应对不确定性：对朝鲜核试验的技术性分析

henanhujaa

http://mil.sohu.com/20130725/n382571705.shtml

2013年07月25日16:19
                                                                                                                                                                                        作者：权贤美、马得勇                                                                                       
                                                               
                                                       

                                                                                                                                                                    　　“2013年2月12日11时57分，发生规模为4.9级的地震，这次地震被测定为因核试验而引发的人工地震，震源地在咸镜北道吉州郡，没有在空气中检测到氙和氪两种物质”，以上是韩国政府对有关这次核试验做出的公开发言内容。核试验刚结束后，韩国气象厅发布的地震规模是5.1级但随后更正为4.9级，韩国国防部发言认为通过检测、分析空气中的放射能核种，可以识别核弹的种类，但是随后表示对收集的空气放射能核种的持续性检测无法继续，使得核试验种类的技术性分析变得不可能。
　　在因为朝鲜核试验行为而股市下跌的时候，仍没有关于朝鲜核试验明确的分析结果，反而各种对数据及分析资料的疑惑非常多。尽管空气中的能够成为核试验证据的人工放射能核种没有检测出来，但是通过分析地震波，2月12日的地震被明确判定为人工地震。虽然对地震规模的正确性存在争论，但是能够引发那个级别地震的爆炸力源泉是核试验的推测已经被世界认可，朝鲜官方立场亦如此。但是，朝鲜悍然进行核试验的事实行为以外的其他内容，即关于爆炸力规模、核弹种类、使用的核物质种类及数量等争论仍一如既往没有答案。
　　一、朝鲜核设施
　　为了推测朝鲜的核技术能力，首先需要对朝鲜保有的核关联设施进行分析。朝鲜1958年与苏联缔结原子能协定，并借此开始了与核相关联的技术开发。1962年通过从苏联引进原材料，朝鲜正式参与到相关技术开发中。为了发展原子能，朝鲜以技术开发的名义将位于平安北道宁边的原子能设施和研究区域加以掩盖。随着1986年宁边5MWE级的原子炉启动， 核再处理设施的建设，朝鲜开始了真正的核武器技术开发。其后，朝鲜在宁边和泰川设立的轻水反应堆和重水反应堆全部进入中止状态。现在，为外界所知的朝鲜原子能设施如表1所示。位于宁边的研究区域由铀资源开发研究所、核物理研究所、放射化学研究所（钚再处理）、核材料研究所、原子能研究所、同位燃烧应用研究所、放射线防护研究所等10个研究所共同构成的事实为人所知。
　　除了被外部所知的原子能设施的位置和规模原子能外，朝鲜宁边拥有铀浓缩设施于2010年由Siegfried Hacker 博士（译者注：美国核专家）公开。除此以外，还推测朝鲜拥有铀提炼工厂、钚保管设施等与核相关的设施，并怀疑除已经公开的铀浓缩设施以外还存在其他设施。

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表1：朝鲜原子能设施 [url=][保存到相册][/url]

　　二、爆炸力规模
　　根据公开发表的言论看，针对朝鲜的核试验引发的人工地震的规模，韩国气象厅发布为4.9级，美国地质调查局发布为5.1级，日本气象厅发布为5.2级，德国地质资源研究所发布为5.2级，可以看出其间的差异。我们国家的人工地震规模的分析结果是与综合核试验禁止组织（Comprehensive Nuclear Test Ban Treaty Organization, CTBTO）得出的数值最接近的数值，CTBTO为了对地下核试验引发的人工地震进行检测，在76个国家的170个地震观测所都在持续运营中。4.9至5.2级地震规模结果中，我们国家4.9级的结果是最低的地震强度值，尽管地震规模在4.9至5.2级的范围与误差在数值上看似没有多少差异，但是，细微的地震强度差异会使得推测出的爆炸力差异巨大，因此对地震规模争论不休。依据地震规模计算爆炸力的公式因会导致数倍以上的更大差异而加重了争论。

表2 根据朝鲜核试验得出的地震规模测定值 [url=][保存到相册][/url]

