"新"核取证：出于安全目的的核材料分析

第1章 引言
　　Vitaly Fedchenko
　　核科学发展伊始，便提出核能既可用于制造威力空前的武器，也可用于发电和发热。早在1903年，人们就曾估算了原子核的能量，同年，欧内斯特 卢瑟福(Ernest Rutherford)提出，“如果能找到某种适当的引爆装置，则可以想象在物质中有可能会引发一系列原子裂变，它的确可使这个旧世界灰飞烟灭”1。*早使用术语“原子弹”的，可能并不是科学家，而是英国科幻小说家威尔斯(H. G. Wells)。1913年，威尔斯在小说《解放全世界》(The World Set Free)中描绘了“原子能”的运输和工业应用，以及研制在全球战争中用于摧毁大城市的“原子弹”2。正如历史学家托马斯? ?鲍沃斯(Thomas Powers)曾指出的那样，“在人类耗资研制第一枚原子弹三十年前，原子弹就已得名”3。事实上，第一枚核武器于1945年试爆成功，比1954年第一座核电站并网发电早了几乎近十年4。
　　尽管核能有着巨大的军事和工业潜能，但多年来一直未被证实。核能双重用途(军用和民用)问题的巨大重要性，无疑引起了世界大国政府的密切关注，并很快将其列入“国家安全”范畴进行开发部署5。
　　1.1 国家安全政策与核材料分析
　　20世纪40年代，以英国和美国为首，许多国家相继制定了关于核材料应用的国家安全政策。这些政策主要包括三个相互影响的目标：核能军事应用的发展与管控；寻找抑制有核能力国家或非政府组织从事核扩散的方法途径；一旦防核扩散失败，尽可能完整地获取与他国核计划或核武库相关的信息。实现第一个目标，主要是指本国的核武器生产。然而，在某些情形中，一国可能会为另一国制造核武器提供援助——例如，20世纪40年代英国曾帮助过美国，20世纪50年代苏联曾帮助过中国6。实现第二个目标，*先进的方法是在核材料和核技术转让中引入国际法律和制度屏障。与此同时，实现第三个目标主要是依托各种国家情报机构7。
　　这些国家安全政策的实施，逐步发展成各种国家法律和国际条约。例如，国家核武库的发展，导致了国际核军备控制条约的缔结及履约核查需求的出现。与之类似，防止核材料和核技术转移的努力，形成了今天的防核扩散机制：尽管各国的核设施属国家所有，但大多数核设施必须接受各种国际条约和协定的强制监管和约束8。1968年的《不扩散核武器条约》(Non-Proliferation Treaty，NPT)是这一机制的法律和政治基础9。该条约规定大多数国家必须执行国际原子能机构(International Atomic Energy Agency，IAEA)的“保障监督”核查机制。将这一方法延伸至各种非政府组织，即所谓的“核安全”，主要是打击非法核交易(即核走私)，*终打击核恐怖主义威胁10。
　　随着国际核军备控制和防核扩散条约的不断发展，各种情报机构、方法和设施也开始以一种新的方式服务于前两项政策目标。各类国际条约开始写入了希望在核查中运用国家技术手段(national technical mean，NTM)以及禁止干扰和以任何方式阻碍其使用的条款11。相关的多边条约包括1963年的《部分禁止核试验条约》(Partial Test-Ban Treaty，PTBT)和1996年的《全面禁止核试验条约》(Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty，CTBT)12。在《不扩散核武器条约》文本中，尽管并未明确讨论各种国家技术手段的使用，但各缔约国可以向IAEA提供其自认为与各种核保障监督目的相关的他国信息13。苏美或俄美的一些双边条约，包括1974年的《限当量禁核试条约》(Threshold Test-Ban Treaty，TTBT)、1991年的《美苏关于削减和限制进攻性战略武器条约》(Treaty on the Reduction and Limitation of Strategic Offensive Arms，START I)和2010年的《美俄关于进一步削减和限制进攻性战略武器措施的条约》(Treaty on Measures for the Further Reduction and Limitation of Strategic Offensive Arms，New START)，也都允许在条约执行过程中使用各种国家技术手段14。
　　大多数情形中，为了实现既定的设计目标，相应的政策和法律不得不将重点放在核材料上，其次是放射性材料，而不是着眼于相关设备。其原因显而易见：核材料是核能产生的源头。按照定义，核材料存在于核燃料循环的各个阶段和核武器中，且往往伴随有其他的放射性材料。此外，一个普遍的共识是，在制造核爆炸装置中，*困难、成本高昂的步骤是生产足够数量所需品质的核材料。因此，核材料和放射性材料分析往往是许多与核能军事应用相关技术和科学方法的关键组成部分。
