Könnten fortschrittliche Kernreaktoren terroristische Bomben antreiben?

Verschiedene Szenarien zur Erreichung von Netto-CO2-Emissionen bei der Stromerzeugung bis 2050 hängen vom Erfolg einiger äußerst ehrgeiziger Initiativen in den Bereichen erneuerbare Energien, Netzverbesserungen und anderen Bereichen ab. Vielleicht ist keine dieser Maßnahmen gewagter als eine geplante Renaissance der Kernenergie, angetrieben durch Reaktoren mit fortschrittlicher Technologie, die kleiner als herkömmliche Kernreaktoren sind.

Vielen dieser Reaktoren ist gemeinsam, dass sie einen Brennstoff namens HALEU (High-Assay Low-Enriched Uranium) verwenden würden. Seine Zusammensetzung variiert, aber für die Stromerzeugung enthält ein typisches Gemisch knapp 20 Massenprozent des hochspaltbaren Isotops Uran-235 (U-235). Dies steht im Gegensatz zu herkömmlichen Reaktorbrennstoffen, die zwischen 3 und 5 Massenprozent U-235 enthalten, und zu natürlichem Uran, das nur 0,7 Massenprozent U-235 enthält.

Aber jetzt ein Artikel in Wissenschaft Das Magazin identifizierte einen erheblichen Schwachpunkt dieser nuklearen Option: HALEU-Brennstoff kann theoretisch zur Herstellung einer Spaltbombe verwendet werden – eine Tatsache, die die Autoren des Journals nutzen, um für strengere Vorschriften für den Zugang und Transport dieses Materials zu plädieren. Zu den fünf Autoren des Papiers mit dem Titel „The Military Potential of High-Grade Low-Enriched Uranium“ gehört IEEE Life Member Richard L. Garwin. Garwin war die Schlüsselfigur hinter dem Entwurf der 1952 getesteten thermonuklearen Bombe.

DER Wissenschaft Dieses Dokument ist nicht das erste, das sich für eine Neubewertung der nuklearen Proliferationsrisiken von HALEU-Brennstoff ausspricht. Ein letztes Jahr von den National Academies veröffentlichter Bericht mit dem Titel „Merits and Viability of Different Nuclear Fuel Cycles and Technology Options and Waste Aspects of Advanced Nuclear Reactors“ widmete den größten Teil eines Kapitels den Risiken von HALEU-Brennstoff. Es gelangte zu ähnlichen technischen Schlussfolgerungen wie das Wissenschaft Artikel, ging jedoch in seinen Empfehlungen hinsichtlich der Notwendigkeit strengerer Vorschriften nicht so weit.

Warum ist HALEU-Kraftstoff ein Problem?

Konventionelle Ansichten besagten, dass U-235-Konzentrationen unter 20 % für eine Bombe nicht verwendbar seien. Aber „wir fanden diese Aussage 1984 vom Leiter der theoretischen Abteilung in Los Alamos, die im Grunde bestätigte, dass sie tatsächlich bis zu 10 Prozent nutzbar ist“, sagt R. Scott Kemp vom MIT, ein weiterer Autor des Artikels . . „Man braucht also nicht einmal Zentrifugen, und das ist es, was hier wirklich wichtig ist.“

Sehr sorgfältig in Kaskaden angeordnete Zentrifugen sind die Standardmethode zur Anreicherung von Uran zu bombenfähigem Material, und ihr Betrieb erfordert seltene und teure Ressourcen, Fachwissen und Materialien. Tatsächlich ist die Schwierigkeit, solche Kaskaden im industriellen Maßstab zu bauen und zu betreiben, seit Jahrzehnten ein wirksames Hindernis für zukünftige Atomwaffenkonstrukteure. Somit wäre jeder Weg zu einer Atomwaffe, der die Anreicherung umgeht, eine wohl einfachere Alternative. Die Frage ist nun: Wie viel einfacher ist es?

