1/1989 - IANUS

lANDS
Interdisziplinäre Arbeitsgruppe
Naturwissenschaft, Technik und Sicherheitspolitik
Interdisciplinary Research Group
Science, Technology and Security Policy
Arbeitsbericht
Working Paper
IANUS-l/1989
Egbert Kankeleit
Christian Küppers
Ulrich Imkeller
BERICHT ZUR
WAFFENTAUGLICHKEIT VON REAKTORPLUTONIUM
lANDS, c/o Institut für Kernphysik, Technische Hochschule Darmstadt,
Schloßgartenstraße 9, D-6100 Darmstadt, Germany
Tel.: 06151-163016, -162480
Fax: 06151-164321
e-mail: [email protected]
Bericht zur
Waffentauglichkeit von Reaktorplutonium
Egbert Kankeleit
Christian Küppers
Ulrich Imkeller
*
Institut für Kernphysik
Technische Hochschule Darmstadt
Dezember 1989
Erweiterter Berichte anläßlich der Anhörung von Sachverständigen zum Thema" Gefahren der Weiterverbreitung von Atomwaffen" im Hessischen Landtag am 15.06.1984
* Christian Küppers, jetzt Öko-Institut Darmstadt
Abstract
This paper diseusses the question of suitability of plutonium separated from eommercial
high burnup reaetor fuel elements for nuclear bomb produetion.
With regard to this question in a first ehapter a historie overview is presented:
-of the international literature
-proposed methods for preventing the use of this plutonium and
-the partieular diseussion in the BRD.
In a seeond ehapter radiation safety problems in handling reaetot plutonium are diseussed. The effeet of radiation and heat on chemieal high explosives is treated.
The third chapter discusses the criticality and dynamic evolution of critieal assemblies
and presents estimations of the probabilistie yieldistribution due to preignition in reaetorgrade plutonium fission bombs.
Conclusion: effeetive plutonium fission bombs ean be build by using reactor plutonium.
Depending on eompression velocity there would he a eonsiderable yield even if preignited
under worst conditions. A 4kg reaetor plutonium bomb would have an order of magnitude lower in yield than that made from weapongrade, but this yield would be obtained
with nearly 100 % probability.
1
Einführung
Dieser Bericht versucht der Frage nachzugehen, ob unter Verwendung von "Reaktorplutonium" , d.h. einem in stromerzeugenden Reaktoren gewonnenen Plutonium, der Bau
von Atomwaffen realisierbar ist. In den USA haben bereits seit Anfang der siebziger
Jahre Wissenschaftler, die selbst in Atomwaffenprojekten tätig waren, die Befürchtung
eines Mißbrauchs von Reaktor-Plutonium zu Waffenzwecken öffentlich geäußert.
In der Bundesrepublik kommt der Frage der Möglichkeit eines Mißbrauchs, auch nach
dem Baustopp der Wiederaufarbeitungsanlage in Wackersdorf, weiterhin Bedeutung zu,
da die Aufarbeitung der Brennelemente und die Abtrennung von Reaktorplutonium immer noch vorrangiges Ziel der Entsorgungspolitik ist. Mit einem Technologietransfer sind
auch horizontale Proliferationsprobleme verbunden. Die Abgrenzung von ziviler und militärischer Anwendung ist diffus.
Die sogenannte "Bastlerbombe aus der Garage" ist sicher unrealistisch. Um so mehr wird
nach den Möglichkeiten eines Staates, sei es ein hochentwickeltes Industrieland oder ein
Land der sogenannten Dritten Welt, welches die Kernernergie einsetzt, zu fragen sein.
Ebenso sind die Möglichkeiten einer technisch ausgebildeten Gruppe von Terroristen zu
beurteilen.
Diese Fassung ist eine Überarbeitung des Berichtes mit dem gleichen Titel vom Mai
1988. Eine aktualisierte Literaturauswertung wurde nicht vorgenommen. Der Stand der
Auswertung ist Juli 86.
Das 1. Kapitel besteht aus einem geschichtlichen Überblick und beinhaltet:
• eine Durchsicht internationaler Literatur auf Äußerungen zur Waffentauglichkeit
von Reaktorplutonium,
• eine Übersicht vorgeschlagener Methoden, Plutonium künstlich waffenuntauglich
zu machen,
• eine Bewertung der in der Bundesrepublik Deutschland abgelaufenen Diskussion
der Waffentauglichkeit von Reaktorplutonium.
Im 2. Kapitel werden spezielle Probleme bei Umgang mit Reaktorplutonium für waffentechnische Zwecke und einige weitere physikalische Aspekte besprochen, unter anderem:
• Schießtechniken um "unterkritische" Massen zu "kritischen" zu kompaktieren,
• Entstehung und Aufbau der Plutonium-Isotope in Brennelementen,
• Handhabung von Reaktorplutonium in bezug auf Auswirkung der radioaktiven
Strahlung und damit verbundene Wärmeentwicklung,
2
• Einflüsse der Strahlung und Wärmeentwicklung auf eine chemische SprengstofHadung,
• Gründe der Verwendung von Waffenplutonium durch die etablierten Kernwaffenstaaten.
Im 3. Kapitel wird das Frühzündungsproblems einer Plutonium-Spaltbombe behandelt.
Damit soll eine Präzisierung der zitierten Angaben zur Statistik der Energiefreisetzung
(Yield) erreicht werden.
Selbstverständlich konnten wir in der uns zu dieser Arbeit zur Verfügung stehenden
Zeit weder sämtliches existierende Material sichten noch sämtliches gesichtete Material
anführen oder gar bewerten. Eine einseitige Auswahl des von uns zitierten Materials haben wir jedoch nicht vorgenommen.
Vorab sind ein paar im folgenden häufig verwendete Begriffe zu erläutern:
Unter Waffenplutonium wird im allgemeinen ein .Plutonium verstanden, welches neben Plutonium-239 einen Anteil am Isotop Plutonium-240 von weniger als 7 % aufweist.
In Kapitel 2.1 und 3 ist näher dargelegt, weshalb Plutonium-240 die Qualität des Plutoniums für Waffenzwecke beeinflußt.
Unter Reaktorplutonium verstehen wir - analog gängiger Definition - ein Plutonium, das in der Stromproduktion dienenden Leichtwasserreaktoren erzeugt wurde. Bei
deren Betrieb wird aus Gründen der Wirtschaftlichkeit der Brennstoff so lange im Reaktor bestrahlt, bis sich neben Plutonium-239 die Isotope Plutonium-238, Plutonium240, Plutonium-241 und Plutonium-242 in bedeutsamen Mengen aufbauen. Eine typische
Isotopen-Zusammensetzung bei Reaktorplutonium wäre z.B.: 1,5 % 238pU; 56,5 % 239pU;
26,5 % 240pu; 11,5 % 241pu und 4,1 % 242pU [ALKE82].