　　核燃料循环是指在核电或核材料生产过程中所涉及的一整套与核材料流紧密联系的核设施和核活动15。核材料可被想象成通过一套管网从一个设施“流向”另一个设施，期间，核材料的化学和物理性质不断发生变化，从矿石转变为核燃料，继而转变为废物16。燃料循环的每一步或核材料的每一次使用，将不可避免地在材料中留下相应的“印记”。换句话说，核材料会保留某些与过去曾经历过的事情或原始状态有关的信息。这是可能的，因为在现实中，对于有限数量的、已有的核材料种类，仅有为数不多的物理和化学处理工艺可供使用，在大多数情形中，研究人员知道——至少可大概知道——相关的处理工艺和材料是什么。因此，从理论上讲，在某一事件后对核(或放射性)材料进行分析，可给出关于所研究事件的信息(与这些核取证指纹特征相关的更多信息，详见第5章和第6章)。不言自明，开展核材料及其他放射性材料测量与分析，对于实现上述三项国家安全政策目标具有必不可少的重要意义。
　　1.2 核取证分析作为一个统称术语
　　本书旨在描述核材料及相关放射性材料测量和分析在各种核能潜在军事应用中的运用，特别是在推进前面提到过的三个目标中的运用：核武器研发与军备控制；防核扩散与核安全；核查与情报。某些测量和分析技术多年来已经以一种孤立形式在这些应用中得以运用，一直未将其明确地相互联系在一起。然而，随着所涉及的各种技术的日渐成熟和普及，是时候将其视为一门独立的科学学科。
　　在此，我们建议将这门新学科称为“核取证分析”或“核取证”。这是对已有术语的一种扩展和延伸，包括了所有旨在国家安全目的、涉及核材料分析的应用。术语“核取证分析”和“核取证”的*早提出，可能与20世纪90年代初为应对开始出现的核走私问题的大背景有关17。对早期这类案件的调查和起诉，要求相关技术的发展和应用，以分析所涉及的核材料，进而为法庭提供所需证据——因此取名术语“取证”。
　　《牛津英语词典》将“取证(forensic)”定义为“与法庭有关或用于法庭，适用于或类似于法庭证据”18。更广泛地说，在专业文献中，“取证”被认为是“将科学用于法律”19。尽管这种定义更多的是与国内法律有关，但也可被解释为涉及各种国际法和规则，特别是各种国际条约。甚至可将术语“取证”进一步延伸到包括各种政策的实施。政策和法律的设计有时是为了实现相同的目标，只不过二者在立法和执行强制性方面的程度不同而已。
　　2006～2015年，IAEA将“核取证(nuclear forensics)”定义为：“对截获的非法核材料或放射性材料及任何相关材料进行分析，进而为核归因提供证据”。其中，“归因”(attribution)是指确定非法活动所用核材料或放射性材料的源头，进而确定涉及这类材料的原产地和运输途径的过程，*终促成对相关责任方的控诉”20。2015年，IAEA又再次细化了“核取证”定义，即“在与核安全相关的国际法或国内法的法律诉讼背景下，对核材料或其他放射性材料，或受放射性核素沾染的证据物进行检查”21。这些定义被用于IAEA除核保障监督活动之外、与核安全相关的专门事务中22。然而事实上，在打击非法核交易中所用到的各种分析技术，在其他领域也具有更大的潜力，且多年来一直在被广泛运用。
　　将术语“核取证分析”延伸至涵盖国家安全的各个方面，而不仅仅只是违反国内法律，有时被批评为援引了过多的刑事学涵义。有人也曾提出“核材料分析”等备选术语。例如，在俄罗斯，术语“核取证分析”通常适用于犯罪或非法活动，术语“专家技术核分析”则适用于其他情形23。
　　在此，之所以采用术语“核取证分析”，是因为与任何其他的短语相比，其用意更为广泛。例如，关于核取证(狭义)的著名教材讨论了如何运用这门学科来确定恐怖主义袭击中所用核爆炸装置的来源，但这样做将不可避免地会罗列关于装置性能的参数信息，显然，这与军备控制、裁军和情报领域的信息息息相关24。这或许并不是一种巧合，因为核材料的性质与其应用的政治背景无关。
　　为了囊括所述技术所有可能的应用，本书采用了方框1.1中给出的广义定义。这些定义及其他的定义也都包含于术语表中。
　　方框1.1 定义a
　　核取证分析(或核取证，nuclear forensic analysis)是指对某一核材料或放射性材料样品及任何相关信息进行分析，进而为确定该材料的历史提供证据。核取证分析包括分类、表征、核取证解译和重建。
　　分类(categorization)是指将感兴趣的样品快速分配给某一预定的小组，以便决定对其做进一步处理。
