增材制造對(duì)核擴(kuò)散的影響評(píng)估

作為顛覆性技術(shù)的增材制造被認(rèn)為擁有沖擊現(xiàn)有核不擴(kuò)散體系的潛力。本文討論了理論上增材制造在核供應(yīng)鏈中相比傳統(tǒng)制造方法的優(yōu)勢(shì)，在這些優(yōu)勢(shì)的刺激下，潛在擴(kuò)散國家或組織可能會(huì)通過增材制造獲取核武器。從獲取裂變材料、獲取放射性材料、獲取核彈頭和運(yùn)載裝置、非法販運(yùn)與出口四個(gè)角度，對(duì)現(xiàn)階段增材制造的核擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)估。由于增材制造在鈾濃縮、乏燃料后處理、反應(yīng)堆制造等場(chǎng)景中作用有限，在技術(shù)成熟度和產(chǎn)品性能表現(xiàn)上未對(duì)傳統(tǒng)制造工藝呈現(xiàn)壓倒性優(yōu)勢(shì)，前期投資較大且存在相當(dāng)?shù)募夹g(shù)門檻，現(xiàn)階段增材制造的核擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)在橫向上總體可控，在縱向上可能扭曲為先進(jìn)制造大國“大國競(jìng)爭(zhēng)”的利刃，通過增材制造進(jìn)一步擴(kuò)充和完善核武庫的可靠性與威懾力。

核不擴(kuò)散體系與增材制造

核擴(kuò)散指將核武器、裂變與放射性材料、核武器制造的知識(shí)與技術(shù)傳播擴(kuò)散到無核武器國家或其他行為體（如恐怖組織）。核不擴(kuò)散體系是所有國際的、國家的、雙邊的、多邊的核不擴(kuò)散法律、政策和協(xié)定的總和，也是為阻止核擴(kuò)散而構(gòu)筑的一個(gè)法律的、技術(shù)的、經(jīng)濟(jì)的和政治的廣泛性國際網(wǎng)絡(luò)。

在具體實(shí)踐上，由國際條約、決議與聲明、國際組織與機(jī)構(gòu)共同維持和保障著核不擴(kuò)散體制的具體目標(biāo)，即《不擴(kuò)散核武器條約》的“三大支柱”：防止核武器擴(kuò)散、促進(jìn)和平利用核能并實(shí)現(xiàn)核裁軍。我國在防止核擴(kuò)散領(lǐng)域立場(chǎng)堅(jiān)定且鮮明，自1992年加入《不擴(kuò)散核武器條約》以來，一直堅(jiān)持著《中華人民共和國國家安全法》規(guī)定的“和平利用核能和核技術(shù)，加強(qiáng)國際合作，防止核擴(kuò)散，完善防擴(kuò)散機(jī)制”的根本原則，同時(shí)通過各項(xiàng)實(shí)際行動(dòng)切實(shí)維護(hù)核不擴(kuò)散體系的權(quán)威性與有效性。

增材制造作為一種顛覆性技術(shù)，普遍被認(rèn)為具備改變游戲規(guī)則的潛在影響力。在核生產(chǎn)供應(yīng)鏈中，理論上增材制造相比傳統(tǒng)的減材制造工藝具有更大的優(yōu)勢(shì)，而這些優(yōu)勢(shì)賦予了其沖擊現(xiàn)今核不擴(kuò)散的體系的潛能與可能。在這些優(yōu)勢(shì)的刺激下，希望獲得核武器的潛在國家或其他行為體可能會(huì)在本國或本地組建生產(chǎn)線，繞開國際核供應(yīng)市場(chǎng)及國際監(jiān)管。此外，增材制造作為軍民兩用技術(shù)，在監(jiān)管層面本身也具有很大難度。

增材制造在核生產(chǎn)供應(yīng)鏈中的比較優(yōu)勢(shì)