Die Sprengkraft (engl.: yield) einer Atomwaffe wird üblicherweise in Äquivalent des·
brisanten Sprengstoffs TNT (Trinitrotoluol) angegeben. Eine Atomwaffe von beispielsweise einer Kilotonne (kt) TNT hat dann die gleiche Sprengkraft wie eine Kilotonne
(1000 Tonnen) des Sprengstoffs TNT.
Der Abbrand von Brennelementen ist ein Maß der daraus, durch Kernspaltung, erzeugten Energie. Typische thermische Leistungen von Kernkraftwerken (z.B. Biblis A)
liegen im Bereich von 3 GW (3.10 9 W), das Brennsto:ffinventar beträgt ca. 100 t Uran.
Bei einer Standzeit der Brennelemente von rd. 3 Jahren ergibt sich eine erzeugte Energiemenge von (3GW/100t) . 3 . 365d == 33 GWd pro t . Für Waffenplutonium liegt der
Abbrand unter 5 GWd/t.
3
Inhaltsverzeichnis
1
Diskussionsstand zur Waffentauglichkeit von Reaktorplutonium im Rückblick
5
1.1 Internationale Entwicklung ab der Entdeckung des Plutonium . . . . . ..
5
1.2 Vorschläge zur Denaturierung von Plutonium seit Mitte der siebziger Jahre 16
1.3 Ansichten bezüglich der Waffentauglichkeit von Reaktorplutonium in der
Bundesrepublik Deutschland
20
2
Spezielle Probleme bei Umgang mit Reaktorplutonium für waffentechnische Zwecke
2.1 Schießtechnik in Plutoniumbomben
2.2 Aufbau der Pu-Isotope in Brennelementen und Neutronenhintergrund
2.3 Die Neutronenquelle zur Einleitung einer Kettenreaktion. . .
2.4 Hantierung von Reaktorplutonium . . . . . . . . .
2.4.1 Dosisbelastung durch radioaktive Strahlung . . .
2.4.2 Wärmeentwicklung durch Radioaktivität. . . . . .
2.4.3 Selbstentzündung bei der Plutoniumverarbeitung .
2.5 Einflüsse von Reaktorplutonium auf eine SprengstofHadung
2.5.1 Einflüsse radioaktiver Strahlung
2.5.2 Einflüsse der Wärmeleistung
2.6 Wiederauffindbarkeit von Reaktorplutonium durch seine Strahlung
2.7 Gründe der Kernwaffenstaaten für die Verwendung von Waffenplutonium
3
Abschätzungen zur Frühzündungswahrscheinlichkeit
4 Anhang
32
32
33
38
38
38
39
40
42
42
43
45
46
49
65
4
1
1.1
Diskussionsstand zur Waffentauglichkeit von Reaktorplutonium im Rückblick
Internationale Entwicklung ab der Entdeckung des Plutonium
Das für die ersten Experimente verwendete Plutonium-239 war ab 1940 im Zyklotron
von Berkeley (USA) erzeugt worden. Erste größere Mengen wurden in einem Reaktor in
Clinton, Tennessee, gewonnen und enthielten erstmals einen nennenswerten Anteil des
spontanspaltenden Isotops Plutonium-240. Untersuchungen an diesem - im damaligen
Sinne - Reaktorplutonium zeigten im Juli 1943 eine sehr viel höhere Neutronenstrahlung
gegenüber reinem Plutonium-239. Dies bedeutete einen schweren Rückschlag für das mit
der Entwicklung der ersten Atombomben beschäftige Manhattan-Projekt, denn mit den
bis dorthin entwickelten Zusammenschußtechniken kritischer Konfigurationen war dieses
Plutonium nicht mehr verwendbar [HAWK61]. Für den Bombenbau ausreichende Mengen an Plutonium waren jedoch nur mittels eines Reaktors zu erzeugen, so daß das Ziel
Plutoniumbombe schlagartig in weite Ferne rückte.
Der vielzitierte "Los Alamos Primer" [SERB43] vom Apri11943, der einen 1961 deklassifizierten Einführungskurs in das Manhattan-Projekt darstellt, kennt tatsächlich das
Isotop Plutonium-240 und die mit ihm verbundenen Schwierigkeiten noch nicht. Die im
Primer erläuterten Konfigurationen unterkritischer Massen, die bei Zusammenschuß kritische Massen bilden sollen, waren zwar sehr vielseitig, die Implosionsmethode jedoch
war noch nicht in Erwägung gezogen. Binnen eines Jahres wurde dann die damals neue
Sprenglinsentechnik entwickelt, mit der auch dieses Plutonium für den ersten Test im Juli
1945 geeignet war. Es erbrachte sogar eine Energieausbeute, die die meisten Erwartungen der am Bau der Bombe beteiligten Wissenschaftler weit übertraf (siehe auch Kapitel
2.1). Solches Plutonium, welches wegen seines Isotopengemisches für Waffenzwecke un:'"
tauglich ist, wurde bereits früh als "denaturiert" bezeichnet. Einer der Entdecker des
Plutoniums, Glenn T. Seaborg, berichtete 1976, er habe bereits 1945, insbesondere in
schriftlichen Stellungnahmen zu Entwürfen des sogenannten Franck-Reports, ausdrücklich darauf hingewiesen, daß eine solche "Denaturierung" mit dem Isotop Plutonium-240
alleine nicht möglich sei [WOHL77]. Er sei enttäuscht gewesen, diese Tatsache sowohl im
Franck-Report vom 11. Juni 1945 als auch im Acheson-Lilienthal-Report [ACHE46] vom
16. März 1946 nicht erwähnt gefunden zu haben. (Die beiden angesprochenen Berichte
stellen einen frühen gemeinsamen Versuch von Wissenschaftlern, Militärs und Politikern
dar, die Folgen der in der Entwicklung begriffenen Atomtechnik abzuschätzen und in
ihrem Sinne zu beeinflussen.)
5
Der Acheson-Lilienthal-Report sagte, Plutonium könne denaturiert werden, so daß mit
aller (damals) bekannten Technik der Bau effektiver Atomwaffen unmöglich sei. Eine
technische Entwicklung, die den Bau doch noch ermöglichen würde, würde gewaltiger
wissenschaftlicher und technischer Anstrengungen bedürfen. Reaktoren hingegen sollten
sich mit dem denaturierten Material leicht betreiben lassen. Allerdings schränkte der
Acheson-Lilienthal-Report ein:
"Only a constant reexamination of what is sure to be a rapidly changing
technical situation will give us added confidence that the line between what
is dangerous and what is safe has been correctly drawn; if it will not stay
fixed."
