从丰溪里核试验场建设看朝鲜核能力

李梅   2016-11-25 03:39:38

文/李梅◎外媒刊登的丰溪里核试验场卫星影像图及东西南北试验坑道位置(方向见右上图标)今年朝鲜宣布进行氢弹试验后,由于透露信息非常少,外界对朝鲜核能力判断结论差异较大,而朝鲜历次核试验均使用了丰溪里核试验场,因此对该试验场的使用情况分析,可以对朝鲜核武器发展能力作出较为客观的判断。

丰溪里核试验场的发展

由于朝鲜国土地域狭小,因此可选择核试验地区非常有限,但朝鲜利用北部多山和邻近大海的特点,自核武器计划伊始就在咸镜北道吉州郡地区建立了丰溪里核试验场。

早期建设阶段 朝鲜核武器技术开发现在可以追溯到上个世纪50年代末期,当时苏联不但援助了朝鲜最基本的核原料开采和研究设施,而且为帮助朝鲜应对可能的核战争,协助朝鲜选址和建设了相应的核训练设施。1958年1月,在苏联人的援助下,在朝鲜的吉州郡建立了“原子武器训练中心”,但此后似乎长期作为核战争背景下的常规部队训练。直到上世纪90年代末,韩国政府获得情报称,朝鲜人民军正在吉州郡的万塔山开凿较大规模的“坑道”。从2002年开始,美国持续对该地进行侦察和监视。美国的成像卫星拍下了挖坑道所运出的渣石堆,然后依据土方量计算出了万塔山坑道的可能深度。此时,美国与韩国均认为,朝鲜人民军可能在万塔山建造新的导弹基地,并没有往核试验上面联想。这一阶段,“坑道”还较为缓慢,保障设施也较为简陋。

快速发展阶段 到2004年后,丰溪里地区的“坑道”和保障设施建设进入快速发展阶段。根据2004年8月底的卫星侦察影像分析,美国情报人员发现这里的坑道开凿土方量较大,而且坑道被覆只采用了附近就地采伐的原木,没有发现较高等级的建筑和被覆材料,因此建设的所谓坑道可能只是较窄但较长的“巷道”,情报人员从咸镜北道吉州郡的卫星侦察所获得的图像显示,朝鲜人民军的挖掘车和其它装备都与其它国家的核试验场建设所用工具没什么两样。因此美方开始猜测万塔山坑道可能是用于核试验的平洞,这使得过去很多迹象得到了新的合理解释。例如,朝鲜人民军先后在这里进行过多次大当量普通爆炸试验,而这些试验往往是核爆试验前需要的爆轰试验;而从地质情况分析,万塔山是整个朝鲜境内唯一适合进行核试验的场地,这个特殊的位置和地貌使得即便在核试发生意外的情况下,对朝鲜本国和整个半岛的影响也能降至最低。

试验应用阶段 2005年4月底,美国情报人员通过侦察卫星发现,朝鲜正在丰溪里疑似试验场的地区建造观礼台和回填坑道。照片显示,在距离可疑的试验场几千米处,正在搭建大型观礼台,从观礼台的规模来看,官员的级别应该是“平壤最高层”。此外,由于用于地下核试验的坑道与常规的矿业坑道最大的区别是必须将核爆装置回填回坑道里,因此后来发现的土石回填现象被认为是朝鲜将马上在这里进行地下核试验的主要迹象。此外,卫星侦察所获得的图像显示朝鲜在这个可疑的试验场存在载有起重机和其它设备的卡车频繁运输,情报人员根据起重机的出现判断试验坑道内存在部分垂直坑道,而非完全的水平隧道。

2006年8月,朝鲜在丰溪里试验场的活动频繁,包括车辆运输和卸载大卷轴电缆。2006年9月底,韩国国民大会情报委员会的报告称,各种情报迹象表明咸镜北道万塔山的试验坑道已经完工,该坑道在万塔山下深约700米,是一个水平坑道。而且已完成测试仪器的部署,随时可进行核试验。2006年10月3日,朝鲜宣布“将进行核试验”,但声明没有透露具体地点和日期,但外界普遍认为朝鲜的核试验只能在丰溪里试验场。