„Es ist keine sehr gute Bombe, aber sie könnte explodieren und jede Menge Chaos anrichten.“

Der erwartete Goldrausch in HALEU, nach Jahren der stillen Unterstützung durch die US-Regierung, verleiht diesem Thema zusätzliche Dringlichkeit. Das US-Energieministerium gibt Milliarden aus, um die Produktion des Brennstoffs zu steigern, darunter 150 Millionen US-Dollar, die im Jahr 2022 an eine Tochtergesellschaft von Centrus Energy Corp. vergeben werden, dem einzigen privaten Unternehmen in den Vereinigten Staaten, das Uran auf HALEU-Konzentrationen anreichert. (Außerhalb der Vereinigten Staaten produzieren nur Russland und China HALEU in nennenswerten Mengen.) Die staatliche Unterstützung erstreckt sich auch auf die Unternehmen, die die Reaktoren bauen, die HALEU nutzen werden. Zwei der größten Reaktor-Startups, Terrapower (teilweise unterstützt von Bill Gates) und X-Energy, haben Reaktoren für den Betrieb mit HALEU-Brennstoffen entwickelt und im Rahmen eines DOE-Programms namens „Advanced Reactor Demonstration Projects“ Milliarden an Fördermitteln erhalten.

Die Schwierigkeit, eine HALEU-basierte Bombe zu bauen, ist ein unklares Thema, da viele der Techniken und Praktiken, die für den Entwurf von Atomwaffen spezifisch sind, geheim sind. Grundlegende Informationen über den Standardtyp einer Spaltwaffe, ein sogenanntes Implosionsgerät, sind der Öffentlichkeit jedoch schon seit langem bekannt. (Die ersten beiden Implosionsgeräte wurden 1945 gezündet, eines während des Trinity-Tests und das andere über Nagasaki, Japan.) Ein Implosionsgerät basiert auf einer Hohlkugel aus Kernmaterial. In einer modernen Waffe ist dieses Material normalerweise Plutonium-239, aber es kann auch eine Mischung aus Uranisotopen sein, die einen Anteil von U-235 enthält, der von 100 Prozent bis scheinbar etwa 10 Prozent reicht. Die Kugel ist von künstlich hergestellten chemischen Sprengstoffen umgeben, die gleichzeitig explodieren und eine Stoßwelle erzeugen, die die Kugel physikalisch komprimiert, den Abstand zwischen ihren Atomen verringert und die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass von ihren Kernen emittierte Neutronen auf andere Kerne treffen und diese spalten, wodurch mehr Neutronen freigesetzt werden. Wenn die Kugel schrumpft, geht sie von einem unterkritischen Zustand, in dem die Kettenreaktion von Neutronen, die Kerne spalten und weitere Neutronen erzeugen, nicht aufrechterhalten werden kann, in einen kritischen Zustand über, in dem dies möglich ist. Während die Kugel weiter komprimiert wird, erreicht sie einen überkritischen Zustand, woraufhin ein injizierter Neutronenstrom eine ultraschnelle, unkontrollierbare Kettenreaktion auslöst, die eine Spaltexplosion darstellt. All dies geschieht in weniger als einer Millisekunde.

Die Autoren von Wissenschaft Das Papier musste einen Mittelweg finden, nicht zu viele Details über das Waffendesign preiszugeben und gleichzeitig das Ausmaß der Herausforderung beim Bau einer HALEU-basierten Bombe deutlich zu machen. Sie erkennen an, dass die Menge an HALEU-Material, die zur Herstellung einer 15-Kilotonnen-Bombe – etwa so stark wie die, die Hiroshima im Zweiten Weltkrieg zerstörte – benötigt wird, relativ groß wäre: Hunderte von Kilogramm, aber nicht mehr als 1.000 kg. Zum Vergleich: Etwa 8 kg Pu-239 reichen aus, um eine Spaltbombe von bescheidener Komplexität herzustellen. Jede HALEU-Bombe wäre proportional größer, aber immer noch klein genug, um „mit einem Flugzeug, einem Lieferwagen oder einem Boot, das den Hafen einer Stadt erreicht“, abgefeuert zu werden, schreiben die Autoren.

Sie erkannten auch eine große technische Herausforderung für jeden potenziellen Waffenhersteller, der HALEU zur Herstellung einer Bombe nutzen möchte: die Vorinitiierung. Die große Menge an U-238 im Material würde viele Neutronen erzeugen, was wahrscheinlich zu einer zu frühen nuklearen Kettenreaktion führen würde. Dies würde der dadurch ausgelösten Kettenreaktion Energie entziehen, die Sprengkraft begrenzen und das erzeugen, was in der Atombombenindustrie als „Sprudeln“ bekannt ist. Allerdings: „Obwohl die Vorinitiierung bei manchen Konstruktionen einen größeren Einfluss haben kann als bei anderen, könnten selbst diejenigen, die darauf empfindlich reagieren, immer noch verheerende Sprengkraft erzeugen“, schlussfolgern die Autoren.