Der Vertreter der Vereinigten Staaten·in der United Nations Atomic Energy Commission,
Bernard M. Baruch, unterbreitete den Vereinten Nationen am 14. Juni 1946 den Plan,
sämtliches spaltbare Material einer internationalen Behörde zu übergeben. Der Vorschlag
wurde als "Baruch-Plan" [BARU46] bekannt und enthielt den einer Pressemitteilung des
Department of State vom 9. April 1946 entnommenen Passus:
"In some cases denaturing will not completely preclude making atomic weapons, but will reduce their effectiveness by a large factor ... Further technical
information will be required ... before precise estimates of the value of denaturing can be formulated. Denaturing though valuable in adding to the
flexibility of a system of controls, cannot itself eliminate the dangers of atomic warfare."
"Denaturing" bedeutet'e ausdrücklich die Überführung in ein waffenuntaugliches Gemisch
mittels Beimischung eines Isotops gleicher chemischer Eigenschaften. Konkrete Denaturanten gab Baruch ebensowenig wie der Acheson-Lilienthal-Report an. Die Etablierung
der von Baruch vorgeschlagenen "limited form of a World Government" [WILL74] scheiterte übrigens daran, daß die USA ihre Atomwaffen erst dann vernichten wollten, wenn
alles sonstige auf der Erde produzierte spaltbare Material· der internationalen Behörde
übergeben und eine internationale Kontrolle aufgebaut gewesen wäre.
Später wurde lange Zeit nicht mehr öffentlich auf eine mögliche Verwendung des in Leistungsreaktoren erzeugten Plutoniums in Atomwaffen hingewiesen. Eine Erklärung der
U.S. Atomic Energy Commission im Jahre 1952, derzufolge entgegen vorheriger AnnahmenReaktorplutonium doch waffentauglich sein sollte, fand angeblich kaum Beachtung
[TAYL73]. Auch als mit dem Shippingport Reactor in den USA im Dezember 1957 der
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erste Atomreaktor der Welt in Betrieb genommen wurde, der ausschließlich der Stromerzeugung dienen sollte, und die sogenannte friedliche Nutzung der Atomenergie immer
weitere Verbreitung fand, gab es kaum Stimmen, die auf eine damit möglicherweise verbundene weitere Verbreitung von Atomwaffen aufmerksam gemacht hätten. Erst zu Beginn der siebziger Jahre wurde dieses Thema in den USA sozusagen neu entdeckt. In
anderen Ländern - z.B. Frankreich - soll dies etwas früher geschehen sein, jedoch ohne
Aufmerksamkeit zu erregen [LOVI80].
Eine der ersten warnenden Stimmen, J. Carson Mark, wurde und wird häufig zitiert.
Mark, langjähriger Direktor der Abteilung für Theoretische Physik in Los Alamos und
auch am Manhattan-Projekt beteiligt, sagte auf dem zehnten Pugwash Symposium in
Racine, Wisconsin (26.-29. Juni 1970), veröffentlicht 1971 [MARK71]:
"1 would like to warn people concerned with such problems that the old notion
that reactor-grade plutonium is incapable of producing nuclear explosions or that plutonium could easily be rendered harmless by the addition of modest amounts of plutonium-240, or 'denatured', as the phrase used to go that these notions have been dangerously exaggerated. This observation is, of
course, of no direct practical interest to the United States or the USSR, who
have adequate supplies of weapon-grade plutonium, and have proved designs
for weapons much better than could easilybe made with plutonium from
power reactors. To someone having no nuclear weapons at all, or no source
of high-grade materials, however, the prospect of obtaining weapons - even
of an"inferior" or "primitive" type - could present quite a different aspect."
IvIark berichtete auch, er habe auf der Konferenz mit J an Prawitz vom National Research Institute of Defense in Stockholm gesprochen und habe so erfahren, daß ein Kollege
von Prawitz mit Berechnungen die Verwendbarkeit jeder Art von Reaktorplutonium in
Bomben belegen könne [MARK71; PRAW74].
Anfang der siebziger Jahre begann Theodore B. Taylor, beständig vor einer möglichen
Entwendung von Reaktorplutonium durch Terroristen zu warnen. Er tat dies z.B. auf
dem Symposium on Implementing Nuclear Safeguards an der Universität des Staates
Kansas, 25.-27. Oktober 1971, veröffentlicht 1972 [TAYL72]. Taylor war von 1946 bis
1956 in Los Alamos mit der Entwicklung von Atomwaffen betraut, war später als Technischer Direktor des Nuclear Space Propulsion Project und als Senior Research Advisor
bei der General Atomic Division of General Dynamics Corporation tätig, wechselte zur
Defense Atomic Support Agency in Washington, verbrachte zwei Jahre in Wien bei der
International Atomic Energy Agency und gründete schließlich 1967 die International Re-
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search and Technology Corporation, die sich überwiegend mit sozialen Auswirkungen
technischer Entwicklungen beschäftigen sollte.
Die Beantwortung der Frage, ob Terroristen mittels Reaktorplutonium eine wirksame
Bombe bauen könnten überließ Taylor auf dem oben genannten Symposium noch David B. Hall [HALL72]; später faßte Taylor diese beiden verwandten Themen in eigenen
Veröffentlichungen zusammen. Hall, Manager des Safeguard Programms am Los Alamos
Scientific Laboratory, beschränkte sich 1971 auf Aussagen zu Explosionen einer Stärke
von einigen Tonnen brisanter Sprengstoffe. Erklärtermaßen war er sich jedoch im klaren,
daß auch geringere Energieausbeuten enorme Schäden verursachen können und nicht
akzeptabel sind. Hall [HALL72] führte aus:
"Commercial grade plutonium will have a large fraction of its content as
plutonium-240 with its high spontanous fission rate. This constitutes a large
neutron presence of more than a million· neutrons per second and complicates the design. One can imagine rapid assembly methods that will to some
extent overcome this difficulty and result in an explosive yield. In general, it
can be stated that the high plutonium-240 content will make the explosive
performance quite unpredictable but not impossible. The degree of sophistication required for a successful device with this material is greater than
the types previously discussed. However, one should not assume that such
sophistication does not exist in the criminal or fanatic world."
Victor Gilinsky, Physiker bei der Rand Corporation, hatte .noch 1971 in einem Beitrag des Buches "Civilian Nuclear Power and Internal Security" [WILL71] die Meinung
vertreten, auch bei Verwendung der Implosionstechnik könne Reaktorplutonium die Leistungsfähigkeit einer Atomwaffe stark einschränken. Gilinsky hatte deshalb ziviles Plutonium für im allgemeinen untauglich in einfachen, zuverlässigen und effektiven Waffen
bezeichnet. 1972 jedoch, in einem Nachdruck dieses Aufsatzes in der Zeitschrift Environment [GILI72], fügte er bereits als "A Warning Note" in einem abgesetzten Kasten
Zitate von J. Carson Mark (vgl. oben) ein. Gilinsky schrieb, Marks warnende Äußerungen
fügten dem Problem eine neue Dimension hinzu. Später gehörte Gilinsky zu den Mitgliedern des Kongresses, die mit größter Vehemenz auf Proliferationsprobleme hinwiesen.