降低生產(chǎn)成本。增材制造在降低成本方面的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下三方面。第一，過去核武器和反應(yīng)堆部件常常是利用“減材制造”的傳統(tǒng)工藝完成的，即通過將大塊的材料切割、鉆孔并塑造為需要的尺寸和形狀。而增材制造則通過計(jì)算機(jī)引導(dǎo)模型分層，并逐層“打印”三維物體，所使用的聚合物、陶瓷或金屬材料根據(jù)需要通過精密制導(dǎo)儀器添加，這一過程將極大減少材料的浪費(fèi)。據(jù)估算，增材制造相比減材制造方式減少了70～90%的浪費(fèi)。第二，隨著設(shè)計(jì)復(fù)雜性的增加，傳統(tǒng)制造方法的成本呈指數(shù)級(jí)上升，而增材制造則在復(fù)雜設(shè)計(jì)和制造方面具有天然優(yōu)勢(shì)，在成本上比傳統(tǒng)制造方法要低很多。第三，傳統(tǒng)的制造廠在生產(chǎn)某項(xiàng)核部件時(shí)往往需設(shè)計(jì)和建立整條生產(chǎn)線，但增材制造工廠則可通過快速調(diào)整來制造不同的部件，無需重復(fù)裝配生產(chǎn)線的工作。

降低準(zhǔn)入門檻。增材制造技術(shù)的出現(xiàn)降低了獲得核武器的準(zhǔn)入門檻。在過去，一國想要發(fā)展出本土核能力是一個(gè)漫長(zhǎng)且艱辛的過程，需舉全國之力集中工業(yè)、人力、技術(shù)和智力資源才得以實(shí)現(xiàn)，美國的“曼哈頓計(jì)劃”、蘇聯(lián)和我國的核計(jì)劃莫不如是。而在增材制造技術(shù)中，許多核部件的設(shè)計(jì)與制造知識(shí)可通過CAD文件在網(wǎng)絡(luò)上傳播，這些CAD文件所蘊(yùn)含的有關(guān)設(shè)計(jì)和自動(dòng)化制造的信息量遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)藍(lán)圖，在很大程度上降低了獲取相關(guān)知識(shí)以及部件生產(chǎn)的難度。雖然增材制造技術(shù)也有著門檻，但總體而言所需的知識(shí)和操作技能都低于傳統(tǒng)制造方法。

縮短研發(fā)時(shí)間。增材制造的另一大優(yōu)勢(shì)在于可以通過一系列快速原型的制作，促進(jìn)核武器的設(shè)計(jì)和測(cè)試過程，同時(shí)在這一過程中預(yù)演、熟悉并掌握生產(chǎn)流程、技術(shù)經(jīng)驗(yàn)、工程細(xì)節(jié)和安全措施等“隱性知識(shí)”，而隱性知識(shí)對(duì)于核武器研發(fā)這種高敏高危的工程而言非常關(guān)鍵。

增材制造引發(fā)的核擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

核擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估：通過增材制造獲取裂變材料。獲得核武器的兩個(gè)最重要、也是最敏感的環(huán)節(jié)是鈾濃縮和乏燃料后處理，通過這兩個(gè)環(huán)節(jié)，國家或其他行為體可獲得對(duì)制造核武器至關(guān)重要的濃縮鈾或武器級(jí)钚。

鈾濃縮。在鈾濃縮流程中，主要考慮增材制造能否在離心機(jī)整體或部件的生產(chǎn)上發(fā)揮作用。在理論上，可以使用中等或大型的3D打印機(jī)生產(chǎn)離心機(jī)，真空泵和電機(jī)定子等需要高分辨率制造的部件也能進(jìn)行生產(chǎn)。但在實(shí)際場(chǎng)景中，通過增材制造技術(shù)生產(chǎn)離心機(jī)或部件面臨著困難。

一是制造離心機(jī)的高度耐腐蝕性材料出口受限。六氟化鈾對(duì)大多數(shù)金屬具有高度腐蝕性，因此轉(zhuǎn)子壁等部件需采用高度耐腐蝕性材料，而這些材料一般都在核供應(yīng)國集團(tuán)的兩用物項(xiàng)清單中。以我國為例，根據(jù)2023年發(fā)布的兩用物項(xiàng)和技術(shù)進(jìn)出口許可證管理目錄，滿足一定極限抗拉強(qiáng)度、可被用于制造離心機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件的馬氏體鋼、鋁合金和纖維材料均在出口管制清單內(nèi)。其他核供應(yīng)國也都有類似的兩用物項(xiàng)清單或觸發(fā)物品清單（trigger list items），對(duì)幾乎所有可以直接促進(jìn)核生產(chǎn)的物品和材料出口都做出了嚴(yán)格規(guī)定。因此，想通過增材制造促進(jìn)離心機(jī)的生產(chǎn)，在材料進(jìn)口方面就存在著較大障礙。

