揭秘朝鲜的核试验:当量为什么都是这么小?(组图)

　　朝鲜在2006年10月9月和2009年5月25日进行过两次核试验，但由于造成的地震震级比较小而遭到外界的普遍质疑：朝鲜的“核试验”到底是不是真正的核爆炸？如果是核爆炸，朝鲜的核试验为什么当量这么小？

　　首先，从地震波的波形来判断，这两次事件应该是爆炸而非自然地震。地震波分为面波和体波，分别沿地球表面传播和在地球内部传播。而体波又分为P波（primary wave, or pressure wave）和S波（secondary wave, or shear wave）。前者是纵波，传播快，先被地震台接受到；后者是横波，传播慢，后被地震台接受到。爆炸和地震的最主要区别是，爆炸造成的震动模式主要是球对称，因此P波通常比S波强；而地震波主要来自地层缺陷的切向错位，因此S波通常更强。从各国地震台监测到的信号来看，P波强于S波，与自然地震信号有明显差异。

朝鲜2006年核试验信号（红色）的P波强于S波，与附近地区的地震信号（蓝色）明显不同

　　其次，大量化学炸药同时爆炸“伪装”成核爆的可能性也可以排除。2006年10月16日，美国国家情报办公室公布说，他们于10月11日在空气采样中检测到了朝鲜核试验造成的放射性产物，证实了这确实是一次地下核爆炸，当量小于1 kt。2009年的核试验虽然没有检测到放射性产物（这可能是由于核爆炸的地层更深，或者朝鲜的地下核试验封闭技术有进步），但从地震波的高度相似性可以判断这也是一次核爆炸。

朝鲜2009年的核试验信号（上）与2006年的核试验信号（中）形状非常相似

　　根据U.S. Geological Survey公布的地震波测量结果，朝鲜2006年和2009年两次核试验的体波震级分别为mb=4.3和4.7。体波震级与核爆当量（Y/kt）有如下的经验公式：mb=a+b log Y，其中a和b为与地质结构有关的常数。对苏联Shagan River Test Site （SRTS）和美国Nevada Test Site （NTS）地下核试验的标定结果是分别是a=4.45, b=0.75 （SRTS）和a=3.92, b=0.81 （NTS）。而对于全球范围内不同试验场地的统计结果为a=4.08，b=0.77。由此估计，朝鲜两次核试验的当量分别为0.5~1 kt和2~4 kt。更准确的当量测定需要靠放化分析，而这只有朝鲜人自己才知道了（如果他们有能力进行放化分析的话）。

各国地下核试验当量与体波震级对比图，蓝色方框是朝鲜2006年核试验的可能区间

　　与其他国家的首次核试验相比，朝鲜的这两次核试验爆炸当量明显偏小：美国 19 kt （1945年），苏联 20 kt （1949年），英国 25 kt（1952年），法国 65 kt（1960年），中国 22 kt（1964年），印度 5~8 kt（1974年），巴基斯坦 6~12 kt（1998年）。外界普遍认为，朝鲜的第一次核试验不是完全成功的。据媒体报道，朝鲜在第一次核试验前曾通知中国政府，它将要进行的核试验当量约为4 kt。从结果来看，显然没有达到预期的当量。而据LANL前主任Siegfried S. Hecker说（参见他的文章Report on North Korean Nuclear Program），他在朝鲜第一次核试验后在中国访问期间曾有中国核专家告诉他：如果朝鲜确实打算进行4 kt当量的核试验，最后只得到1 kt当量的爆炸，也可以算是成功的，但并不完美。（“If the DPRK aimed for 4 kilotons and got 1 kiloton, that is not bad for a first test. We call it successful, but not perfect.” ）而如果朝鲜第二次核试验是为了改进第一次核试验的装置，以达到预期的4 kt当量，从结果来看还是比较成功的。这也符合朝鲜政府在第二次核试验后发布的公告中所说的：“这次核试验在爆炸力方面有了新的提高，进一步加强了核武器的威力。”

　　我们可以提出三个问题：朝鲜为什么要进行4 kt的小当量核试验？为什么第一次核试验没有达到预期当量？朝鲜的核武器小型化水平到底如何？

　　对于第一个问题，笔者认为朝鲜可能有三方面的考虑：1，政治考虑。核武器更多是一种“政治武器”，一次小当量但真实的核爆炸就足以显示“核威慑力”。2，安全考虑。朝鲜的核试验场离中朝和朝俄边境都非常近，离中朝边境最近处还不到70 km，而中俄是朝鲜的传统盟友，对地下核试验缺乏经验的朝鲜会考虑尽量避免核爆引发的地震波以及可能的核泄露危害到两个邻居，因此选择了相对安全的小当量的地下核试验。3，技术考虑。实际上用比较多的核材料进行比较大当量的核试验要相对容易一些（比如法国的首次核试验），而用较少的核材料进行较小当量的核试验则可以向美国表明朝鲜已经达到了比较高的技术水平，至少比各国的首次核试验水平更高。