Beachtung verdient auch das im Jahre 1973 von Mason Willrich herausgegebene Buch
"International Safeguards and Nuclear Industry", welches das Ergebnis einer von der
American Society of International Law's Panal on NuclearEnergy and World Order geleiteten und von der National Science Foundation finanziell unterstützten Studie war.
Willrich selbst war ein mit Abrüstungsfragen beschäftigter Professor für Rechtswissen-
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schaften. In seinem eigenen Beitrag des Buches [WILL73] schrieb er:
"While the plutonium produced in the cource of normal commercial operation of most types of power reactors is very difficult to use in an efficient
explosive, it is relatively easy to use in a crude, inefficient explosive device."
Ebenfalls der bereits vorgestellte Theodore B. Taylor trug mit einem Aufsatz zu diesem
Buch bei [TAYL73]. Er fügte seiner Behandlung der Fragen zur Entwendung von Plutonium, sei es durch einen Staat oder durch Terroristen, hier bereits einen auch die Technik
eines möglichen Waffenbaus ansprechenden Teil hinzu. Im wesentlichen beschränkte er
sich jedoch hierin auf die Aussage, sämtliches nötige Wissen sei mittlerweile frei zugänglich, es müsse nur aus vielen Veröffentlichungen zusammengetragen werden.
Vielbeachtet wurde das 1974 von Willrich und Taylor gemeinsam herausgegebene Buch
"Nuclear Theft: Risks and Safeguards" [WILL74). Noch Jahre später versuchten zahlreiche Autoren, die Thesen dieses Buches zu widerlegen; auf einige dieser Arbeiten wird
hier später noch einzugehen sein. Willrich und Taylor wollten die Gefahr des Diebstahls
bombenfähigen nuklearen Materials ins öffentliche Bewußtsein rücken, um so die Verantwortlichen zu Gegenmaßnahmen zu zwingen. Das Buch war ein vonWillrich und Taylor
erarbeiteter Bericht an ein Projekt zur Energiepolitik der Ford Föundation. Ursprüngliche Absicht war es, in das Buch eine Liste frei zugänglicher Literatur, die die nötigen
Informationen zum Bau einfacher nuklearer Sprengkörper bieten sollte, einzufügen. Vertreter derU.S. Atomic Energy Commission, die einen Entwurf zur Durchsicht erhielten,
bestätigten, daß diese Liste keine klassifizierte Literatur enthalte. Verschiedene Lektoren
rieten jedoch von der Veröffentlichung einer solchen Liste ab und setzten sich mit ihrer
Haltung schließlich durch. Daran ist ersichtlich, wie besorgt Expertenkreise bezüglich
einer "Bastlerbombe" bereits waren. (Mit der Nennung einer klassifizierten Quelle, wäre
diese noch nicht zugänglich gewesen.) Willrich und Taylor hielten es für möglich, mittels nicht klassifizierter Literatur einen Informationsstand zu erreichen, der denjenigen
vor Zündung der ersten Plutoniumbombe übersteige. Mögliche Energjeausbeuten schätzten die Autoren im Bereich von Kilotonnen TNT ("very likely") und betonten, daß mit
Zündung einer einfachen Bombe an geeigneter Stelle Terroristen 100 000 und mehr Menschen töten könnten.
Im Jahre 1974 faßte das Stockholm International Peace Research Institute (SIPRI)
Beiträge einer Review Conference zu Proliferationsproblemen vom Juni 1973 in einem
Buch [SIPR74] zusammen. lohn C. Hopkins vom Los Alamos Scientific Laboratory
meinte darin, die Erzeugung riesiger Mengen von Plutonium in Leistungsreaktoren sei
kein solcher Grund zur Sorge, wenn nicht - entgegen früheren Behauptungen - es möglich
9
sein könne, dieses Reaktorplutonium in Nuklearwaffen zu verwenden [HOPK74]. Jan Prawitz vom Verteidigungsministerium in Stockholm [PRAW74] verwies auf Aussagen der
finnischen Physiker P. J auho und J. Virtamo, denen zufolge mit Reaktorplutonium auch
unter ungünstigsten Umständen eine Explosionsstärke von bis zu einer Kilotonne TNT
erreichbar sei. Jorma K. Miettinen, Professor am Institut für Radiochemie der Universität Helsinki [MIET74] schließlich untersuchte spezielle Verwendungsmöglichkeiten für
Reaktorplutonium. In einem 1969 geschriebene~ aber erst 1971 veröffentlichten Artikel
der Zeitschrift General Military Review soll, so Miettinen, ein Robert M. Lawrence bereits die Vorteile von Atomwaffen im Bereich von Tonnen TNT-Äquivale:nt betont haben
[LAWR71]. Diese Waffen sollten auch in der Nähe eigener Truppen einsetzbar sein und
ein "günstigeres" Verhältnis von Toten und Verletzten gegenüber konventionellen Waffen
(3:1 statt 1:3) aufweisen. Weiter argumentierte Miettinen, daß ja mit Reaktorplutonium
eine solche relativ niedrige Energjeausbeute erreichbar sei, deren genaue Grösse jedoch
nicht sicher vorhergesagt werden könne. Beim Einsatz solcher Waffen müsse aber lediglich
daraufgeachtet werden, daß eigene Truppen einen so großen Abstand vom Explosionsort
hätten, wie er beim Erreichen der maximal möglichen Sprengkraft nötig erscheine. Miettinen erkannte allerdings auch, daß über ausgesprochenes Waffenplutonium verfügende
Staaten den Nachteil der unsicheren Sprengkraft neben der etwas unhandlicheren Gestalt
einer solchen "Miniwaffe" mit Reaktorplutonium nicht in Kauf nähmen.
Anmerkung: In einem Interview am 13. April 1972 soll der frühere amerikanische Verteidigungsminister Melvin Laird den ersten Hinweis gegeben haben, daß solche "Miniwaffen" tatsächlich entwickelt wurden [SIPR74; SIPR76]. Arkin und Mitarbeiter [ARKI84]
schätzten, daß die USA 1984 über 922 "W48-Sprengkörper" (Sprengkraft unter 100 t
TNT) und 260 "W54-Sprengkörper" (Sprengkraft zwischen 10 und 1000 t TNT) verfügten.
Erst die Zündung einer indischen Atombombe im Mai 1974 jedoch, leitete in den USA
einen Prozeß ein, der innerhalb von drei Jahren dazu führte, daß sich nicht mehr nur Einzelpersonen des U.S. Kongresses neben Wissenschaftlern mit Proliferations-Problemen
auseinandersetzten. Ab Frühjahr 1976 wurde die Proliferation ein Thema des Wahlkampfes um die Präsidentschaft der Vereinigten Staaten. (Diesen Wandel beschreibt
eingehend Michael J. Brenner der University of Pittsburgh [BREN81]). Der damalige
Präsident der Vereinigten Staaten, Gerald R. Ford, und sein Konkurrent, Jimmy Garter,
erklärten Reaktorplutonium für prinzipiell waffentauglich und befürchteten eine Proliferation durch weitverbreitete Schließung des zivilen Brennstoffkreislaufs mit Wiederaufarbeitungsanlagen und Schnellen Brütern. Ford begründete seinen Vorbehalt gegen die
kommerzielle Schließung des Brennstoffkreislaufs in einem Statement vom 28. Oktober
1976 [FORD76] mit den Worten:
10
"Unfortunately - and this is the root of the problem - the same plutonium
produced in nuclear plants can, when chemically separated, also be used to
make nuclear explosives.'.'
