核弹头?这个机器人可以找到它们

想象一下这样的场景:一群自主的三英尺滚动机器人，装备智能探测器，以支持核安全保障和核查军备控制协议。美国能源部(DOE)普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)和普林斯顿大学正在开发的这类机器人的原型，最近展示了识别核辐射来源的能力，以及它是否被屏蔽以避免检测。

PPPL试验中对放射性元素中子的检测，为美国国务院资助的一个为期两年的项目画上了句号。该项目还为美国能源部的核查技术联盟做出了贡献。远程控制的原型为进一步开发移动和完全自主的蜂群奠定了基础。该项目的首席研究员、普林斯顿大学天体物理学教授、PPPL物理学家罗布·戈德斯顿(Rob Goldston)说:“这次演示完全证实了机器人探测中子源的能力，并提供了漂亮的数据。”

在进行中子测试之前，普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)的走廊上安装了一个探测机器人原型。这些由PPPL和普林斯顿大学的研究人员开发的机器人，最近展示了识别核辐射来源的能力，以及它是否被屏蔽以避免被发现。左起:Harry Fetsch，科学本科实验室实习生，和Rob Goldston，项目的联合首席研究员。

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Elle Starkman, Princeton Plasma Physics Laboratory

“一切都很好，前途无量”

合作研究员亚历克斯·格拉泽(Alex Glaser)是普林斯顿大学科学与全球安全项目的联合主任，也是机械与航空航天工程和国际事务的副教授。他说:“我们看到的一切看起来都很好，很有希望。”“PPPL为这个项目提供了巨大的支持。”

现在校准过的“侦察员机器人”由一个聚乙烯塑料制成的圆柱体组成，其中包含三个间隔120度的中子计数器，安装在一个有专门轮子的机器人上，使它可以向任何方向移动。这种探测器由戈德斯顿和普林斯顿大学前博士后研究员莫里茨·库特(Moritz Kutt)设计，能对探测到的中子的能量和中子的方向提供高灵敏度。低能表示屏蔽。

当完全开发完成后，这个机器人可以成为在不同类型的设施中执行检查任务的一群设备的一部分。建议的申请包括:

•保护气体离心浓缩工厂、将铀浓缩成核电站燃料的设施。这些工厂通过离心机将铀转化为气态形式，然后将其转化为粉末并植入燃料棒中。检查机器人可以用于检测未申报的高浓缩铀的提取，这些高浓缩铀从工厂的一部分转移到未申报的用途;

•这些机器人可以进一步检测到将低浓缩铀(而非天然铀)引入一个经过轻微改造的浓缩工厂，以生产武器级铀;

•集群还可以通过检查储存核弹头的储存设施等任务，为未来的裁军条约做出贡献。这些机器人可以检测出弹头是否真的在那里，以及申报的武器数量是否正确。它们还可以用来确定申报的非核军事设施不含有核材料。

中子探测器机器人与开发人员和成员的PPPL健康物理小组。从左至右:凯茜·萨维尔、苏珊·蒂尔、亚历克斯·格拉泽、达伦·汤普森、索哈·阿斯拉姆、罗伯特·希区纳、罗伯·戈德斯顿、乔治·埃瑟龙、安迪·卡普和帕蒂·布鲁诺。

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Elle Starkman, Princeton Plasma Physics Laboratory

机器学习软件

研发的下一步包括设计机器学习软件来引导机器人，以及使机器人在检查期间能够互相交流的技术。该人工智能(AI)系统由首席研究员内奥米·伦纳德领导，他是普林斯顿大学埃德温·s·威尔西机械和航空航天工程教授，采用所谓的多臂强盗方法——一种从一系列老虎机中获得最佳结果的统计系统。寻找未声明的活动的关键挑战是在继续探索和停止利用可能暗示行为不当的小信号之间做出明智的选择。

这个项目的想法可以追溯到2014年，当时还是科学、技术和环境政策专业研究生的戈尔德斯顿(Goldston)和马克·沃克(Mark Walker)听说另一个实验室在天花板上安装了中子探测器，当一辆运载用于铀浓缩的气体的卡车经过时，探测器就会爆炸。这引发了关于机器人探测系统的讨论。“我说，‘那机器人呢?’”戈德斯顿回忆道，沃克说，“那机器人呢，听起来太疯狂了!”

但在与国际原子能机构(IAEA)检查员和核电站运营商的讨论中，戈德斯顿被鼓励探索这一选择。格拉泽向美国国务院提交了一份提案，其中包括一份PPPL分包合同，内容是建造和校准一个督察机器人。

高速

这个项目去年夏天进入了高潮。哈利·费茨是哈维·马德学院物理系的一名学生，在巴黎公共实验室(PPPL)参加科学本科实验室实习(SULI)。“这些模拟为我们进行的实验的设计提供了依据，”格拉泽说。

戈德斯顿现在计划访问能源部在萨凡纳河的核燃料制造工厂，探索在铀浓缩工厂产出的设施中测试检查员机器人的可能性。“我们想看看我们是否能测量出从高压釜中释放出来的中子，”他指的是用来加热铀并将其送入制造工厂的设备。

随着进一步的发展，该项目可以证明“简单而强大的自主、移动、定向和频谱敏感的中子探测器可以提供一种经济有效的方法来提供有效和高效的验证，”Goldston说。

对这项工作的支持来自能源部内的半自治机构国家核安全局和美国国务院密钥验证基金。在普林斯顿大学的高性能计算机集群上进行了仿真。

位于新泽西州普兰斯伯勒的普林斯顿大学福雷斯特尔校区的PPPL致力于创造关于等离子体(超热、带电气体)物理学的新知识，并为聚变能的产生开发实用的解决方案。PPPL是由美国能源部科学办公室的大学管理的，该办公室是美国物理科学基础研究的最大支持者，并致力于解决我们这个时代一些最紧迫的挑战。