朝鲜核试验场离中朝边境最近处还不到70 km

　　不过，朝鲜的第一次核试验结果显然让金正日很尴尬，不仅没有能够证明朝鲜“强大的核威慑力”，反而引发了外界对朝鲜核试验是“哑弹”的猜测。朝鲜打破了“核模糊”，却没能充分证明自己的核能力，于是进行第二次核试验就成为必然的选择。

　　第一次核试验失败的真正原因当然只有朝鲜自己才清楚，笔者只能从原理上做一番猜测。对于钚装料的内爆法原子弹，要达到预期的爆炸效果必须满足以下条件：相对低的钚240含量（通常要求）

内爆法原子弹结构和爆炸过程示意图

　　根据朝鲜2008年6月26日提交的核申报清单，朝鲜共从核燃料棒中提取了38.5 kg的钚，其中25.5 kg可用于制成核武器，约2 kg被用于2006年10月进行的核试验。美国的第一颗原子弹Gadget使用了6.2 kg的钚，朝鲜核试验使用的钚显然少得多。由于聚合爆轰波对裂变材料的最大压缩比不可能无限大，而临界质量又与密度成平方反比，因此一颗原子弹所需要的裂变材料量存在一个下限（与技术水平有关）。带铍反射层的纯钚239球的临界质量约为4.4 kg，如果能实现3倍的密度压缩，也至少需要0.5 kg的钚239。对于2 kg的武器级钚，如果要实现在3倍临界质量时点火，则至少需要实现2.7倍的最大压缩比，而这并不是那么容易实现的。根据T. B. Cochran和C. E. Paine的计算，2 kg钚装药在低技术（相当于Gadget）水平下只能产生~0.1 kt当量，而在中等技术水平下则足以产生4 kt当量。因此，如果朝鲜官方宣布的钚使用量和设计当量都是真实的，就意味着朝鲜达到了中等技术水准。

钚弹当量与装药量的关系

　　不过，这里的技术水准并不表示小型化水平。要提高裂变燃耗，除了尽量提高压缩比，还需要设法使弹芯在高超临界状态下保持尽量长的时间，采用能量密度更高的炸药、悬置弹芯、改进飞层设计等都是可能的技术途径。小型化并不意味着钚的使用量就一定更少，仅仅通过改进内爆设计就可以实现核武器体积和质量的大幅度减小。比如美国1945年投在长崎的钚弹"胖子"使用了约6 kg的钚，直径约1.5 m，重约4.6 t，当量21 kt。而1952年开始装备的第一种战术核炸弹Mk-7使用了差不多同样多的钚，直径77.5 cm，重约750 kg，当量最大可达61 kt。我们并不清楚朝鲜是否已经达到了Mk-7的小型化水准。

Mk-7战术核炸弹

　　尽管巴基斯坦核弹之父A. Q. Khan声称他在朝鲜访问期间朝鲜人曾向他展示过能装载在导弹上的核弹头，但目前还没有任何直接证据能证实这一点，外界仍然怀疑朝鲜到底有没有能装载在导弹上的核弹头。其实，朝鲜如果想让美国人相信它有这样的能力，完全可以向到访的美国科学家（比如Siegfried S. Hecker）展示一下核弹头。而朝鲜并没有这样做，继续维持着一种核模糊。

　　朝鲜为什么只使用2 kg的钚来进行核试验呢？有三种可能的解释：1，节约钚的使用量。由于朝鲜一共只有不到40 kg的钚，每枚核弹使用更少的钚就意味着可以制造更多的核武器。但对朝鲜来说，10枚核弹头和20枚核弹头并没有本质区别，4 kt和20 kt当量也没有本质区别，更应该优先考虑的是核武器的可靠性和武器化（小型化）。2，为了实现较小的爆炸当量，以防止地下核试验的放射性物质泄露。但实际上，地下核试验的封闭深度与核爆当量的1/3次方成正比，20 kt的核爆坑道（或竖井）只需要比4 kt的核爆深70%，这并不难办到。3，准备将来用铀钚复合弹芯或助爆设计提高当量，现在只是为了突破原子弹技术。等朝鲜拥有足够的高浓缩铀或氚后，还可能进行更多的核试验，因此需要节约钚的使用量。但朝鲜本来用4 kg的钚就应该可以进行一次更高可靠性的核试验，现在却需要两次核试验，同样耗费4 kg的钚，却达不到令外界可信的核威慑效果──这的确是令人疑惑的。

　　由于从来没有哪个国家在第一次核试验中就尝试只用2 kg钚实现4 kt当量的核爆炸，因此也有专家提出（Li Bin: An alternative view to North Korea's bomb acquisition），朝鲜是否可能通过某种非法途径获得了其他国家的战术核武器设计图？如果真是这样，也就意味着存在着外界以前不知道的核扩散途径，而这可能是比朝鲜发展核武器更加危险的。