So hatte schließlich, nach mehrjährigen Bemühungen, insbesondere von Seiten politisch
engagierter Wissenschaftler, die Erkenntnis von der Waffentauglichkeit des Reaktorplutoniums Eingang in die höchste Politik gefunden - jedenfalls in den USA.
Der am Lawrence Livermore Laboratory Atomwaffen entwickelnde Robert W. SeIden
soll im November 1976 einigen Vertretern der Atomwirtschaft verschiedener Länder auch der Bundesrepublik Deutschland - und der International Atomic Energy Agency
ein Schreiben zukommen gelassen haben, in dem er auf die direkte Verwendbarkeit jeder Art von Plutonium in Nuklearwaffen aufmerksam machte [ALBR84]. SeIden hob die
Möglichkeit einer militärisch nützlichen Waffe mit Reaktorplutonium hervor, die auch
mittels einer Technologie auf niederem Niveau eine Sprengkraft im Bereich von Kilotonnen TNT erreichen könne. Die erste Plutoniumbombe hätte, so Seiden, mindestens die
Sprengkraft einer Kilotonne TNT besessen, wenn sie mit Reaktorplutonium gezündet
worden wäre [ALBR84; COCH84; LOVI80].
Am 16. November 1976 brachte die Zeitschrift Nucleonics Week [NUCL76] die Notiz, die
u. a. auch mit der Entwicklung von Schnellen Brütern betraute U.S. Energy Research and
Development Administration (ERDA) vertrete die Meinung, eine Bombe, deren Design
speziell Reaktorplutonium angepaßt sei, könne eine kräftige Nuklearexplosion bewirken
(" All grades of plutonium must be considered strategically important and dangerous").
ERDA beauftragte die Science Applications Incorporation, MacLean, Virginia, mit der
quantitativen Abschätzung von Proliferationsrisiken verschiedener alternativer Reaktortypen. Obwohl über den Sinn solcher quantitativer Untersuchungen gestritten werden
könnte, sollen hier zwei der Resultate erwähnt werden: Die Science Applications Inc.
schätzte die Schwierigkeiten bei der eigentlichen Waffenherstellung unter Verwendung
von praktisch reinem Plutonium-239 für subnationale und für nationale Gruppen gleich
groß ein. Bei Verwendung anderen spaltbaren Materials sollten die Schwierigkeiten der
subnationalen Gruppen weniger als doppelt so groß sein, als diejenigen der nationalen
Gruppen [SCIE77].
Ein wichtige Rolle in der US-amerikanischen Nonproliferationspolitik spielte ein Report der Nuclear Energy Policy Group, eine einjährige Studie, finanziell von der Ford
Foundation getragen und unter Aufsicht der MITRE Corporation durchgeführt - bekannt unter dem Namen FordjMITRE-Report [KEEN77]. Diese Studie wurde am 21.
März 1977 veröffentlicht und war auch Grundlage der bekannten Erklärung des damals
11
neugewählten US-Präsidenten Jimmy Carter zur amerikanischen Nuklearpolitik vom 7.
April 1977 [CART77). In dieser Erklärung verkündete Carter den einstweiligen Verzicht
der USA auf kommerzielle Entwicklung von Brütern und Wiederaufarbeitungsanlagen.
Mitautoren der Studie bedachte Carter mit hohen Regierungsämtern - Joseph S. Nye
wurde Leiter der Nichtverbreitungs-Koordinationsgruppe im State Department, Harold
Brown Verteidigungsminister [PATE77b).
Der FordjMITRE-Report führte zwar aus, daß die Schwierigkeiten bei Planung und Bau
einer Atomwaffe für Terroristen nicht unterschätzt werden sollten, hielt jedoch andererseits den Bau einer Bombe mit einer Sprengkraft von einigen Hundert Tonnen TNT durch
eine gut organisierte und durch einzelne Fachleute unterstützte Gruppe für machbar. Der
Bericht setzte dabei ausdrücklich nicht die Mithilfe tatsächlicher Waffenexperten voraus.
Für eine kleine Gruppe oder gar Einzelpersonen sah der Bericht allerdings das Erreichen
einer solchen Sprengkraft als unwahrscheinlich an.
Auch das Office 0/ Technology A88e88ment (OTA) des U.S. Department of Commerce
legte 1977 eine umfangreiche Proliferations-Studie [OTA77) vor. Dem OTA zufolge wäre
selbst bei einem Design veralteter Technologie eine Sprengkraft von bis zu 10 oder 20 kt
TNT mit Waffenplutonium erreichbar (Mit der veralteten Technologie meinte das OTA
diejenige, die den USA 1945 zur Verfügung gestanden hatte). Mit Reaktorplutonium erwartete das OTA eine Reduktion der möglichen Sprengkraft um einen Faktor 3 bis 10,
also immer noch eine Sprengkraft im kt-TNT-Bereich. Mit dieser (veralteten) Technologie sollten - dies wurde besonders hervorgehoben - zuverlässige Waffen von militärischem
Wert mit Reaktorplutonium möglich sein. Sicherlich könne, so das OTA, ein Design bei
Frühzündung zu einer Sprengkraft nahe Null führen, ein z'\veckmäßigeres Design dagegen
könne eine Mindestsprengkraft von militärischem Nutzen bringen.
Den Aussagen des Office of Technology Assessment fügte Amory B. Lovin8 auf einem
Hearing der kalifornisehen Conservation and Development Commission über Safeguards,
Proliferation und alternative Brennstoffkreisläufe am 17. Juni 1977 [HEAR77] noch Betrachtungen unter der Voraussetzung höher entwickelter Technologie hinzu. Lovins bezeichnete es als möglich, mit sehr guter Technologie Unterschiede in Größe und Vorhersagbarkeit der Sprengkraft von Bomben mit Reaktorplutonium und Waffenplutonium zu
beseitigen.
Ted Greenwood, Harold A. Feive80n und Theodore B. Taylor gaben 1977 ein Buch des
Council on Foreign Relations heraus [GREE77]. Hierin gaben sie an, Kriminelle und Terroristen seien in der Lage, mit Reaktorplutonium einfache Bomben von mindestens 100 t
12
TNT Sprengkraft zu basteln. Das nötige Wissen sei veröffentlicht und tausende Personen
besäßen bereits die nötigen Kenntnisse.
