物理

看穿北韓核武疑雲

新式反微中子偵測器將能找出刻意隱藏的核武計畫。

撰文/恩斯巴克(Jesse Emspak)
翻譯/洪艾彊

物理

看穿北韓核武疑雲

新式反微中子偵測器將能找出刻意隱藏的核武計畫。

撰文/恩斯巴克(Jesse Emspak)
翻譯/洪艾彊


故事發生在2030年,經過多年議論,北韓領導人同意停止製造武器級的鈽(Pu)元素,並且銷毀庫存。北韓政府邀請國際檢查人員監看這些核子燃料裝填在核反應器內,轉變成無法用於製造炸彈的狀態。然而,北韓把一些鈽秘密運往別處,裝填在核反應器的是低濃縮鈾。鈾元素會輻射出微中子和它們的反物質粒子(反微中子),這些無害且極輕的次原子粒子可以如鬼魅般輕易穿過鉛塊或岩石。國際檢查機構懷疑有詐,在北韓核反應器附近設置了一具箱型車大小的偵測器,在幾個月內透過來自核反應器的反微中子活動,確認欺騙情事。


把粒子物理的儀器用於打擊非法核武計畫,很可能在未來幾年內成真。最近一篇放在arXiv.org網站上、尚未發表的論文預印本,詳述如何建造能在幾個月內確定反應器內是否使用武器級燃料的反微中子偵測器。


目前對於這種偵測方式的需求越來越迫切,原因是北韓導彈科技逐漸成熟,伊朗也有能力發展核子武器計畫,因此驗證成為一項關鍵議題。美國國務卿提勒森(Rex Tillerson)於今年3月呼籲改採「不同的方法」,因為單靠外交施壓已經無法抑制北韓的核武企圖。


核反應器內的鈽元素這類放射性原子核衰變成較輕的元素時,會生成核裂變的副產物反微中子。一種稱為β衰變的過程,會釋出正子和微中子或電子和反微中子。因為只有核子燃料中的放射性元素才能以穩定速率釋出上述產物,反微中子儼然成為核反應器燃料的指標。


利用反微中子做為監督核武發展的重要指標,是由美國主導的「水切侖科夫反微中子監視器」(WATCHMAN)計畫的重點項目。WATCHMAN儀器配備一個儲水槽,裝盛數千公噸含有釓(Gd)元素的水,理論上能偵測到1000公里外非法核反應器釋出的反微中子。由於很難藉外交手段要求有戒心的國家,允許檢查人員在嚴密守衛的核反應器旁放置大型水槽,因此遠距監測是較為便利的方法。


當反微中子撞擊質子──大型水槽內任何一個水分子中的氫核,質子會轉變成中子和正子。正子移動非常快,會釋出稱為切侖科夫輻射(Cherenkov radiation)的光;當帶電粒子的速度超過光在某種介質中的速度,就會產生類似聲爆的現象。沒有東西能比真空中的光速更快,但是在水、玻璃或空氣這類介質中,光的行進速度會變慢,因此就有可能被超越。來自反微中子撞擊事件的正子,將在WATCHMAN的水槽中釋出一道閃光,同時,水中的釓元素將吸收中子,隨即釋出第二道閃光。這兩道特殊的閃光成為核反應器存在的鐵證,也能指出核反應器的方位。


WATCHMAN可以顯示核反應器的位置,以及是否正在運轉,但是無法說明燃料的實際成份,例如高濃縮的鈽或鈾。這篇論文的共同作者之一、美國洛沙拉摩斯國家實驗室博士後研究員賈夫克(Patrick Jaffke)建議,在靠近核反應器的位置擺放小型偵測器,藉由分析反微中子的活動,確定核燃料的種類。他的設計將測量初始的切侖科夫閃光的光譜和形狀,從而得知撞擊質子的反微中子能量。把偵測到的正子能量分佈製成圖表,檢查人員便可從核反應器內的已知燃料種類,估算出反微中子總量。


賈夫克建議把水換成塑料或別種富含質子的碳氫化合物,這樣不但提升反微中子的碰撞機率,也可以讓儀器縮小幾個數量級。小型偵測器就有機會擺放在核反應器數十公尺的範圍內。雖然這具偵測器的體積可以縮小,但背景雜訊仍是問題。例如,宇宙射線撞擊事件產生的中子,就與微中子反應的產物之一相同。


勞倫斯利佛摩國家實驗室的戴斯理(Steven Dazeley)在2016年主導WATCHMAN背景問題的分析,他表示,把反微中子偵測器埋在核反應器附近的地底下、深度大約5~10公尺,便能解決這個問題。或者在偵測器外加裝屏障,也會有所幫助。


還有由世界各地數個團隊提出的各種方案,包括需要加裝一些屏障、或甚至完全不用;他們已經發展了許多偵測微中子和反微中子的技術,應用於物理研究上。

賈夫克說:「過去人們納悶反微中子有什麼用途?」如今發現可以用於監測武器級核子燃料,「真是太炫了。」不過我們還是希望,不要發現任何核武材料。


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