　　地震的规模主要用里氏地震规模来测定，即依据地震引发的能量为基准对地震的规模进行测定。里氏测定通过在距离地震中心100千米的地方地震探测器测定到的振幅来计算震级。韩国气象厅是根据韩国设立在国内的地震探测器提供的数值和分析结果而推测地震规模的，日本和德国通过各自国内的地震探测器，美国通过设在东北亚区域的地震探测器提供的数据来分析结果。在这个过程中，从地震中心到地震探测器所在地方的地面、地形等都会导致得出的数值有差异，地震中央的地质构造也会影响地震规模的计算。对同一地震因不同的角度也会导致计算差异。通常来说，一般多个区域的地震探测器算出的数值的平均值会被采纳为地震规模的数值。使用位于不同区域的地震探测器推测出的数值与其他的分析值存在差异在事实上是理所当然的。再者，在核试验中有无设置缓冲装置也会影响实际的地震规模，正确而唯一的测定值在原则上是不可能的。
　　一方面，对第三次核试验地震规模的推测值上存在0.3的里氏差异，另一方面，根据数值测定的爆炸力规模也是争论的焦点之一。地震的规模与地震释放出的能量存在相关关系。2006年加州大学洛杉矶分校（UCLA）的H.A.Kelly在发表的成果中，通过把炸药（TNT）爆炸力当量换算成Kelly Kiloton Index（KKI） 的方式展现了这种相关关系。

表三：地震规模与TNT爆炸力 [url=][保存到相册][/url]

　　一般来说，地震规模每增加0.2相应的能量会成倍增加，里氏1单位的变化是25 ≈ 30倍的能量差异。单纯基于上述关系进行爆炸力测定数值的差异应在3倍左右，但是现在的测定值却存在4至5倍的巨大差异。
　　通过地下核试验和地震规模的关系来测定核试验规模有多种分析方式，目前主要是以美国和俄罗斯的地下核试验材料为标准。美国和俄罗斯等国从1945年到1990年初为止进行了2000余次的核试验，其中约75%的核试验是在地下进行的。对爆炸力多种分析关系式中，采纳一种就会与采纳其他种类得出的结果存在差异，韩国以CTBTO的国际监视系统（International Monitoring System，IMS）使用的关系式为标准， IMS关系中也将岩石地形等特性包含在内。韩国政府基于CTBTO IMS 测定出朝鲜第三次核试验引发的地震规模是4.9级，相当于6-7千吨TNT炸药的爆炸当量。但是当使用另外计算地震规模和爆炸力关系的方法——Murphy 关系式 进行测算时，地震规模4.9级则相当于16.2千吨TNT炸药的爆炸当量。地震规模和爆炸力的关系存在不确定性，地震规模测定误差越大，对朝鲜核试验爆炸力测定的误差也就不可避免地扩大。德国联邦地质资源研究所（Bundesanstalt fur Geowissenschaften und Rohstoffe, BGR）分析得出的地震规模5.2级在根据Murphy公式计算的情况下，朝鲜第三次核试验的爆炸力达到38千吨水平。但遗憾的是现在没有能够克服测定值不确定性的方法。进行核试验的地方的地形情况、试验的地下深度、缓冲装置存在与否等都会导致计算结果的差异，缺乏以上要素的信息会使得误差范围越来越大，最终导致误差范围相当大的测定值的出现。

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图1：根据不同的关系式而得出的爆炸力的差异 [url=][保存到相册][/url]