Doch es gab auch Gegenstimmen. Im August 1977 beendete William E. Ne180n seine
Dissertation mit dem Titel "The Homemade Nuclear Bomb Syndrome" [NELS77] an der
Universität von Missouri in Virginia. Diese Dissertation war als unmittelbare Antwort
auf die Thesen von Taylor und deren Echo auch bei Behördenvertretern konzipiert. Nelson versuchte in seiner Dissertation nachzuweisen, daß der Bau einer Atomwaffe häufig
viel zu unkompliziert dargestellt würde, was die Atomindustrie sehr verwirrt habe. Es sei
nicht überraschend, so Nelson, wenn demnächst Atomkraftgegner die Argumente aufgriffen. Laut Nelson sollte Taylor insbesondere die Erschwernis des Atomwaffenbaus durch
die Toxizität, Strahlung und Selbsterhitzung des Plutoniums übersehen haben. Den von
Taylor als wichtig zitierten "Los Alamos Primer" [SERB43] hielt Nelson für wenig nützlich ("not a handbook on design"), trotzdem habe er diesen erst durch Anfragen bei
verschiedenen Organisationen und schließlich bei Taylor selbst ausfindig machen können.
Anmerkung: Wir selbst erhielten den "Los Alamos Primer" privat - hier in der Bundesrepublik und ohne jegliche Be~iehungen - über die Hessische Landes- und Hochschulbibliothekbinnen fünf Wochen.
Insgesamt gesehen gelang es Nelson nicht sonderlich überzeugend, Schwierigkeiten eines
Atomwaffenbaus deutlich zu machen. Bei Strahlenschädigungs- und Frühzündungsbetrachtungen verglich er irreführend reines Plutonium-239 mit Reaktorplutonium. Bei
Vergleich ergab sich dann eine über 10 OOOmal höhere Spontanspaltungsrate - welche
auch den überwiegenden Dosisbeitrag in der Umgebung liefert - des Reaktorplutoniums
gegen Plutonium-239. Zulässig ist jedoch nur der Vergleich von Reaktorplutonium mit
solchem "Vvaffenplutonium", welches tatsächlich noch in Waffen verwendet wird. Dieser Vergleich hätte den Unterschied in Dosisleistung und Neutronenhintergrund auf weit
weniger als einen Faktor 10 schrumpfen lassen (vgl.Kapitel 2.1). Nelson behauptete sogar, die Strahlung des Reaktorplutoniums sei so hoch, daß eine zusätzliche Beimischung
radioaktiver Strahler ("spiking") zur Behinderung des Umgangs überflüssig sein könne.
Auch bei der Behandlung der Wärmeentwicklung von Reaktorplutonium gelang es Nelson
nicht, wirkliche Probleme aufzuzeigen; er selbst befand eine ausreichende aktive Kühlung
für realisierbar. Ebenfalls unter dem Titel "The Homemade Nuclear Bomb Syndrome"
erschien im Sommer 1977 in der Zeitschrift Nuclear Safety ein Beitrag [MEYE77], der von
Nelson zusammen mit Walter Meyer, Sudarshan K. Loyalka und Raymond W. Williams
eingesandt worden war. Er verfolgte den gleichen Zweck und gab die gleichen Resultate
an wie die Dissertation von Nelson.
Im Sommer 1977 erhielten die warnenden Stimmen Unterstützung, als ein erfolgrei-
13
cher Bombentest der USA mit Reaktorplutonium bekanntgegeben wurde. Die Zeitschrift
Nuclear Engineering International druckte eine diesbezügliche Notiz ab [NUCL77], die
hier in vollem Umfang wiedergegeben werden soll:
"US exploded bomb made from power reactor plutonium: Lt was revealed in
a public inquiry held in Britain, and later confirmed by US ofli ci als, that
the US has exploded a nuclear device using reactor grade plutonium. Albert
Wohlstetter, Professor of Political Sciences at Chicago University, made his
annollncement at the Public Inquiry over the expansion of Britain's Windscale reprocessing plant. While it has never been denied that power reactor
generated plutonium could be used toproduce a nuclear weapon, there has
always been question about the stability of such a device because of contamination with certain plutonium isotopes. It also had not been known that
one actually had been produced and detonated."
Vorher schön sollen auch laut Lovins [LOVI79] J. Griflin, ERDA, in einer Presseerklärung
vom 4. August 1977 und Albert Wohlstetter im oben angesprochenen Windscale Inquiry
(14. Juni - 19. Oktober, 24. Oktober - 4. November 1977) auf den Test bezug genommen
haben. Ron. Justice Parker hat in einem Report [PARK78] für das britische Umweltministerium die auf dem Windscale Inquiry vorgetragenen Argumente zusammengefaßt.
Dem Bericht zufolge galt die Waffentauglichkeit von Reaktorplutonium als konsensfähig:
"A nuclear bomb can be constructed with the grade of plutonium recovered
by reprocessing."
Dennoch bestand Uneinigkeit bezüglich der Frage, ob die in Windscale geplante Wiederaufarbeitungsanlage für LWR-Brennelemente das Proliferationsrisiko erhöhe. Es wurde
argumentiert, Großbritannien sei bereits Kernwaffenstaat und das aus der Magnox-Brennelement-Aufarbeitung gewonnene Plutonium reiche für die britische Bombenproduktion
aus, so daß die neue Anlage keine britische Proliferation bedeuten könne. Manche Gutachter befürchteten jedoch einen möglichen Plutonium-Diebstahl oder hielten die Anlage für eine Ermunterung von Nichtkernwaffenstaaten, eigene Wiederaufarbeitungsanlagen zu errichten. Dem wurde entgegengehalten, durch Auftragsausführung für ausländische Interessenten, könne deren Betrieb eigener Anlagen gerade vermieden werden; eine
Rückführung des für Nichtkernwaffenstaaten abgetrennten Plutoniums in, von Großbritannien gefertigten und kurz bestrahlten Brennstäben sei möglich.
Auf den von den USA durchgeführten Test wurde in der Folgezeit häufig zurückgegriffen,
wenn es galt, den theoretischen Nachweis der Waffentauglichkeit von Reaktorplutonium
14
zu untermauern. Dies tat beispielsweise Joseph Rotblat [ROTB79], der 1979 mit Reaktorplutonium den kt-TNT-Bereich als unteres Ende einer statistischen Verteilung der
Sprengkraft angab und zum durchgeführten Test meinte: "(A) high yield was obtained".
Ähnlich äußerte sich 1980 Bhupendra Jasani, SIPRI, [JASA80]. David Widdicombe,
Chairman des Administrative Law Committee of Justice, London, [WIDD80] ging sogar
1980 schon soweit, festzustellen, die Waffentauglichkeit von Reaktorplutonium sei nunmehr allgemein akzeptiert.
