Plymer av avgas ånga, en biprodukt av uppvärmning av huvudanläggningen vid Yongbyon Radiochemical Laboratory-komplexet, har setts på kommersiella satellitbilder tagna den 12 mars och under de föregående fem veckorna, säger gruppen.
Denna aktivitet är ovanlig, säger rapporten från det Washington, DC-baserade projektet.
"Avgasplymer har sällan setts där och inga har observerats på några undersökta bilder den gångna vintern", står det i rapporten.
"Plymen tyder på att operatörerna av upparbetningsanläggningen värmer sina byggnader, vilket kanske tyder på att någon betydande aktivitet pågår eller kommer att ske inom en snar framtid."
Ångplymerna indikerar inte nödvändigtvis att processen för att raffinera plutonium för kärnvapen är igång eller kommer att vara snart, säger rapporten.
Den noterar dock att USA:s chef för nationell underrättelsetjänst James Clapper nyligen vittnade om att Pyongyang hade "tillkännagett sin avsikt att "renovera och starta om" sina kärntekniska anläggningar, inklusive urananrikningsanläggningen i Yongbyon och att man skulle kunna återvinna plutonium från reaktorns använt bränsle "inom några veckor till månader."
Separata bilder verkar visa ytterligare arbete på platsens experimentella lättvattenreaktor (ELWR), en nyckelanläggning för anrikning av kärnbränsle, pågår, med en ny transformatorgård och väg byggd, och installationen av elkablar slutförd.
Rapporten säger att "långsamma, stadiga framsteg" görs på denna del av Pyongyangs kärnkraftsprojekt.
Byggandet av nya byggnader nära urananrikningskomplexet pågår också, med några byggnader som närmar sig färdigställandet och nya projekt startade. Även om det finns spekulationer om syftet med dessa nya byggnader, säger rapporten att bevis är otillräckliga för att nå några säkra slutsatser.
Bevis på aktivitet vid anläggningens mindre, 5 MWe reaktor har också observerats, men denna del av anläggningen verkar inte vara i drift då avgaser från kyltornet inte har noterats.
Sydkoreanska tjänstemän sa att de kände till rapporten. "Vi undersöker ... och övervakar situationen noggrant", sa det sydkoreanska försvarsministeriets talesman Moon Sang-gyun under en vanlig presskonferens på tisdagen.
Tidigare under 2016 rapporterade tankesmedjan om "långsamma framsteg" vid ELWR.
I januari tillkännagav Nordkorea vad de sa var ett framgångsrikt test av ett vätevapen, och påstod nyligen att de hade miniatyriserade stridsspetsar.
Under de senaste månaderna har den också avfyrat ett antal missiler, tillsammans med lanseringen av vad den sa var en satellituppskjutning, men som många observatörer tror skulle kunna användas som en interkontinental ballistisk missil (ICBM).