Mit anderen Worten: „Es ist keine sehr gute Bombe, aber sie könnte explodieren und allerlei Chaos anrichten“, sagt John Lee, emeritierter Professor für Nukleartechnik an der University of Michigan. Lee trug zum Bericht 2023 der National Academies bei, in dem auch die Risiken von HALEU-Kraftstoff untersucht und ähnliche politische Empfehlungen wie im veröffentlicht wurden Wissenschaft Papier.

Kritiker dieses Dokuments argumentieren, dass die Herausforderungen beim Bau einer HALEU-Bombe zwar nicht unüberwindbar seien, aber eine nichtstaatliche Gruppe lahmlegen würden. Und ein nationales Waffenprogramm, das wahrscheinlich über die Ressourcen verfügt, sie zu überwinden, wäre aufgrund ihrer Grenzen und relativen Unzuverlässigkeit nicht an einer solchen Bombe interessiert.

„Deshalb hat die IAEA [International Atomic Energy Agency]Sie sagten in ihrer Weisheit: „Dies ist kein direkt verwendbares Material“, sagt Steven Nesbit, ein Berater für Nukleartechnik und ehemaliger Präsident der American Nuclear Society, einer Berufsorganisation. „Es ist einfach kein realistischer Weg zu einer Atomwaffe.“

DER Wissenschaft Die Autoren schließen ihren Artikel mit der Empfehlung ab, dass der US-Kongress die National Nuclear Security Administration (NNSA) des US-Energieministeriums anweisen solle, eine „neue Überprüfung“ der von HALEU-Brennstoff ausgehenden Risiken durchzuführen. Als Antwort auf eine E-Mail-Anfrage von IEEE-SpektrumNNSA-Sprecher Craig Branson antwortete: „Um die Netto-Null-Emissionsziele zu erreichen, haben die Vereinigten Staaten dem Entwurf, der Entwicklung und dem Einsatz fortschrittlicher Nukleartechnologien, einschließlich fortschrittlicher und kleiner modularer Reaktoren, Priorität eingeräumt.“ Viele werden sich auf HALEU verlassen, um im Vergleich zu aktuellen Technologien kleinere Designs, längere Arbeitszyklen und eine höhere Effizienz zu erreichen. Sie werden für unsere Dekarbonisierungsbemühungen von entscheidender Bedeutung sein und gleichzeitig den wachsenden Energiebedarf decken. Im Zuge der Weiterentwicklung dieser Technologien verfügen das Energieministerium und die NNSA über Programme zur Zusammenarbeit mit Industriepartnern, die bereit sind, Risiken zu bewerten und die Sicherheit und Schutzmaßnahmen ihrer Entwürfe zu verbessern.

DER Wissenschaft Die Autoren forderten außerdem die US-amerikanische Nuklearregulierungskommission (NRC) und die IAEA auf, ihre Kategorisierung von HALEU-Brennstoff zu ändern. Nach der aktuellen NRC-Kategorisierung gelten mittlerweile auch große Mengen HALEU als Kategorie II, was bedeutet, dass sich die Sicherheitsmaßnahmen auf die Früherkennung von Diebstählen konzentrieren. Die Autoren wollen, dass die für die Herstellung von Waffen relevanten HALEU-Mengen in die Kategorie I umgegliedert werden, ebenso wie die Mengen an waffenfähigem Plutonium oder hochangereichertem Uran, die für den Bau einer Bombe ausreichen. Kategorie I würde eine viel strengere Sicherheit erfordern, die sich auf die Diebstahlprävention konzentriert.

Nesbit spottet über den Vorschlag und verweist auf die Schwierigkeiten, eine Tonne Nuklearmaterial zu stehlen. „Es ist einfach übertrieben, den ganzen Aufwand, der mit dem Schutz von Atomwaffen verbunden ist, blind auf so etwas zu übertragen“, sagt er.

Aber Lee, der in den 1980er Jahren Experimente mit HALEU-Kraftstoff durchführte, stimmt seinen Kollegen zu. „Dick Garwin und Frank von Hipple [and the other authors of the Science paper] hat gute Fragen aufgeworfen“, sagt er. „Sie sagen, das NRC sollte mehr Vorsichtsmaßnahmen treffen. Ich bin voll und ganz dafür.