　　表征(characterization)是指确定(即，测定)某一样品的特征。样品表征通常涉及样品元素分析，往往包括对核材料(即铀或钚)和选定的次要组分(如，铅)的同位素分析。此外，样品表征还包括物理表征，例如，测量固体样品的关键尺寸，或测定粉体样品的粒径和形状分布b。
　　核取证解译(nuclear forensic interpretation)是指将样品特征与各种已知的材料生产、加工和使用方法信息进行关联的过程。核取证解译过程所得到的信息是核取证实验室的*终产品。
　　重建(reconstruction)是指利用核取证解译得到的信息，结合其他所有可用信息(例如，源自对样品相关非核证据的取证分析，或源自各种情报源)，尽可能完整地确定核材料、放射性材料或某一事件的历史的过程。在非法核交易和核恐怖主义事件调查中，该阶段也被称为归因(attribution)。
　　a The definitions of ‘nuclear forensic analysis’， and ‘reconstruction’， were developed in cooperation with Dr James Acton on the basis of the definitions in International Atomic Energy Agency (IAEA)， Nuclear Forensics Support: Reference Manual， IAEA Nuclear Security Series no. 2， Technical Guidance (IAEA: Vienna， 2006)。
　　b IAEA (note a)， pp. 3-4；Mayer， K.， Wallenius， M. and Ray， I.， ‘Tracing the origin of diverted or stolen nuclear material through nuclear forensic investigations’， eds R. Avenhaus et al.， Verifying Treaty Compliance: Limiting Weapons of Mass Destruction and Monitoring Kyoto Protocol Provisions (Springer

《“新”核取证：出于安全目的的核材料分析》研究和分析了20世纪40年代以来核取证分析的学科发展，重点探讨了核材料及放射性材料分析在核武器研发与军备控制、防核扩散与核安全、核查与情报等国际和平与安全事务中的具体应用。《“新”核取证：出于安全目的的核材料分析》共分为两篇。第一篇介绍了出于安全目的的核取证方法，包括核取证分析过程、无机质谱和γ能谱测量技术、与核燃料循环及核爆炸爆后分析相关的核取证指纹特征。第二篇介绍了核取证应用实践，包括美国、苏联和瑞典的核取证发展历史，以及核取证分析在核军备控制与打击非法核交易方面的应用。

目录
前言
致谢
作者简介
缩略语对照表
术语表
第1章 引言 1
1.1 国家安全政策与核材料分析 1
1.2 核取证分析作为一个统称术语 3
1.3 核取证分析的应用及目的 5
第一篇 核取证方法
第2章 核取证分析过程 9
2.1 样品采集与分类 10
2.1.1 样品采集 10
2.1.2 样品分类 12
2.2 样品表征 14
2.2.1 材料表征 14
2.2.2 测量技术及设备 15
2.3 核取证解译 18
2.3.1 指纹特征 18
2.3.2 解译过程 19
2.3.3 图书馆、数据库和档案 20
第3章 无机质谱：一种破坏性核取证分析工具 26
3.1 热电离质谱 27
3.1.1 原理与概述 27
3.1.2 TIMS在核取证中的应用 28
3.2 电感耦合等离子体质谱 29
3.2.1 原理与概述 29
3.2.2 测定元素组成和杂质 31
3.2.3 利用多接收ICP-MS测定同位素比值 34
3.2.4 ICP-MS在核取证中的应用实例 36
3.3 二次离子质谱 37
3.3.1 原理与概述 37
3.3.2 利用SIMS进行铀颗粒物分析的经典的保障监督应用 37
3.3.3 SIMS分析在取证应用中的实例 39
3.4 其他质谱技术 41
3.4.1 共振电离质谱 41
3.4.2 加速器质谱 43
第4章 γ能谱测量：一种非破坏性核取证分析工具 45
4.1 γ能谱测量原理 45
4.1.1 γ能谱测量的物理学基础 45
4.1.2 电磁辐射与物质的相互作用 45
4.1.3 测量原理 46