Bevor wir nachweisen, daß dieser Schluß - zumindest was maßgebende Kreise in der Bundesrepublik Deutschland angeht - leider völlig unzutreffend ist, soll noch ein spezielles
Kapitel über die gezielte Denaturierung von Plutonium eingeschoben werden.
15
1.2
Vorschläge zur Denaturierung von Plutonium seit Mitte
der siebziger Jahre
In eben dem Maße wie sich in den USA ins Bewußtsein drängte, wie wenig denaturierend
das längere Verbleiben von Brennelementen in Leistungsreaktoren auf das so erzeugte
Plutonium wirkt, wurden auch immer neue Denaturierungs-Möglichkeiten vorgeschlagen.
Angeregt durch Willrich und Taylor ("Nuclear Theft: Risks and Safeguards") [WILL74]
untersuchte Bruce A. Hutchins [HUTC75] Möglichkeiten, durch hohe Eigenstrahlung den
Diebstahl von Plutonium zu verhindern. Er erwog die Beimischung verschiedener Strahler, um eine Dosisleistung von 5000 Röntgen je Stunde in einem Meter Abstand von 5 Kilogramm Plutonium zu erreichen. Innerhalb von 200 bis 300 Tagen - bevor die Strahlung
zu stark abgeklungen sei - sollte das Plutonium in neue Brennelemente rezykliert worden
sein. Ungeklärt blieb jedoch die Frage, wie ein solch extrem stark strahlendes Plutonium
in einer Brennelementfabrik gehandhabt werden soll. Für Beschäftigte in Brennelementfabriken sind zulässige Höchstdosen gesetzlich festgelegt. Ein Terrorist wird sich dagegen
kaum um diese Grenzwerte kümmern, solange er sich im Bereich von statistischen Strahlenschäden bewegt, also nur mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit damit rechnen muß,
aufgrund dieser Strahlung irgendwann an Krebs zu erkranken.
In der BRD befaßte sich Gerhard Locke von der Fraunhofer-Gesellschaft (Institut für
Naturwissenschaftlich-Technische Trendanalysen, Stohl über Kiel) mit Möglichkeiten der
Denaturierung von Plutonium. Locke sagte 1976, daß die Großmächte Reaktorplutonium
"mit beliebig hohem Neutronen-Hintergrund effektiv zur Explosion bringen können"
[LOCK77]. Auf der Reaktortagung 1976 vom 30. März bis 2. April in Düsseldorf stellte er
seine Überlegungen in dem Vortrag "Möglichkeiten, Reaktorplutonium als Nuklearsprengstoffunbrauchbar zu machen" [LOCK76] vor. Locke empfahl eine sofortige Verschneidung
abgetrennten Plutoniums mit Uran und die Vermeidung unverschnittenen Plutoniums in
metallischer Form. Zur weiteren Erhöhung des Neutronenhintergrundes hielt Locke die
Denaturierung mit Curium-244 oder Beryllium für geeignet. Lockes Vortrag blieb weitgehend unbeachtet; die Zeitschrift Atomwirtschaft/Atomtechnik erwähnte in ihrem Bericht
über die Tagung nur kurz [KARW76]:
"um
Reaktorplutonium für Bombenzwecke unbrauchbar zu machen, wurde
in einem Vortrag aus der Fraunhofer-Gesellschaft in Kiel vorgeschlagen, das
Plutonium bereits bei der Herstellung mit Uran-238 zu verschneiden, ausschließlich Verbindungen geringer Dichte zu verwenden und neutronenerzeugende Elemente beizumischen."
Am 7. April 1977 verkündete - wie bereits an früherer Stelle erwähnt - der neugewählte
amerikanische Präsident Jimmy Carter den einstweiligen Verzicht der USA auf die kom-
16
merzielle Entwicklung von Wiederaufarbeitungsanlagen und Schnellen Brütern [CART77].
Bald darauf wurden vielerorts Anstrengungen unternommen, mit der Entwicklung "denaturierter Brennstoffkreisläufe" in den nicht gerade freundlich auf das Moratorium reagierenden westlichen Industriestaaten und Entwicklungsländern, aber auch Teilen der
US-amerikanischen Industrie, Hoffnungen auf ein baldiges Überfiüssigwerde,n des Moratoriums durch Lösung der Proliferationsprobleme zu wecken.
Neue, von Alezander De Volpi des Argonne National Laboratory entwickelte Denaturierungskonzepte stellte F.C. Olds im Sommer 1977 in der Zeitschrift Power Engineering
vor [OLDS77]. Hohe kritische Massen - 25 bis 30 mal größer als bei reinem Plutonium239 - sollten in Verbindung mit einem Zehntel bis einem Hundertstel der möglichen
Energieausbeute gegenüber Plutonium-239 die Attraktivität solchen Plutoniums soweit
reduzieren, daß seine tatsächliche Verwendung in Waffen praktisch ausgeschlossen werden könne. Henry C. Ott der Ebasco Services Incorporation befand allerdings in einem
Leserbrief [OTT77] die vorgeschlagene Denaturierung für wirtschaftlich nicht vertretbar.
Der technische Direktor der General Atomic Co., Peter Fortescue, stritt - ebenfalls in einem Leserbrief auf den Artikel von Olds hin - die Denaturierbarkeit von Plutonium völlig
ab [FORT77]; einen proliferationsresistenten Uran-Thorium-Kreislauf konnte Fortescue
sich dagegen vorstellen.
Alexander DeVolpi nahm zu diesen beiden Leserbriefen selbst in der Zeitschrift Power
Engineering Stellung [DEV077]. Er räumte ein, daß noch viele Fragen zur Wirtschaftlichkeit, zur Neutronenbilanz in Reaktoren und zur Abfallbehandlung offen seien. Vielen
der offenen Fragen widmete sich DeVolpi daraufhin intensiv. Auf seine Resultate wird
später noch einzugehen sein. Hier soll zunächst noch ein Einblick in die Vielzahl der von
verschiedenen Seiten angebotenen Denaturierungs-Methoden gegeben werden.
Es gab Vorschläge, Brennstoffkreisläufe zu entwickeln, in denen Plutonium außer in abgebrannten Brennelementen nur in einem "Internationalen Energiezentrum" , welches die
Brennelemente gleich bei Ende ihres Einsatzes zu übernehmen hätte, vorliegen sollte
[PIGF78]. Andere Autoren betrachteten neue Aufarbeitungstechnologien. In einem wirtschaftlich attraktiven Aufarbeitungsprozeß (AIROX-Prozeß) sollten nicht alle Spaltprodukte abgetrennt werden [ASQU78]. Im "Coprocessing" sollten Uran und Plutonium bei
der Wiederaufarbeitung nicht separiert vorliegen [BR0078] , eventuell unter zusätzlichem
Belassen eines gewissen Anteils an Spaltprodukten im Uran/Plutonium-Gemisch (CivexProzess) [BR0078; NUCL78]. Der Civex-Prozess war jedoch für die Aufarbeitung von
Schnellbrüter-Brennelementen entwickelt worden, konnte also nicht zur Lösung der akuten Probleme beitragen [JASA80]. Außerdem blieb beim "Coprocessing" die Trennung
17
von Uran und Plutonium mit relativ einfachen technischen Änderungen möglich, so daß
immer eine scharfe internationale Kontrolle der Anlagen nötig geblieben wäre [BR0080].
