中历史学得好,一定能回想起罗斯福新政时期田纳西州的各种大坝及水力发电项目,而TVA就是那个时候成立并掌管这些项目的“美帝国企”。可见,能源部同TVA之间只是相互合作关系,不是上下级关系。因为瓦茨巴核电站不由能源部和NNSA管辖,所以它并不属于美帝的核安全企业,这也是为什么瓦茨巴核电站没有出现在1.4.1那几张地图中的原因。大家可以注意一下,萨法纳河区的标牌上印着的是DOE,而瓦茨巴核电站上写的是TVA。
最后科普一下目前美帝核武器中涉及氘氚助爆剂的两大主要部件,一是气体储槽gas reservoir,二是气体传输系统gas transfer system (GTS)。GTS是GTS目前主要由洛斯阿拉莫斯和桑迪亚负责研发(只要涉及核武器及相关系统的研发工作,目前不外乎三家国家实验室,洛斯阿拉莫斯LANL、劳伦斯利佛摩LLNL和桑迪亚SNL,本答案后半部分答主会偷懒只写缩写)。当然,这些国家实验室也涉及现役核武器中GTS可靠性的测试,比如以LANL在2011年访问SRS时的ppt数据为例,每年是进行8次测试。
(未完,正在填坑)
1.4.4 核安全企业的预算不足
(未完,正在填坑)
就美帝而言,氢弹的服役期限是20到60年,可以简单理解成氢弹的“保质期”是20到60年。
2.1 设计役龄≠“保质期”
但还是要先作个小小的说明,所谓服役期限20年并不代表氢弹在20年后就失效或无法使用了,换言之,设计役龄不代表实际寿命。在冷战语境下,美苏双方在核武器上的投入相当大,服役20年后便被新式核武器所取代是非常正常的事情。而在核武器技术突飞猛进且核武器军费投入极高的50年代,美帝甚至有不少核武器仅服役不到5年,比如1956年入役1960年便退役的MK-11钻地弹,再比如1954年量产1957年便退役的MK-17氢弹。
进入冷战中后期,核武器投入减少,技术进步减速,美苏间军备竞赛进程放缓,于是核武器服役时间也越来越长。W-48 155mm核炮弹就是例子之一,W-48量产于1963年到1968年,其服役时间一直持续到1992年,役龄达24到29年。很显然,它的服役时间已经远远超过了冷战中前期那些仅服役10年甚至5年的前辈们。而冷战结束后,新式核武器研发骤停,比如1991年9月突然下马的W-89/W-91,使得用于更新换代的新式核武器再也不会出现。用于替代W-48和W79核炮弹的W-82 155mm核炮弹就是很好的例子。W-82在1977年上马,1990年9月随着冷战进入尾声而取消,很显然,假设冷战不结束,假设W-82顺利研发并投入量产,那么W-48核炮弹就会在90年代初被全新的W-82所全面取代。但因为冷战结束,西欧大规模地面冲突的可能性不复存在,所有战术核武器一夜之间都失去了价值,W-48不光没能等来后继者,自己也在1992年和其他战术核武器一起被全部退役。再比如W-62,W-62作为战略核武器,比W-48幸运得多,没有在1992年的战术核武器退役大潮中被淘汰,在2008年仍有214枚W62在役。但毕竟W-62量产于1970年到1976年之间,是1970年美帝民兵3洲际弹道导弹部署之初就已经入役的弹头。虽说W-62的搭载平台——民兵3直到今天仍然在役,是美帝陆基战略核力量的唯一组成部分,将一路服役到2030年,但W-62已从2006年起开始全面退役,且于2010年全面退役,也就是说W-62役龄是34到40年。
2.2 美帝现役核武器均产自冷战结束前,役龄均在28年以上
前面我已经提到,冷战结束后美帝核武库迎来了退役大潮,且新核武器研发项目统统下马。在这种大背景下,生产新的核武器显然是不可能的,换言之,美帝目前所有现役的核武器(氢弹)均生产自冷战前。
最后两款停止量产的核武器分别为W80和B83,W80量产停止于1990年9月,而B83量产停止时间则是1990年年末或是1991年(具体停止时间未知)。从这两款现役核武器的停产时间可以看出,目前美帝核武库中哪怕最年轻的弹头也是生产自28年前,美帝现役核武库中所有核武器的役龄都超过了28年。所以假设我们要给“氢弹的保质期为多久?”这个问题一个明确的答案,那么在每年正常对核武库进行维护的前提下,就美帝现役氢弹而言,其保质期最短为28年。
补充说明一下,虽然W80和B83是美帝最晚停产的两型核武器,但它们并不是美帝核武库中最先进的型号,这两型核武器的设计均早于W88,且量产时间也均始于1983年,因此W88仍然是美帝现役核武库中最先进的型号。
2.3 从美帝正在进行的三个LEP(延寿项目)来看“氢弹保质期”
(未完,正在填坑)
2.3.1 W76 LEP
2.3.2 B61 LEP
2.3.3 W80 LEP
4.1 用词纠正
4.2 3+2 programe
相关内容:
Reference List:
Norris, R.S. and Kristensen, H.M., 2009. US nuclear warheads, 1945-2009. Bulletin of the Atomic Scientists, 65(4), pp.72-81.
Lindley, D. and Clemency, K., 2009. Low-cost nuclear arms races. Bulletin of the Atomic Scientists, 65(2), pp.44-51.
Schwartz, S.I., 1998. Atomic audit: the costs and consequences of US nuclear weapons since 1940.
Bodman, S.W. and Gates, R.M., 2008. National Security and Nuclear Weapons in the 21st Century. US Department of Energy and US Department of Defense, p.10.
Heller, A., 2012. Plutonium at 150 years: going strong and aging gracefully. Science & Technology Review, p.12.
U.S. Congress. 2013. Hearing to Receive Testimony on National Nuclear Security Administration Management of Its National Security Laboratories in Review of the Defense Authorization Request for Fiscal Year 2014 and the Future Years Defense Program. p.14.
Hansen, L.F., 1995. A comparison of the shielding performances of the AT-400A, model FL and model AL-R8 containers (No. UCRL-JC-120849). Lawrence Livermore National Lab.
Buntain, G.A., et al. 1995. Pit Storage Monitoring (LA-12907 UC-721). Los Alamos National Laboratory.
Dow, J. and Lou, S. 1995. Letter to Department of Energy. Re:Storage Facility Environmental Requirements for Pits and CSA's.
Los Alamos National Laboratory. 1997. The Advanced Recovery and Integrated Extraction System (ARIES) Fact Sheet (LALP-97-24).
Toevs, J.W., 1997.Surplus weapons plutonium: Technologies for pit disassembly/conversion and MOX fuel fabrication (LA‐UR‐97‐4113). Los Alamos National Laboratory.
Brandon, E., 1998.Welding the AT-400A Containment Vessel (No. SAND98-2446). Sandia National Laboratories.
US Congress, Office of Technology Assessment, 1993. Dismantling the Bomb and Managing the Nuclear Materials.
Kristensen, H.M., 2018, United States nuclear forces, 2018. Bulletin of the Atomic Scientists, 74(2), pp.120-131.