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The Washington Post, 1 November 2011
カリフォルニア州リバモア発 — ローレンス・リバモア国立研究所の核兵器設計者と科学者のグループは数年前、スーパーコンピューターを用いて核兵器が貯蔵庫から出されてから標的に命中するまでの過程をシミュレートする「もし～だったら」実験を実施した。
当局者によると、彼らは、米国で最も強力かつ最新鋭の兵器の一つであるB-83戦略核爆弾に影響を与える可能性のあるあらゆる条件を網羅したチェックリストを系統的に作成した。科学者と設計者は、いわゆる「貯蔵庫から標的へのシーケンス」において、温度、高度、振動などの要因が核爆弾にどのような影響を与えるかを検証した。
こうした検証は、通常、爆弾や弾頭を分解し、化学、物理学、数学、材料科学などの専門分野を用いて精査し、過去の核爆発実験のデータを検証することによって行われてきた。しかし今回は、科学者と設計者はスーパーコンピュータによるモデリングに全面的に依存して、膨大な量のコードを実行した。
そして驚くべきことが起きた。リバモア研究所の兵器プログラム担当首席副所長、ブルース・T・グッドウィン氏によると、コンピューターシミュレーションは、兵器が備蓄から標的に至るまでのある時点で「壊滅的に機能不全に陥る」ことを示した。このような機能不全は、兵器が軍が期待する爆発力を発揮しない、つまり全く発揮しないか、標的に正しく命中するために必要なものとは全く異なる効果を発揮することを意味する。
「そこで我々は徹底的に調査を行い、軍によるこの兵器の取り扱い方法を変える必要があると判断しました。そうでなければ、万が一、実際に使用された際に、この兵器が壊滅的な故障を引き起こす可能性が高くなるからです」とグッドウィン氏は述べた。さらに、この欠陥は「車両の実際のダイナミクス」（兵器の軌道と挙動を表す用語）に発生しており、地下爆発実験や部品の検査では発見できなかっただろうと付け加えた。
当局者らによると、この発見と数年にわたる努力の結果、B-83爆弾と軍によるこの兵器の取り扱い手順は修正されたという。
詳細は機密扱いとなっているこの出来事は、核兵器時代における稀に見るものの、潜在的に重大な転換点を垣間見せてくれる。科学者や当局者によると、世界最速クラスのコンピューターを擁する米国の兵器研究所は、熱核爆発の発生メカニズムの謎をますます深く探究し、1992年に終了した爆発実験から得られた知見をある意味で超える理解を得つつあるという。
オバマ政権は、コンピューター技術の進歩により、米国が核爆発実験を再開する必要は決してなくなると述べている。エレン・タウシャー国務次官は5月に、「現在の取り組みは、研究所が問題を事前に予測し、核兵器への潜在的な影響を軽減できるようにすることで、爆発実験をさらに一歩進めている。これは核実験では不可能だったことだ」と述べた。
コンピュータモデリングにおけるこの大きな進歩は、1996年に国連で承認されたものの、1999年に米上院で否決された包括的核実験禁止条約をめぐる議論の中心となっている。182カ国が署名、154カ国が批准したこの条約は、核爆発実験を違法とし、あらゆる実験を検知するための世界的監視システムを設置するものだ。条約発効には、米国を含む複数の主要国の批准が必要だ。オバマ政権は上院にこの条約の批准を促し、核実験禁止措置を遵守し続けている。
グッドウィン氏によると、冷戦末期にリバモア研究所で設計・開発されたB-83のシミュレーションは、核兵器の重大な欠陥が主にコンピュータシミュレーションによって検出された初めての事例だという。「これらの兵器の仕組みについては、当時想像もしていなかったほど根本的に理解している」と同氏は付け加えた。
しかし、政府に在籍しているため匿名を条件に語った元核兵器設計者は、より慎重な見解を示した。「計算が地下核実験よりも優れていると言うのは愚かだ」と彼は言った。「何かがうまくいくかどうかを知りたければ、実際に実験する必要がある。計算は優れているが、問題はリスクだ。計算はどれほど優れていると思うか？」
核備蓄管理