二是增材制造目前主要應(yīng)用于小規(guī)模生產(chǎn)或原型制作，在大規(guī)模生產(chǎn)上經(jīng)驗(yàn)不足，而鈾濃縮往往需要數(shù)百乃至數(shù)千臺(tái)離心機(jī)級(jí)聯(lián)。面對(duì)如此之大的需求，希望獲得核武器的國家或其他行為體更有可能通過已經(jīng)過驗(yàn)證的傳統(tǒng)制造方法來獲得離心機(jī)。

乏燃料后處理。即通過化學(xué)方法將乏核燃料中的鈾與钚分離，印度、巴基斯坦和以色列均是采用的此種方法。分離钚的工藝有很多，但應(yīng)用最廣泛的是钚鈾提取工藝（Purex），該工藝是一種溶劑萃取方法，分別以

硝酸鈾酰和硝酸钚溶液形式提取出來。在后處理流程中，增材制造可以起到的作用是與熱室（hot cell）和混凝土屏蔽系統(tǒng)相關(guān)的制造，但與傳統(tǒng)工藝相比，增材制造并不具有足夠的競(jìng)爭(zhēng)力，不值得在增材制造中投入資金、技術(shù)和人力來開發(fā)后處理設(shè)施。

鈾濃縮和乏燃料后處理流程中增材制造的擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)

9項(xiàng)對(duì)核防擴(kuò)散構(gòu)成了“高風(fēng)險(xiǎn)”的增材制造技術(shù)

來自佐治亞理工學(xué)院安德魯·科南特評(píng)估了增材制造在鈾濃縮和乏燃料后處理流程中可能造成的擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)，其中綠色涂塊為低威脅，黃色為中等程度威脅，紅色為高威脅?？傮w來看，雖然增材制造在端蓋和殼體等簡(jiǎn)單部件方面能夠發(fā)揮較大作用，但在獲取裂變材料的流程中能發(fā)揮的作用有限，僅依靠增材制造不太可能獨(dú)立發(fā)展出濃縮鈾或武器級(jí)钚的生產(chǎn)線，相關(guān)核擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)是可控的。

核擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估：通過增材制造獲取放射性材料。核反應(yīng)堆能產(chǎn)出銫-137、鍶-90、鈷-60等放射性同位素，這些同位素可作為制造“臟彈”等放射性散布裝置的原材料。目前，增材制造在核反應(yīng)堆制造和部件生產(chǎn)中已出現(xiàn)了相當(dāng)多的實(shí)際應(yīng)用。如在橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室所主導(dǎo)的“轉(zhuǎn)型挑戰(zhàn)反應(yīng)堆”項(xiàng)目中，通過增材制造進(jìn)行了堆芯的原型設(shè)計(jì)和制造，生產(chǎn)了槽形通道緊固件等部件。

經(jīng)過近40年的發(fā)展，增材制造領(lǐng)域已形成了光聚合、粉末床融合、材料噴射、粘結(jié)劑噴射、材料擠出、薄片層疊、定向能量沉積等7大類工藝。佐治亞理工學(xué)院的娜塔莉·坎農(nóng)和其同事對(duì)這7大工藝類型及其下屬的33種主要技術(shù)進(jìn)行了核擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，進(jìn)行了定量分析，并根據(jù)構(gòu)成核擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)的強(qiáng)弱進(jìn)行了排序。其中，得分在20以上的被視作具有核擴(kuò)散高風(fēng)險(xiǎn)的技術(shù)，19～11分的為中等風(fēng)險(xiǎn)技術(shù)，10分以下的為低風(fēng)險(xiǎn)技術(shù)。研究結(jié)果表明，立體光刻等9項(xiàng)技術(shù)對(duì)于核防擴(kuò)散構(gòu)成了“高風(fēng)險(xiǎn)”，這些技術(shù)在核生產(chǎn)供應(yīng)鏈中已經(jīng)出現(xiàn)、或即將實(shí)現(xiàn)的相關(guān)實(shí)際應(yīng)用。