丰溪里核试验场的使用情况

到目前为止,朝鲜所进行的全部4次核试验都是在丰溪里核试验场进行的,这些试验从2006年10月到2016年1月跨越近十年,其为朝鲜的核武器发展做出了重大贡献。

2006年核试验 朝鲜的首次核试验是在2006年10月9日进行的,这次试验规模比以往其它国家的核试验都小。试验爆炸中心点与此前怀疑的东部隧道开挖点直线距离1.65千米。外界对于此次核爆威力争论了较长时间。俄国防部长称,朝鲜核试验的威力在5至15千吨当量之间。韩国地球科学与矿业资源大学初期报道,核爆炸等于里氏3.58级的地震,相当于100吨当量,最后改为至少800吨,相当于4.2级震级。美国地质勘探局计算的冲击波也为4.2级。法国原子能委员会计算的当量约1千吨甚至更小。由于推算爆炸当量较小,因此很多机构认为此次爆炸可能并不是核爆炸,而只是一次常规炸药爆炸。美国就曾在1985年进行过所谓“小音阶”爆炸试验,使用常规炸药模拟4千吨的核爆炸。但到2006年10月16日,美国军方在朝鲜附近探测到了与核爆炸相关的放射性气体,至此,美国国家情报局承认,朝鲜进行了规模小于1千吨的核试验。

2009年核试验 2009年5月25日,朝鲜再次在丰溪里进行了一次地下核试验,威力比2006年10月9日进行的核试验更大。在朝鲜东北部探测到地震后不久,朝鲜官方媒体承认已经进行了核试验。此次试验地点位于2006年进行首次核试的试验场附近。美国、日本和韩国的地质局测定的地震级为里氏4.5至5.3级。俄罗斯国防部推算的当量为1万吨至2万吨,韩国推算为1.2万吨。

  2013年核试验 2013年2月12日,朝鲜宣布成功进行了第三次地下核试验,并称此次试验的是小型轻量级原子弹,同时多国宣布检测到了可能与此相符的地震。在朝鲜官方宣布之前,美国地质调查局检测到朝鲜咸镜北道吉州郡东北偏东23千米处发生了5.1级地震,这个位置也在丰溪里核试验场,与朝鲜以前核爆地点接近。我国地震台网中心报告称震级4.9级,德国联邦地球科学与自然资源研究院发表监测数据称,此次试验约4万吨当量,是广岛原子弹的三倍,远超前几个机构所预测的数值。核试验发生时,中国吉林省延边朝鲜族自治州安图县、辉春市和长白山天池北区等地,普遍有长达1分多钟的明显震感。

2016年核试验 2016年1月6日,朝鲜宣布成功进行了氢弹试验。国内外研究机构测定的试验爆点仍在丰溪里核试验场,位于2013年核爆地点以北800米、以西400米的位置,当量约为11.3千吨。外界普遍由于爆炸当量过小认为此次试验并非氢弹试验或只是一次不成功的氢弹试验。美国在2016年1月29日宣称,经过研究他们认为朝鲜在此次试验中对氢弹部件进行了试验,但并未成功。而朝鲜在试验后高调表彰了氢弹开发与试验人员。

◎外媒刊登的丰溪里核试验场北部试验坑道区域2016年1月6日卫星影像图丰溪里核试验场的组成

无论第四次试验是否是氢弹试验,朝鲜已经进行4次核试验的事实是不可否认的,而朝鲜4次核试验使用的丰溪里核试验场基本是外界唯一能洞悉朝鲜核发展能力的信息来源。总的来看,丰溪里核试验场由试验指挥掩体、行政管理建筑和东、西、南、北四个坑道试验区组成。