カリフォルニア州リバモア、ニューメキシコ州のロスアラモス国立研究所、サンディア国立研究所などの研究所は、国家核安全保障局（NNASA）が運営するエネルギー省の核備蓄管理プログラムに基づき、国家の核兵器の安全性と信頼性を大統領に証明する責任を負っている。
長年にわたり、核兵器には様々な欠陥が検出されており、その深刻さは様々である。2003年には、従来の検査で、壊滅的ではないものの広範囲に及ぶ問題が明らかになるという深刻な事態が発生した。この問題の詳細も機密扱いである。グッドウィン氏によると、この発見を受けて、リバモア研究所の科学者たちは一連のコンピューターシミュレーションを実施し、その後ロスアラモスで核兵器を使用しない高爆発実験を実施した。その結果、数十億ドル規模の大規模な修理は不要であることが示された。以前であれば、この結論に至る唯一の方法は核実験を再開することだったかもしれないと彼は付け加えた。
核実験禁止条約が否決された当時、批判者たちは、米国はいつか核実験に回帰せざるを得なくなるかもしれないと指摘した。共和党政権下で国防長官を務めたキャスパー・W・ワインバーガー、リチャード・B・チェイニー、ドナルド・H・ラムズフェルドを含む6人は、1999年に上院に宛てた書簡で、計画されている核兵器備蓄管理プログラムは「少なくとも10年間は成熟しないだろう」と述べ、核実験を行わない兵器への信頼の喪失を緩和することはできても、完全になくすことはできないと警告した。
長年この条約に反対してきたジョン・カイル上院議員（アリゾナ州選出、共和党）は、「コンピューターシミュレーションは核兵器備蓄管理プログラムの一部であり、科学者たちはこれが役立っていると述べている。ある科学者は、このシミュレーションによって良い知らせと悪い知らせがもたらされたと私に話してくれた。良い知らせは、これらの兵器について、これまで私たちが知らなかった多くのことが明らかになったことだ。悪い知らせは、これらの兵器には私たちが認識していたよりも大きな問題があることを明らかにしたことだ。コンピューターは確かに役立つが、実験の代わりにはならない。だからこそ、たとえ現在実験を行っていないとしても、実験を行う法的権利を放棄すべきではないのだ」と述べた。
冷戦中、米国とソ連は1,769回の核爆発実験を実施した。その多くは、新型兵器の威力やその他の特性を検証するために設計されたものだった。しかし、超大国間の対立の終結に伴い、兵器設計者たちは新たな困難な課題を引き継いだ。それは、爆発を起こさずに核兵器を維持することだ。この取り組みを強化するため、共和党議員らは今年、オバマ大統領に対し、核兵器施設への巨額の資金投入を強く求め、大統領は今後10年間で880億ドルの支出増を約束した。オバマ大統領は、来年度の予算において核兵器備蓄管理プログラムへの支出を10%増額することを要求した。
世界には約20,500発の核弾頭が残存している。米国とロシア連邦は、精確な推計によると、合わせて約19,500発の核弾頭を保有している。
新たな理解
核兵器専門家で、モントレー国際研究所東アジア不拡散プログラムのディレクターであるジェフリー・G・ルイス氏は、長年にわたる地下核実験によって、兵器設計者たちは爆弾が特定の条件下では機能することを知ることができたが、「その仕組みや理由を完全に説明することはできなかった」と述べた。
「核実験禁止に反対する最も有力な論拠は常に、核兵器の真の仕組みが理解されておらず、シミュレーションも不可能であるため、地下核爆発は重要な現実検証だったというものでした」と彼は付け加えた。「しかし、当時でさえ、熱核爆発のプロセスを実際に理解することから得られるような確信を確立するのに十分な実験は行われていませんでした。」
コンピューターモデリングの結果、「核兵器設計者は初めて、熱核兵器がなぜ、どのように機能するのかを理解したのです」と彼は付け加えた。
近年、リバモア研究所の物理学者たちは、彼らが直面した最も古く、最も困難な課題の一つを克服した。多くの核兵器爆発実験において、爆発する爆弾が物理法則「エネルギー保存則」に違反しているように見えることが測定から示唆された。エネルギー保存則とは、閉鎖系ではエネルギーの総量は一定であり、したがってエネルギーは生成も破壊もされないというものである。