結(jié)果表明，粉末床融合與定向能沉積兩大工藝類別水平最高、未來在核生產(chǎn)供應(yīng)鏈中潛力最大、同時(shí)也是核擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)最大的工藝。“中等風(fēng)險(xiǎn)”的技術(shù)尚未在核供應(yīng)鏈生產(chǎn)中發(fā)揮作用，但被認(rèn)為具有該方向一定的潛力，相關(guān)研究工作也正在開展。如選擇性熱燒結(jié)（SHS）和金屬粘合劑噴射技術(shù)被認(rèn)為具有制造高熱通量組件的能力。

總體來看，增材制造在核反應(yīng)堆部件的制造上潛力較大，對(duì)于提升核生產(chǎn)供應(yīng)鏈的穩(wěn)定性和彈性具有積極作用，在核能領(lǐng)域應(yīng)用前景廣泛。然而，現(xiàn)階段增材制造的產(chǎn)品大多數(shù)為非核心部件和輔助裝置部件，金屬反應(yīng)堆與核心部件的設(shè)計(jì)與制造較少。且由于工藝、材料性能、應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)、分析方法等因素未能確定，許多法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)目前不允許在核反應(yīng)堆中使用增材制造部件，許多產(chǎn)品尚處于前期探索和驗(yàn)證階段。對(duì)于將安全性放在首要位置考慮的反應(yīng)堆而言，現(xiàn)階段及較近的將來都不太可能將增材制造投入大規(guī)模工程應(yīng)用。因此，希望獲得核武器的潛在國家或其他行為體不太可能僅通過增材制造建造反應(yīng)堆，相關(guān)核擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)是可控的。

核擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估：通過增材制造發(fā)展核武器與投送裝置。考慮通過增材制造發(fā)展核武器與投送裝置的可能性。在核武器關(guān)鍵部件彈芯的制造中，增材制造并不適用；在中子反射體或高能炸藥透鏡制造方面，一些大型實(shí)驗(yàn)室如勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了相關(guān)研究；在火箭推進(jìn)系統(tǒng)方面，考慮到火箭推進(jìn)系統(tǒng)內(nèi)部復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)，以及增材制造技術(shù)本身的優(yōu)勢(shì)（整體打印，總重量較輕），許多國家軍工部門、大型實(shí)驗(yàn)室和企業(yè)都在加速將增材制造集成到這些領(lǐng)域的生產(chǎn)過程中。

現(xiàn)階段，通過增材制造開發(fā)核彈頭和運(yùn)載系統(tǒng)仍是美國等先進(jìn)制造大國的專利?？紤]到材料成本、技術(shù)壁壘以及增材制造現(xiàn)階段的能力限制，小國或恐怖組織想要利用增材制造獨(dú)立、完整地制造一枚導(dǎo)彈幾乎不太可能。

首先，獲得能夠生產(chǎn)導(dǎo)彈部件的增材制造設(shè)備就極為困難。其次，即使是最先進(jìn)的設(shè)備也難以制造出導(dǎo)彈所需的高強(qiáng)度、多功能金屬，現(xiàn)有的增材制造技術(shù)如激光粉床融合，在金屬打印時(shí)存在孔隙化導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)性能問題。最后，考慮到增材制造仍是一項(xiàng)處于“野蠻生長(zhǎng)”的早期階段技術(shù)，潛在核擴(kuò)散者可能更加傾向于購買已有的產(chǎn)品，而不是“押注”他們?nèi)狈I(yè)性知識(shí)的增材制造，通過對(duì)增材制造進(jìn)行大量前期投資換取一個(gè)并不穩(wěn)定的未來。

核擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估：非法販運(yùn)與出口。CAD文件的泄露與網(wǎng)絡(luò)傳播是增材制造另一項(xiàng)潛在的核擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)，由于增材制造的核常兩用特性，針對(duì)增材制造設(shè)備、文件和材料的非法販運(yùn)與出口的監(jiān)管存在著較大困難。面對(duì)這種情況，各國相繼出臺(tái)了一些法律法規(guī)，我國在2023年《禁止出口限制出口技術(shù)目錄》（征求意見版）中將“鑄鍛銑一體化”以及“耐高溫纖維樹脂材料及其同步固化工藝”等技術(shù)列入了限制出口技術(shù)條目；美、日、英、俄等四十余個(gè)國家簽署的《瓦森納協(xié)定》在2020年新增對(duì)增材制造設(shè)備的出口限制。然而，這些法規(guī)均不涵蓋針對(duì)數(shù)字設(shè)計(jì)文件（如 CAD文件）和大多數(shù)增材制造原材料；同時(shí)，由于增材制造的核常兩用特性，涉及核領(lǐng)域的采購可能會(huì)在合法網(wǎng)絡(luò)渠道下找到偽裝；最后，數(shù)字設(shè)計(jì)文件的網(wǎng)絡(luò)非法販運(yùn)存在響應(yīng)時(shí)間短和暗網(wǎng)傳播監(jiān)管困難的問題。

增材制造在核彈頭和運(yùn)載系統(tǒng)中的應(yīng)用

總而言之，3D打印技術(shù)具有巨大的顛覆性潛力。為了防止這種技術(shù)破壞播下不穩(wěn)定的種子，防擴(kuò)散制度將需要更強(qiáng)的檢測(cè)能力和更強(qiáng)有力的出口管制，以阻止與3D打印相關(guān)的核材料和設(shè)備的非法流動(dòng)。

結(jié)語

作為一項(xiàng)前景廣闊的顛覆性技術(shù)，理論上增材制造似乎對(duì)現(xiàn)行核擴(kuò)散制度構(gòu)成了重大挑戰(zhàn)，但在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中其實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)可控，對(duì)于想要獲取核武器的潛在國家或組織而言，現(xiàn)階段的增材制造并不是一條捷徑，增材制造對(duì)現(xiàn)行核不擴(kuò)散體系很難構(gòu)成威脅。

一是現(xiàn)階段的增材制造對(duì)于放射性或裂變材料的獲取沒有太大的幫助。

二是前期投入較大，可效仿的經(jīng)驗(yàn)較少。3D打印機(jī)器和稀有材料的獲取、工程師和技術(shù)人員的培養(yǎng)、后期處理（如去除支撐材料、銑削、熱處理、拋光等）等問題的解決需要大量的資源投入，且作為新興產(chǎn)業(yè)的增材制造沒有太多的經(jīng)驗(yàn)可供參考。

三是在核生產(chǎn)供應(yīng)鏈中，現(xiàn)階段的增材制造在技術(shù)成熟度和產(chǎn)品性能表現(xiàn)并未構(gòu)成對(duì)傳統(tǒng)制造方法的壓倒性優(yōu)勢(shì)。但對(duì)于想要獲取核武器的潛在國家和組織來說，他們可能仍然偏向于已經(jīng)過驗(yàn)證的傳統(tǒng)制造方法。

相比于在小國或恐怖組織間的核擴(kuò)散，與增材制造相關(guān)的核擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)更應(yīng)該擔(dān)憂的是野心核大國的“強(qiáng)者愈強(qiáng)”，將增材制造扭曲為“大國競(jìng)爭(zhēng)”的一把利刃。美國等擁有先進(jìn)制造業(yè)的發(fā)達(dá)國家，可以利用增材制造技術(shù)進(jìn)一步擴(kuò)充和完善自身的核武庫，提升核武器供應(yīng)鏈的穩(wěn)定性，增強(qiáng)本國核能力的威懾力與可信度，進(jìn)而在縱向上引發(fā)核擴(kuò)散，威脅核不擴(kuò)散制度。從美國的視角來看，上述的三個(gè)問題并不構(gòu)成障礙，而增材制造在快速響應(yīng)、成本控制、穩(wěn)定供應(yīng)鏈、縮短開發(fā)時(shí)間上的優(yōu)勢(shì)卻是實(shí)打?qū)嵉?。為此，需提前做好相關(guān)戰(zhàn)略研究與統(tǒng)籌規(guī)劃，統(tǒng)籌國內(nèi)國際兩個(gè)大局，應(yīng)對(duì)增材制造對(duì)中國國家安全可能帶來的負(fù)面影響。

責(zé)任編輯：劉靖鑫