　　注：横轴为地震规模，竖轴为爆炸力
　　三、核弹的种类
　　除因地震规模和爆炸力的争论而无法对朝鲜拥有的核武器进行正确分析之外，对核弹的原料、使用的核物质种类的技术性分析也非常艰难。第一、二次核试验时，朝鲜通过宁边核再处理设施的启动获得了钚，并且应用钚进行核试验几乎可以说是基本事实。但是随着在2010年朝鲜浓缩设施的确认，朝鲜可能同时拥有钚和高浓缩的铀的推测开始出现，由此，第三次核试验的原料物质，作为与未来朝鲜核武器制造能力密切相关的一个核心变量开始受到关注。
　　用作核弹材料的物质是铀（U-235）和钚（Pu-239）。其中，铀元素虽然存在于自然界中，但天然铀中铀元素成分只有0.7%，若要制造核弹，必须要将铀（U-235）浓缩至90%以上。钚（Pu-239）在自然界中不存在，需要通过原子炉核反应生成，并与其他物质一同包含在使用后的核燃料内。为了使Pu-239具备制造核弹的性能，必须在使用后的核燃料中提取Pu-239，因而需要再处理。
　　通过比较两种物质的获得过程，就铀而言，朝鲜国内有铀矿，因而获取天然铀是比较便利的。天然铀必须通过高浓缩过程才可使用，但是对天然铀中的U-235和U-238的分离在技术层面上是困难的；就钚而言，钚尽管不存在自然界中，但是通过启动原子炉可以轻易获取，从其他的物质中分离钚元素的过程要比通过使用化学或其他电子方式获取浓缩铀在技术上要容易。
　　考虑到核物质获得的过程，朝鲜首先确保了钚的获得。1986年位于宁边5MWE级的研究用原子炉开始启用，获得了年产6千克钚的生产能力。 如果现在朝鲜有能力对使用后核燃料进行再处理，我们分析，通过这种方式朝鲜可以确保拥有30-50千克用于核武的Pu-239。鉴于朝鲜在2006、2009年两次使用钚进行核弹试验，现在位于宁边的核设施处于中断的状态。
　　另一方面，朝鲜于2010年公开了铀浓缩设施，浓缩技术随着技术上难度的增加，离心机内部所使用的浓缩设施就需要特殊的耐久性强的材料。在朝鲜确认的2000余个离心机的浓缩设施中，外部推测这些浓缩设施是通过与巴基斯坦技术协助和从中国筹措原料而来。朝鲜公开的浓缩设施能够年产约40千克90%高浓度的铀，那么就可以推测出现在朝鲜最少拥有80千克以上的武器用铀。但是这只是基于已经公开的设施规模所做的推测标准，朝鲜目前所拥有的铀的数量取决于朝鲜目前实际拥有多少浓缩设施。再者，相较于建设、启动较为简单的原子炉，对浓缩设施规模、位置等的检测几乎不可能，不能排除朝鲜拥有不为外部所知的铀的可能性。
　　通过比较使用核物质制造核弹的技术就可以知道铀和钚的差异。就铀来说，自动引发核分裂、引发爆炸的临界质量是20至25千克，但根据浓缩程度和炮弹种类的差异，15千克左右就足以制造核弹。就铀弹而言，对上述临界质量的铀进行分离并搁置，在需要爆发的时点将已经分离的铀全部聚合在一起引发爆炸。这种被称为“炮身型(或炮筒型)”方式。一般认为，只要有高浓度铀，那么成功制造“炮身型”核弹不会有技术性的难题，如投在广岛的初期原子弹都是采取这种形态。这种核弹制造简单但是质量大、效用低。现在为人所知，如在广岛投下的原子弹——使用80%浓度的U-235的炮身型原子弹， 只有1.4%的效率。
　　另一方面，相比钚而言，想要用铀引发核裂变则需要复杂的技术。钚的临界质量是6至8千克，虽然与铀相比在制造武器的过程中可以使用更少的量，但是通过在量上单纯超过临界质量的方式不能引发爆炸。为引发爆炸同时还需要具有能够强力压缩核物质的内爆装置。这种形态的炮弹被称为“内爆型”。另外，为了引发连锁核裂变反应，还需要提供中子的装置。因此“内爆型”比“炮身型”需要更精密的技术，同时可以制造出比“炮身型”质量上轻得多的武器，钚、铀、钚/铀复合型都能在“内爆型”上适用。

图2：核弹起爆装置分类 [url=][保存到相册][/url]

　　朝鲜第一次和第二次核试验使用了再处理设施中获得的钚，第三次核试验中，外界测定使用了铀。外界为了了解核弹的原料物质，对试验后泄露在空气中的放射性核种的比率进行了分析。因为核裂变后生成的放射性核种会随着时间的流逝变化，因而必须在核试验后的一定时间内收集并分析。
　　就铀弹和钚弹而言，根据核裂变物质的不同，爆炸后生成的放射性物质会存在差异。但是因为生成的核种自身会变化，因此，依据比率差异来分析种类存在局限。人为核裂变而产生、扩散在空气中的氙和氪是检测核试验与否的两种代表性的核种，因为自然界中不存在这两种物质。 具体而言，释放出的氙和氪中放射性核种是Kr-85、Xe-133、Xe-135三类，通过对这三种核种的分析判断，可以推测是否进行了核试验并推测原料物质。就氙而言，Xe-133和Xe-135的比率会因为使用铀还是钚而稍显差异。表4中列出了从核燃料中生成的原料及核种的比率，从U-235中生成的Xe-133和Xe-135的比率各自是6.77%和6.63%，Pu-239中生成的Xe-133和Xe-135的比率各自是6.94%和7.47%，从钚中生成的核种物质在比率上都稍高，同时Xe-135的比率很高。就氪而言，从铀中生成的Kr-85为0.29%，而从钚中生成的比率为0.13%，因此使用铀的话在比率上会有2倍以上的差异，但是因为浓度低因而探测很难。

