Upphovsman:CC0 Public Domain
Hur kontrollerar vapeninspektörerna att en kärnvapenbomb har demonterats? Ett oroande svar är:Det gör de inte, för det mesta. När länder undertecknar vapenminskningspakter, de ger normalt inte inspektörer fullständig tillgång till sin kärnteknik, av rädsla för att ge bort militära hemligheter.
Istället, tidigare förhandlingar mellan USA och Ryssland om vapenreduktion har krävt förstörelse av leveranssystemen för kärnstridsspetsar, som missiler och flygplan, men inte stridsspetsarna själva. För att följa START -fördraget, till exempel, USA klippte vingarna av B-52 bombplan och lämnade dem i Arizona-öknen, där Ryssland visuellt kunde bekräfta flygplanens uppdelning.
Det är ett logiskt tillvägagångssätt men inte ett perfekt. Lagrade kärnvapenspetsar kan inte levereras i ett krig, men de kan fortfarande bli stulna, såld, eller oavsiktligt detonerade, med katastrofala konsekvenser för det mänskliga samhället.
"Det finns ett verkligt behov av att förhindra sådana farliga scenarier och gå efter dessa lager, "säger Areg Danagoulian, en kärnforskare från MIT. "Och det betyder verkligen en verifierad demontering av själva vapnen."
Nu har MIT-forskare under ledning av Danagoulian framgångsrikt testat en ny högteknologisk metod som kan hjälpa inspektörer att verifiera förstörelsen av kärnvapen. Metoden använder neutronstrålar för att fastställa vissa fakta om stridsspetsarna i fråga - och, avgörande, använder ett isotopfilter som fysiskt krypterar informationen i de uppmätta data.
Ett papper som beskriver experimenten, "Ett fysiskt kryptografiskt stridsspetsverifieringssystem som använder neutroninducerade kärnresonanser, "publiceras idag i Naturkommunikation . Författarna är Danagoulian, som är Norman C. Rasmussen biträdande professor i kärnvetenskap och teknik vid MIT, och doktorand Ezra Engel. Danagoulian är motsvarande författare.
Höga insatser
Experimentet bygger på tidigare teoretiskt arbete, av Danagoulian och andra medlemmar i hans forskargrupp, som förra året publicerade två artiklar som beskriver datorsimuleringar av systemet. Testet ägde rum vid Gaerttner Linear Accelerator (LINAC) Facility på campus vid Rensselaer Polytechnic Institute, med en 15 meter lång sektion av anläggningens neutronstråle.
Kärnstridsspetsar har ett par egenskaper som är centrala i experimentet. De tenderar att använda särskilda isotoper av plutonium - sorter av elementet som har olika antal neutroner. Och kärnstridsspetsar har ett distinkt rumsligt arrangemang av material.
Experimenten bestod av att först skicka en horisontell neutronstråle genom en proxy av stridshuvudet, sedan genom ett litiumfilter som krypterar informationen. Strålens signal skickades sedan till en glasdetektor, där en signatur av uppgifterna, representerar några av dess nyckelegenskaper, spelades in. MIT -testerna utfördes med molybden och volfram, två metaller som delar betydande egenskaper med plutonium och fungerade som livskraftiga fullmakter för det.
Testet fungerar, för det första, eftersom neutronstrålen kan identifiera isotopen i fråga.
"På lågenergiområdet, neutronernas interaktioner är extremt isotopspecifika, "Säger Danagoulian." Så du gör en mätning där du har en isotopisk tagg, en signal som själv bäddar in information om isotoperna och geometrin. Men du gör ett ytterligare steg som fysiskt krypterar det. "
Den fysiska krypteringen av neutronstråleinformationen ändrar några av de exakta detaljerna, men tillåter fortfarande forskare att spela in en distinkt signatur av objektet och sedan använda det för att utföra objekt-till-objekt-jämförelser. Denna förändring innebär att ett land kan underkasta sig testet utan att avslöja alla detaljer om hur dess vapen är konstruerade.
"Detta krypteringsfilter täcker i princip de inneboende egenskaperna hos själva det faktiska klassificerade objektet, "Förklarar Danagoulian.
Det skulle också vara möjligt att bara skicka neutronstrålen genom stridsspetsen, registrera den informationen, och sedan kryptera det på ett datorsystem. Men processen med fysisk kryptering är säkrare, Danagoulian noterar:"Du kan, i princip, gör det med datorer, men datorer är opålitliga. De kan hackas, medan fysikens lagar är oföränderliga. "
MIT-testerna inkluderade också kontroller för att se till att inspektörer inte kunde omkonstruera processen och därmed utläsa vapeninformationen länderna vill hålla hemliga.
För att göra en vapenkontroll, sedan, ett värdland skulle presentera ett stridsspets för vapeninspektörer, som kunde köra neutronstråltestet på materialen. Om det passerar mönstringen, de kunde köra testet på alla andra stridsspetsar som är avsedda att förstöras också, och se till att datasignaturerna från dessa extra bomber matchar signaturen på det ursprungliga stridsspetsen.
Av denna anledning, ett land kunde inte, säga, presentera en verklig kärnvapenspets som ska demonteras, men bambusinspektörer med en serie identiska utseende falska vapen. Och medan många ytterligare protokoll måste ordnas för att få hela processen att fungera pålitligt, den nya metoden balanserar troligtvis både avslöjande och sekretess för de inblandade parterna.
Det mänskliga elementet
Danagoulian tror att sätta den nya metoden genom teststadiet har varit ett viktigt steg framåt för hans forskargrupp.
"Simuleringar fångar fysiken, men de fångar inte systeminstabilitet, "Säger Danagoulian." Experiment fångar hela världen. "
I framtiden, han skulle vilja bygga en mindre version av testapparaten, en som bara skulle vara 5 meter lång och kunde vara mobil, för användning på alla vapenplatser.
"Syftet med vårt arbete är att skapa dessa koncept, validera dem, bevisa att de arbetar genom simuleringar och experiment, och sedan få de nationella laboratorierna att använda dem i sin uppsättning verifieringstekniker, "Säger Danagoulian, med hänvisning till amerikanska energidepartementets forskare.
Danagoulian betonar också allvaret i nedrustning av kärnvapen. Ett litet kluster av flera moderna kärnvapenspetsar, han noterar, är lika med destruktiv kraften för varje beväpning som avlossades under andra världskriget, inklusive atombomberna som släpptes på Hiroshima och Nagasaki. USA och Ryssland har cirka 13, 000 kärnvapen mellan dem.
"Begreppet kärnkrig är så stort att det [normalt] inte passar in i den mänskliga hjärnan, "Säger Danagoulian." Det är så skrämmande, så hemskt, att folk stänger av det. "
I Danagoulians fall, han betonar också att i hans fall, att bli förälder ökade kraftigt hans känsla av att åtgärder behövs i denna fråga, och hjälpte till att stimulera det aktuella forskningsprojektet.
"Det fick en brådska i mitt huvud, "Säger Danagoulian." Kan jag använda mina kunskaper och min skicklighet och min fysikutbildning för att göra något för samhället och för mina barn? Detta är den mänskliga aspekten av arbetet. "