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  朝鮮此前曾於2006年、2009年、2013年和2016年1月進行了四次核試驗,均遭到國際社會普遍譴責,並違反了聯合國安理會的相關決議。2016年3月,聯合國安理會通過決議,對朝鮮實施了更加嚴厲的制裁。  朝鮮在此次核試驗之前的幾個月,針對其假想敵韓國和美國加強了核打擊的威脅。朝鮮勞動黨委員長金正恩在2016年3月曾下令,儘快試爆核彈頭並試射可攜帶多型核彈頭的彈道導彈。此後朝鮮不斷試射彈道導彈,但沒有試爆核彈頭。另外朝鮮勞動黨七大期間金正恩又下達了徹底做好第五次核試驗準備的命令,並把“核與經濟並進路線”寫入黨章。因此,外界一直猜測朝鮮或以引爆小型化核彈頭的方式強行實施第五次核試驗。  韓國統一部發言人鄭俊熙和日本共同社都在2016年7月18日表示,朝鮮已經做好進行核試驗的準備。  國際原子能機構(IAEA)總幹事天野之彌在2016年8月19日發表的一份報告中表示,有跡象表明,朝鮮已經於這一年恢復了武器用鈽元素的生產活動。  另外,9月9日為朝鮮國慶節,朝鮮過去也曾通過核爆及導彈試射來紀念這一節日。

  2016年9月8日,美國監測朝鮮動向的網站“北緯38度線 (網站)”(38 North)報道稱,衛星影象顯示,朝鮮的豐溪里核試驗場出現挖掘和維修活動,不過當時還不清楚這些活動是否和準備本次核試驗有直接關係。  2016年9月9日國際標準時間0時30分許,包括中國地震臺網、美國地質調查局和日本氣象廳等在內的機構均偵測到了朝鮮東北部發生了里氏5級左右、震源深度為0千米的地震,位於中朝邊界的吉林省延邊、白山等地均有明顯震感。中國環境保護部(國家核安全域性)於地震發生五分鐘後啟動應急預案,進入二級應急響應狀態,並在中國東北地區和山東省開展輻射應急監測;日本也緊急啟動了對大氣放射性物質的監測,日本防衛省也派出了航空自衛隊的T-4教練機進行大氣物質收集工作;最終中日兩國均未檢測出本國領土內的大氣輻射有顯著異常情況。隨後韓國國防部官員表示,根據分析結果,韓方判斷朝鮮進行了核試驗,此次核爆當量為1萬噸左右,是歷次朝鮮核試驗中規模最大的一次。美國加州明德大學蒙特雷國際研究學院的傑弗裡·劉易斯(Jeffrey Lewis)則稱,朝鮮本次核試驗核爆能量有2至3萬噸當量,比二戰期間向日本廣島投下的原子彈的當量還要大,甚至可能超過向長崎投下的原子彈。中國科學技術大學溫聯星等人通過分析得出結論,本次核試驗是在距離朝鮮上一次核試驗地點附近幾百米的地方進行,爆炸當量為1.19至2.37萬噸。另據央視新聞引述相關專家的分析稱,本次核試驗是在上次核試驗地點以西9公里的西側坑道處進行的。

  平壤時間2016年9月9日13時,朝鮮中央電視臺等朝鮮官方媒體釋出了核試驗的訊息: 宣告說,由於實現了核彈頭的標準化、規格化,朝鮮完全掌握多種分裂物質的生產及其應用技術,將任意按需製造小型化輕量化多種化的、打擊力更大的各種核彈頭,朝鮮的核武器兵器化完全達到了更高的水平,試驗未對周邊生態環境造成任何負面影響,並對美國等“敵對勢力”進行了警告。但該宣告未提及核試驗的詳細時間和具體地點。
2016年9月9日,朝鮮政府在咸鏡北道吉州郡豐溪里西南約12公里的豐溪里核試驗場進行了一次核試驗。此次核試驗是朝鮮進行的第五次核試驗,也是朝鮮在2016年內進行的第二次核試驗。北韓方面報導稱,該次試驗採用了作戰用的彈頭來測試,代表了核武的實用化以及小型化成為現實。