试验指挥掩体 丰溪里核试验场的中心区域是试验指挥设施,从卫星影像可以发现有一地下堡垒入口建筑,该地堡应部署有控制核装置、管理采集测试数据以及与平壤当局保持通信的器材,其还为所有试验区内的人员提供掩蔽,保护他们不会在爆炸超出预想情况下遭受碎片和有害气体的伤害。从历年卫星照片看,该地下建筑主体是从2005年开始建设的,建设和改建活动持续到2009年。2012年4月的卫星照片显示出指挥掩体入口建筑已经完成,外界从开掘出的石渣量估计,指挥掩体至少有100平方米大小,入口到地下建筑主体至少50米,在指挥掩体区地面分布多个建筑或设施,大部分为通风系统或核试监测器材,以及试验保障的气象监测仪器。

  行政管理建筑 丰溪里核试验场的行政管理建筑主要包括试验保障区建筑群和试验管理区建筑群。保障区内有大型楼房建筑两栋,估计主要存放和测试试验器材,其北部是试验管理区,这里应该是主要的日常办公和生活场所,管理区建筑前为一处4 000平方米的场坪。从卫星照片来看,这里既是停车场,也是部队集合和训练的场所,还临时担负施工器材和渣土石的堆放。

东部试验坑道 沿着行政管理建筑区山谷向东北部延伸大致5~6千米的山脚处有一人工开凿平台,这就是发现2006年核试验的坑道口,2006年的核试验爆炸点与这里直线距离大约1.65千米。这一坑道自2006年试验后再未发现人员和车辆活动迹象,估计该坑道在2006年试验后即废弃。

南部试验坑道 南部试验坑道位于指挥管理区南侧,与指挥管理区在同一山谷隔河而建,有一简易桥梁将两者连接。该隧道始建于2009年,其挖掘和配套设施一直严格保密。据推测,该隧道应该是平洞式试验坑道,其笔直穿入山体,并向内延伸可能达2 200米,在坑道终端建有较大核爆腔室和支坑道,用于最后组装核装置并实施核爆,较大的腔室还可以减轻核爆带来的地震效应。但是2012年9月韩联社报道称,该隧道因洪水和台风“布拉万”、“三巴”的袭击而遭到破坏,地道入口处出现了一定程度的土石坍塌,相关通信和交通设施也遭到不同程度的破坏。到11月中旬修复工作已完成。此外,地下坑道入口11月中旬之后出现漏水现象,排水系统可能存在问题,坑道内试验配套设施可能遭到一定程度破坏,但进入冬季后,该隧道逐渐出现活动频繁的迹象。因此在朝鲜2013年第三次核试验前,外界普遍猜测朝鲜的第三次核试验将在这里进行,但是最终此次试验在北部坑道实施,这里至今仍未使用。

  西部试验坑道 西部坑道是2016年1月朝鲜核试验前发现的,该坑道建设时间接近1年,是在北部坑道挖掘结束后开始的。该坑道曾是指挥管理区到北部坑道的必经之地,具体在连接该山谷南北侧的石质桥梁的南端平台山脚处。2015年初,外界从卫星影像发现该桥梁对岸出现大量渣石,以此判断了新坑道的存在和大致规模。该坑道至今仍未有过核试验准备迹象。

北部试验坑道 北部坑道位于万塔山主峰一侧,并被认为朝鲜第二、三、四次核试验均在该坑道。但由于核试验后坑道内将遗留大量危险残留物,因此不可能反复使用,所以该坑道内应该有至少三个分支坑道,分别完成了上述3次核试验。从近期科研机构测定计算结果看,三次试验的爆炸点基本沿着万塔山主山脊依次向北延伸,逐渐靠近万塔山主峰。几次核爆试验基本都在北部坑道口附近发现了朝鲜布设的测试设备或放置测试设备的帐篷设施。通常核试验场布设的各类核试验测试设备可以分为两类:一类是监视和检测核装置是否满足爆炸状态,并记录爆炸前和过程中的各种数据,以分析核爆成功或失败的原因;另一类是测量爆炸发生时的地震、放射性泄露及电磁脉冲辐射等环境参数。由于核装置数据测量要求非常精确,电缆传输的信号损耗和外部电磁干扰产生的误差都可能使其无法满足测量需要,因此前一类测量仪器需要尽可能靠近核爆装置。因此试验坑道口附近的试验设备布设通常是判断试验进程的主要依据。从坑道开凿出渣量看,北部坑道出渣量是整个试验场所有坑道中最多的,这与其内部有多个分支坑道有关。而且可以判断这里的坑道长度和结构应该也是最长和最复杂的。