4.2 γ能谱测量装置 47
4.3 γ探测器的能力、要求和限制 51
4.3.1 峰宽的解析 53
4.3.2 测量时间 54
4.3.3 本底辐射 55
4.4 γ能谱测量的特殊应用 56
4.4.1 机载测量及与空气有关的测量 56
4.4.2 水下测量 57
4.4.3 地下实验 57
第5章 样品特征与核取证指纹特征 58
5.1 物理特征与指纹特征 58
5.1.1 金属铀和钚 58
5.1.2 燃料芯块 59
5.1.3 与核燃料循环相关的粉末和液体 63
5.2 化学特征与指纹特征 64
5.2.1 铀化合物 64
5.2.2 钚化合物 68
5.2.3 燃料循环中常见的非核化学品 68
5.3 元素特征与指纹特征 69
5.4 同位素特征与指纹特征 71
5.4.1 钚同位素 71
5.4.2 铀同位素 75
5.4.3 其他重要的稳定同位素比 79　　
第6章 核爆炸爆后环境的放射性核素特征 83
6.1 对人体的辐射剂量 84
6.2 源自废弃地下核试验场的核素 85
6.3 与《全面禁止核试验条约》核查相关的颗粒状放射性核素 87
6.3.1 第1类：残余燃料 90
6.3.2 第2类：燃料的非裂变反应产物 92
6.3.3 第3类：裂变产物 93
6.3.4 第4类：非燃料炸弹材料的活化产物 94
6.3.5 第5类：地下核爆炸堵塞(回填)材料及围岩中的活化产物 94
6.3.6 第6类：近地大气层核爆炸的地面活化产物 95
6.3.7 第7类：水下或近海面核爆炸周围海水中的活化产物 95
6.3.8 第8类：大气层核爆炸周围空气中的活化产物 95
6.3.9 第9类：源自中子注量探测器的活化产物 96
6.3.10 第10类：添加指示剂 96
6.3.11 开列《全面禁止核试验条约》相关颗粒状核素的*终清单 96
6.4 与《全面禁止核试验条约》国际监测系统相关的惰性气体放射性核素 102
6.5 与现场视察相关的颗粒状核素和气体核素 103
第二篇 核取证实践
第7章 核取证分析起源Ⅰ：美国和苏联 109
7.1 美国核取证的起源 109
7.1.1 批量环境样品分析的第一步 110
7.1.2 旨在检验美国核爆炸的环境取样 112
7.1.3 探测和分析苏联首次核试验的碎片 117
7.2 苏联首例核取证分析 120
7.2.1 分析苏联本国的核试验碎片 120
7.2.2 分析美国的核试验碎片 123
第8章 核取证分析起源Ⅱ：瑞典的核武器碎片分析 128
8.1 核裂变和活化产物放射性核素的远程探测 129
8.1.1 分凝 133
8.1.2 热粒子研究 134
8.2 探测大气层核试验 135
8.2.1 大气层核试验(1958～1963年) 135
8.2.2 中国大气层核试验(1964～1980年) 136
8.2.3 法国大气层核试验(1966～1974年) 137
8.3 瑞典放射性核素核查系统的发展(1963年之后) 139
8.4 瑞典对地下核爆炸放射性泄漏的探测 142
8.5 瑞典将核取证用于非核爆炸事件 145
8.6 对《全面禁止核试验条约》的影响 146
第9章 核取证分析的应用 148
9.1 《不扩散核武器条约》核查 148
9.1.1 伊拉克人质衣物上的铀颗粒物 148
9.1.2 伊拉克的交叉污染问题 151
9.1.3 对伊拉克水路的取样 154
9.1.4 核查伊朗向IAEA申报的铀颗粒物分析 156
9.2 《裂变材料禁产条约》核查 158
9.2.1 通过测定钚龄核查朝鲜的初始申报 158
9.2.2 测定反应堆的钚生产及运行历史 159
9.2.3 通过环境取样进行远程核查 161
9.3 核爆炸爆后分析 162
9.3.1 2006年、2009年和2013年朝鲜核试验 162
9.3.2 分析美国1954年“喝彩城堡(Castle Bravo)”热核试验的碎片 168
9.4 打击非法核交易 173
9.4.1 在匈牙利截获的燃料芯块：背景 174
9.4.2 燃料芯块的表征 174
9.4.3 表征结果的解译 176
附录A 与测量相关的基本事实和定义 179
A.1 术语及定义 179
A.1.1 准确度与精确度 180
A.1.2 被测量的基本方面 180
A.1.3 统计分布 181
A.1.4 测量误差 182
A.2 被测量评定 183
A.2.1 假设检验 184
A.2.2 确定判断限和探测限 184
A.2.3 测量的置信区间 185
A.2.4 定量分析和定量限 186
A.3 在计数测量中的应用 186
附录B 瑞典对中国大气层核试验的探测 188