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表4 从核燃料中生成的累积核裂变产出（%） [url=][保存到相册][/url]

　　因为氪在空气中探测十分困难，分析主要依靠氙，但是即使空气中的氙能够被收集并分析也不说明氙的浓度很高，考虑到氙容易扩散的性质、地下核试验的密封效果、九个小时半衰期的等因素，上表中揭示的比率分析在事实上是不可能的。实际上，朝鲜第一、二次核试验时，我国收集、分析工作都失败了，2006年第一次核试验时，美国的侦察机收集到氙，两周后位于加拿大北部的耶罗纳夫（Yellowknife）检测出半衰期的Xe-133。2009年第二次核试验时放射能核种完全没有探测出来。
　　将这两次的电力进行比较时，根据位于朝鲜半岛的南部的收集探测放射能核种的装置来分析爆炸物质的种类需要满足：（1）朝鲜地下核试验坑道的设计存在缺陷，未能完全密封，大量的放射能核种泄露到了空气中；（2）足够数量的放射能核种随风向从北向南漂来；（3）这意味着能够分析出微小的差异程度的份量的可能性。但是上述条件充分满足的情况在现实中几乎是不可能的，所以在朝鲜核试验后，通过能够使用的技术来获得的情报受到很多限制也是不争的现实。
　　四、朝鲜声称的小型化•轻量化及多样化问题
　　朝鲜在核试验之后，与爆炸力和核物质种类相关的技术性分析所能揭示的内容受到很大限制的基本事实基础上，我们有必要再讨论朝鲜的主张。在第三次核试验之后，朝鲜发表了“小型化•轻量型、多样化”已经成功的言论。首先，小型化•轻量型是核武器移动性层面上非常重要的要素。核弹若想产生威胁，需要达到搭载在远程导弹之上进行移动的程度，除核物质的临界质量、精巧的起爆装置外，还需要减少体积及质量，这些要求相当高技术水准。初期投掷在广岛和长崎的核弹的质量超过了4吨， 依靠着轰炸机的移动实现投掷。
　　根据朝鲜的主张，为探知第三次核试验使用的核弹是否为小型化•轻量型，需要试验时核弹设计及使用的核物质数量方面的情报。在朝鲜提供情报之前进行技术性分析相当困难。一般情况下，使用6至8千克的钚和20至25千克的铀就可能制造出核弹。但由于无法知晓朝鲜核武器制造技术水平，因此我们目前尚无法判断朝鲜造到底是制造了使用核物质数量虽多但是效率低的核弹还是用量少而效率高的核弹。
　　就多样化而言，可以解释为具有2006年和2009年使用钚的核试验和这次使用铀的核试验均取得成功。但是正如前文中说明的韩国的立场，朝鲜核试验之后没有收集到任何放射能核种、没有任何技术性分析的途径，并且，韩国没有掌握能够否定朝鲜声称的“小型化•轻量化，多样化”的 证据也是事实。
　　五、对朝鲜技术能力的判断
　　考虑到1998年两段时间 内核试验而被实质性地划分为“有核国家”之列的巴基斯坦的事例，对已经进行第三次核试验的朝鲜所具备的核武器相关技术能力到底达到什么水准的精确分析是非常紧迫的。但是正如前文所言，在没有确切情报的情况下，对于不确定性的争论只能越来越大。因此，以目前掌握的各种资料和情报为基础，有必要对两种观点加以比较：一种是认为朝鲜核技术处于低水平的乐观派，一种是认为朝鲜核技术处于高水平的悲观派。
　　1、乐观派版本：
　　地震规模：韩国气象厅资料（第一次3.9，第二次4.5 ，第三次4.9）
　　爆炸力：CTBTO使用的IMS数据（第一次800t,第二次3.1kt,第三次7.9kt）
　　乐观派推测时采纳的低爆炸力的关系式。基于最乐观的版本，第一、二次使用钚进行核试验时，基于低爆炸力判断时，可推测出朝鲜“内爆型”核弹开发还未成功。朝鲜为了突破技术开发上的限制，通过铀浓缩设施的启动获取高浓度铀并以此为主要原料，第三次核试验时使用了大量的铀和效用很低的“炮身型”核弹，因此推测朝鲜的核武器制造水平仍处于初级阶段。
　　2、悲观派版本
　　地震规模：德国BGR资料（第一次4.2，第二次4.8 ，第三次5.2）
　　爆炸力：Murphy关系式使用的数据（第一次350t,第二次12.3kt,第三次38kt）
　　最悲观的版本采纳了高爆炸力资料，认为朝鲜在第一次使用钚进行核试验后，于第二次“内爆型”技术已经进入完成阶段，因而达到高水平内爆技术。无论是铀还是钚均可适用。使用内爆技术和铀的情况下，应用少量的铀就足以引发爆炸，在原子炉启动中断的状态下，存在外界无法监视的情况下持续生产高浓度铀的可能性。因而可以推定，在第三次核试验时，朝鲜应用高水平内爆技术和高浓度铀进行核武器制造，拥有了接近小型化•轻量化的技术水平。