通信保障设施 由于核装置爆炸指令将由朝鲜领导层发出,因此与平壤保持可靠通信就至关重要。为此朝鲜很可能建立了以铜芯电缆或光纤电缆为核心的通信方式,以实现首都到试验场的远距离语音甚至影像传送,这种方式既可靠又安全。但是可能由于2012年夏天和秋天的台风,或者其它技术原因导致通信线路被破坏,因此需要建立备份通信方式来保持可靠通信。为此朝鲜在该试验点部署了微波接力通信系统。从卫星影像可以看出,在2013年核试验前,在行政管理区场坪上,靠近指挥掩体出口的地方临时平行停放部署了3辆卡车方舱,方舱上有明显的桅杆及碟形天线。从外观尺寸和部署方式看,这里部署的应该是俄罗斯R404或R414无线接力系统,这种无线接力系统通常只担负语音通信的指挥控制保障,其数据传送能力无法满足监视试验所要求的大量数据。此外,由于微波通常只能直线传播,因此为了确保指挥掩体入口处的通信车发送的信息能飞越山谷可靠传递,无线接力通道就必须在山谷中呈锯齿形蜿蜒前行,以回避大山的阻隔。为了完成16千米远的通往基站的通道,需要在多个山顶建立无线转发站,这些山顶站点始建于2009年,完成于2012年,转发站所在的山顶都被清理过,无线转发站的较高支架,保证了每个无线接力节点之间可以建立清楚的直线通道,通过这些转发站,信号被送到位于丰溪里军事或行政管理区入口的基站。

◎外媒刊登的丰溪里核试验场西部及北部试验坑道区域的2015年4月9日卫星影像图(左)及该区域南部的2016年5月2日卫星影像图(右)丰溪里核试验场试验能力分析

从丰溪里核试验场的建设和使用情况可以看出,该试验场为朝鲜永久性试验场,但由于地理位置等限制,朝鲜核试验能力和试验方式都受到一定局限。

  试验规模受限制 在核试验方式一定的情况下,影响核试验场试验规模的主要是试验场的地理位置和地质结构。虽然丰溪里试验场选址其国土东北,临近日本海,但是其距离我国边境只有不到100千米。从历次试验情况看,几乎每次都在我国边境地区产生了大约1分钟左右的明显震感,一些建筑遭到损坏。总得来看,试验场爆炸震级达到4级以上,就会对我边境军民生活造成明显影响,而该震级规模只相当大约2万吨TNT当量核装置爆炸。如果按照震级每相差0.1级,能量释放相差1.4倍计算,如果试验当量28万吨,震级就将达到5级,这将对我边境地区带来较为严重的破坏,如果进行百万吨当量试验将会给我辉春和长白地区带来破坏性地震。

实际上,朝鲜面临的问题在印度核试验中也遇到过。1998年印度连续进行了5次核试验,当量分别为4.5和1.5万吨,以及200、300和500吨级,这一系列较小威力试验也曾引起外界对其核试验成功与否的质疑,但是近来印度有关人士对此进行了解释,由于印度试验场的水泥井是17年前建造的,由于保密原因,没办法在此基础上加深到超过150~ 200米,而且不想对大量的农村人口进行搬迁,同时也担心爆炸漂浮物进入巴基斯坦境内,印度不得不将核试验最大当量限制在了4.5万吨。