核兵器開発者たちは何十年もの間、なぜ実験結果がこの原則に反しているように見えるのかと頭を悩ませてきた。そして、当時「エネルギーバランス問題」と呼ばれていたこの問題は、リバモア研究所の物理学者オマール・ハリケーンによって解決された。ハリケーンは、その研究により2009年にエネルギー省からE.O.ローレンス賞を受賞したが、この研究は現在も機密扱いとなっている。
リバモア国立研究所などのスーパーコンピューターは、単独でこの仕事をこなしているわけではない。科学者たちは、1945年から1992年にかけて行われた1,054回の米国核実験のデータを利用している。その内約200回は、今日の核兵器に関連がある。また、コンピューターの結果を実験室実験と照合する。
最も精巧で野心的な施設の一つが、リバモア国立点火施設（National Ignition Facility）だ。スタジアムほどの広さの建物に収容されており、科学者たちは192本のレーザー光線を用いて、実験室環境で核融合点火を実現しようとしている。これは、これまで誰も目撃したことのないプロセスだ。もしこれが成功すれば、レーザーが三重水素と重水素からなる微小な燃料ペレットを1億度まで加熱し、一部の原子核を融合させてエネルギーを発生させ、星の中心部、そして核兵器の爆発内部に近い環境を作り出すことになる。
「真空中でむき出しになった水素核融合を誰も見たことがありません。それは常に核兵器の中核に隠されていたのです」とグッドウィン氏は述べた。「何が起こったのかは推測できます」。もし点火に成功すれば、科学者たちはそれを観察するだけでなく、測定することもできるようになると彼は付け加えた。
この施設は長い遅延と挫折に見舞われてきたが、目標は来年の秋までに点火を達成することだ。
ロスアラモスにあるもう一つの施設、二軸放射線流体力学試験施設は、プルトニウムを核兵器の爆発のように圧縮した際の断面の形状をX線で追跡している。
テラフロップス、そしてその先へ
1990年代に備蓄管理プログラムが開始された際、目標は100テラフロップスの処理能力を持つスーパーコンピュータの世代を構築することだった。テラフロップスは、コンピュータの処理速度を表す単位で、1秒間に1兆回の浮動小数点演算を実行できることを意味する。1つの演算とは、加算や乗算といった単一の数学的計算を指す。この目標は達成されたが、現在では新しいマシンはそれをはるかに超える性能を実現している。
リバモア研究所は来年5月か6月に、20ペタフロップスの演算能力を持つIBMスーパーコンピュータ「Sequoia」の運用を開始する予定である。ペタフロップスは、1秒間に1000兆回の浮動小数点演算を意味します。冷蔵庫ほどの大きさのラック96台に搭載されるこのマシンは、160万個のプロセッサコアを搭載し、現在世界最速のコンピュータの10倍の速度となります。ちなみに、現在リバモア研究所が保有する全演算能力は約2.5ペタフロップスである。
このような膨大な計算能力があれば、科学者たちは核爆発の内部で何が起こるのか、現実的なモデルの作成に挑戦することができる。核爆発とは、ウランやプルトニウムなどの金属が極めて高い圧力と温度によって圧縮され、核爆発を引き起こす現象である。リバモア大学科学計算研究所の所長であるフレッド・ストライツ氏は、これらの超高速マシンは「新たな科学への扉を開く」ものであり、例えば原子の挙動や、圧力下で金属の結晶構造や粒構造がどのように変化するかをモデル化するといった研究が挙げられる。
ストライツ氏によると、時間の経過と共に、小規模なコンピューターシミュレーションでは誤った答えが返ってくることが明らかになった。より高解像度と高出力のコンピューターによってのみ、科学者は真に何が起こっているのかを理解できるのだ。
溶融銅とアルミニウムの例では、90億個の原子がモデル化されたとストライツ氏は述べた。シミュレーションの実行には21万2000台以上のコンピュータープロセッサーで1週間以上かかったが、その結果、金属の挙動をほぼ完璧に再現できたという。
「これは核実験では決して実現できない数百万倍も精細な解析だ」とグッドウィン氏は述べた。「核爆発の中で、このようなプロセスが起こっているのを見ることは決してできないだろう。」
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