表5 朝鲜核武器制造技术水平推测 [url=][保存到相册][/url]

　　六、结语
　　以上是对朝鲜核武器制造相关的技术能力的分析。可以看出，无论是我们掌握的情报确切性还是内容都受到了不可避免的结构性限制。在存在多种推测的情况下，韩国政府目前的立场与最乐观版本的分析结果接近。因此在此值得注意的是，韩国应该对于朝核的情报及知识的缺乏这一现实有一个正确的判断和自觉意识。也需要认识到，在朝核问题总体状况不确定的情况下，与朝鲜的第一、二、三次核试验的规模到底有多大这样的争论无关，这种持续的核试验已经产生了极大的震撼力。“小型化•轻量化”是引发太平洋彼岸美国警觉的事项，因为在军事分界线另一边的朝核问题已经在现实上对韩国构成了实质性的威胁。
　　韩国在朝鲜进行了第一次核试验之后，为了提升对朝鲜核活动探测能力做了相关的努力，包括发展探测氙和氪的分析技术、开发可移动及固定式收集装置、环境放射线监视网扩大、加入地震资料国际协作组织体系等。这些努力促进了核探测能力的培养和事后检测技术开发，对极微量核物质分析设备也在建设和运营中。 此外，为加入核活动探测情报体系，正在运营核情报数据库（DB）、卫星影像分析系统。但是正如前文所说，应用放射性核种探测、极微量核物质分析技术等对朝鲜核能力进行评价的阶段已经是过去式了，这是因为在核试验中，朝鲜因技术上的不完善导致大量放射性核种泄露已经由于技术的进步而成为不可能。
　　在核武器相关领域内，鉴于韩国相比朝鲜而言技术水平低，对技术上领先一步的朝鲜核武器体系进行准确判断和评价上面临很多结构性限制。另外，由于韩国在核武器及相关试验方面坚持不许可的立场，因此相关的分析或是资料的使用方面只能依靠美国或中国。但即使是在这样的困境下，我们也不能对朝鲜核能力仅仅持观望态度。尽管拥有核活动探测和事后分析的能力很必要，但是着眼于未来，对核武器制造及事前的情报体系的追求和运行也是非常重要的。除现在正在进行的核物质及放射性物质跟踪之外，也要努力做到比通过对于关联物质 持续性跟踪体系、卫星DB收集核活动资料等方法更加精密地对朝鲜技术能力进行持续性地监视和评价，因为只有对朝鲜核能力分析更加准确，连贯统一的对朝政策才有可能实施。以确切可信的情报共享为基础，对朝政策才可能获得国内民众的支持。
　　而现在，韩国对有关朝核在技术和情报方面能够明确发布的“事实”只有：“2013年2月12日11时57分，朝鲜在咸镜北道吉州郡进行了第三次地下核试验”。
　　作者简介：
　　朴智英博士现任峨山政策研究院研究员，峨山核政策技术中心副主任和科学技术政策中心主任。获得首尔大学核工学学士和硕士学位，在美国密歇根大学获得核工学博士学位并且取得首尔大学政策学硕士学位。2000年至2012年就职于韩国科学技术规划评价院并在R&D妥当性调查中心担任主任。作者的主要研究领域为核政策、根据中心科学技术政策、科学技术与安保政策等。