试验次数受到约束 从朝鲜已经进行的4次试验情况来看,其布设爆点相互距离都较近,这样布局造成的泄露风险较大,因为后续的爆炸可能造成前次爆炸封闭的沾染物泄露。只有对地质结构和爆炸威力设计有较高把握才可能采取这样的布局,而且后续爆炸当量只能人为控制在较小范围内,否则将带来较大风险。因此这种爆点布局只能是不得已情况下采取的,主要目的是尽可能利用试验场的有限空间,为未来可能试验预留足够场地。此外,外界普遍质疑朝鲜历次试验威力有限,甚至以此作为判断核试验成功的因素,实际上朝鲜很可能是由于如前所述考虑到试验场地理位置和这里的地质构造,不得已将核试验装置威力限制在较小的范围内,以避免造成对周围地面的次生灾害,以及降低以往试验区的泄露风险。

试验潜力受制约 从朝鲜丰溪里核试验场的组成可以看出,目前这里至少还有两条坑道未使用,因此在不开掘新的坑道的前提下,随时还可能进行至少两次核试验。从朝鲜以往试验坑道建设和使用情况看,朝鲜通常是采用“建一备一”的方式组织试验,也就是说,每次核试验通常在已建好试验坑道的基础上,在试验区内再开掘一条备用坑道。例如,在2006年试验前开掘了北部坑道,在2013年试验前开掘了南部坑道,在2016年试验前开掘了西部坑道。但从目前情况看,试验保障区周边已无明显可利用山体,此外在上述坑道建设中周边原木砍伐已经基本所剩无几。开采建设巷道所需原木只能到距试验区较远的山林,开采运输难度增大,因此进一步扩大试验区的做法将受到制约。

  试验时机选择有限 朝鲜当初将核试验场选址在其东北部,除了位于其战略后方的原因外,主要原因是其靠近日本海,一旦发生泄漏,漂浮物可以吹向大海,减少对本土的影响,但该地区只有每年的10月到次年的2月风向为西北风,才能将可能泄露的漂浮物吹向大海。因此进行核试验的最佳时机通常为每年的这一时间段。从历次试验看,除了2006年第一次核试验选在5月特殊的政治纪念日外,其余安排在10月、1月和2月。可以判断,以后在丰溪里试验场的核试验在10月到次年2月的可能性较大。

试验方式暂时难以改变 印度于1974年爆炸了首个核装置,与美国首次进行TNT当量为2万吨的钚核装置爆炸试验相比,虽然设计简单,但是TNT当量还是达到了1.2万吨左右。朝鲜首次核试验的TNT当量小于1千吨,是历史上当量最小的核试验。即使当量与有些报道的4千吨当量一样,在各国的首次核试验中也是最小的。而2016年1月朝鲜进行的氢弹试验也已经成为核武器发展史上威力最小的氢弹试验。虽然美国报道称此次试验不成功,但是从以上分析可以看出,当量小并不能否定朝鲜的氢弹试验。例如,印度相关人士透露,印度连续5次核试验中的后几次较小当量的裂变试验完全是为了生产热核弹头,验证科学理论的正确性,以便获取重复进行核试验的机会。朝鲜于2016年1月进行的试验很可能也只是原理性试验,而由于上述诸多因素不得不将设计当量减小,但是试验很可能还是存在部分失败,因为此次试验爆炸点比2013年更靠近万塔山主峰,山体土方量比上次更大,因此预计的爆炸当量虽然受到限制,但还是应该更大,而2016年1月的实际爆炸当量却比2013年有所减小,这说明此次试验当量很可能比预期当量威力小,因此存在爆炸不充分的可能。

丰溪里核试验场进行的历次试验基本选择了平洞式试验方式,但这一方式的试验空间将越来越少,而且对试验当量有限制,因此不排除朝鲜在该地区探索竖井方式。但这种方式需要技术和规模较大的专用钻机,而这由于朝鲜长期受到外部制裁,很可能暂时无法实现,因此很快在该试验场进行大威力试验的可能性不大。

◎外媒刊登的丰溪里核试验场北部试验坑道指挥部场地2016年1月6日卫星影像图

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