Beim sogenannten "spiking" sollten künstlich stark strahlende Radioisotope dem Plutonium zugesetzt .werden, z.B. Kobalt-60, Zirkon-95, Niob-95, Ruthenium-106, Silber110m, Cäsium-134,Cäsium-137, Cer-144, Europium-154; sämtlich Radionuklide, die in
der Kerntechnik in größerer Menge anfallen [FELD79; BR0078; PINE77]. Je nach Stärke
der radioaktiven Strahlung wurde unterschied~nzwischen "spiking for detection", um das
Entfernen des Brennstoffs von einer bestimmten Stelle leichter zu bemerken, "spiking for
delay", um entwendeten Brennstoff wiederauffinden zu können und "spiking for deterrence" , um die Entwendung des Brennstoffs durch dessen starke Strahlung unmöglich zu
machen [BR0078]. Als zusätzliche Neutronenquellen im Brennstoff wurde z.B. Curium244 [LOCK77], Californium-252 [FELD79; NELS77; PINE77] und Beryllium [FELD79;
LOCK77] genannt. Manche Autoren erwogen auch den Zusatz von Plutonium-Isotopen
mit dem Vorteil chemischer Nichttrennbarkeit. Meist wurde in dieser Hinsicht Plutonium238 empfohlen, welches relativ isotopenrein durch Neutronenbestrahlung von Neptunium237 erzeugt werden kann. Plutonium-238 entwickelt eine hohe Wärmeleistung durch seine
starke Alpha-Aktivität. Teils hielten Autoren aufgrund recht willkürlicher Annahmen
bereits 5 % Plutonium-238 im Plutoniumgemisch für zur Denaturierung ausreichend
[HEIS80], andere wollten die Waffentauglichkeit eines Gemisches mit 20 % Plutonium238 [LOVI80] und sogar diejenige einer beliebig hohen Plutonium-238-Konzentration
nicht völlig ausschließen [WALT80] und begnügten sich mit der reduzierten Attraktivität
solchen Plutoniums. Wissenschaftler des Sandia Laboratory konnten keinen zweckmäßigen Stoff zur Denaturierung des Plutoniums ausmachen, sobald sie in ihrer Betrachtung
die weitere Verwendharkeit des denaturierten Plutoniums in Brennelementfabriken und
Reaktoren zulassen wollten [WILL78].
Währenddessen entwickelte DeVolpi ein umfangreiches Denaturierungskonzept [DEV078] ,
das er auch in einem ausführlichen Buch [DEV079] und einem längeren Zeitschriftenartikel [DEV082], der dem Buch weitgehend entsprach, vorstellte. DeVolpi betonte die
denaturierende Wirkung der Plutoniumisotope Pu-238, Pu-240 und Pu-242 in ihrer Gesamtheit - losgelöst von Einzelbetrachtungen [DEV078; DEV081]. Selbst eine gezielte
Beimischung von Plutonium-242 bezog er in seine Überlegungen mit ein. Auch sollte
laut DeVolpi Plutonium mit einem Anteil an in Reaktoren spaltbaren Isotopen von lediglich 18 % noch wirtschaftlich verwendbar sein. DeVolpis Konzept darf nicht ohne die
Einschränkungen gesehen werden, die er selbst angab:
18
• Denaturierung war für ihn die Minderung der Waffentauglichkeit, entgegen der Definition anderer Autoren, die unter Denaturierung die völlige Waffenuntauglichkeit
verstanden.
• Als "denatured-grade plutonium" bezeichnete DeVolpi Plutonium mit einem in
Reaktoren spaltbaren Anteil von 20 % und weniger. So könnte laut DeVolpi das
Proliferationsrisiko durch isotopische Denaturierung um einige Größenordnungen
reduziert [DEV079, Conclusion No. 6] und in Verbindung mit Safeguards auf und
unter das Niveau anderer akzeptierter technologischer Risiken gedrückt werden
[DEV079, ConclusionNo. 26]. Über Sinn und Unsinn von "Risikoabschätzungen"
wird gerade in Zusammenhang mit der Kerntechnik schon lange diskutiert - ohne
das eine Annährung der verschiedenen Standpunkte in Sicht wäre.
Mit diesem Kapitel sollte vor allem eines gezeigt werden: Das in der Bundesrepublik
Deutschland derzeit gehandhabte Plutonium hat mit diesen denaturierten Gemischen
(" denatured-grade plutonium") nicht das geringste zu tun. Die beschriebene Diskussion inden USA ging nicht mehr darum, ob Reaktorplutonium waffentauglich sei oder
nicht, sondern um Methoden, wie Reaktorplutonium durch künstlich zugegebene Stoffe
waffenuntauglich gemacht werden könnte. In der Bundesrepublik Deutschland denkt
niemand daran, eine Plutoniumwirtschaft einzuführen, die mit Plutonium von weniger als 20 % in Reaktoren spaltbaren Isotopen umgeht. In der einzigen PlutoniumBrennelementfabrik der Bundesrepublik, der Firma ALKEM, wäre die Hantierung mit
diesem Plutonium bei Beachtung des gesetzlich vorgeschriebenen Schutzes· der Mitarbeiter und der benachbarten Bevölkerung ausgeschlossen. Dies trifft ebenfalls für die von
ALKEM neu beantragte Anlage zu.
19
1.3
Ansichten bezüglich der Waffentauglichkeit von. Reaktorplutonium in der Bundesrepublik Deutschland
Beispielhafte Äußerungen verschiedener Seiten sollen, beginnend 1975 und bis in die
jüngste Zeit hinein, die Diskussion in der Bundesrepublik Deutschland beleuchten. Eine
besondere Bedeutung kommt hierbei der Berichterstattung in der weitverbreiteten Zeitschrift Atomwirtschaft/Atomtechnik zu, die mit ihren sowohl technischen als auch politischen Informationen nicht unerheblich zur Meinungsbildung beitragen dürfte. Der Titel
dieser Zeitschrift wird üblicherweise mit "atw" abgekürzt. Sie ist das offizielle Fachblatt
der Kerntechnischen Gesellschaft e.V.
"Gibt es ein Plutonium-Problem?" fragte der Geschäftsführer der Plutonium-Brennelementfabrik ALKEM, Wolfgang Stoll, 1975 in der atw [STOL75]. In Sachen Waffentauglichkeit des Reaktorplutoniums beschränkte er sich darauf, zu verneinen, die Anfertigung
einer Kernwaffe sei einfach. Der Umstand, daß in Atomwaffen spezielles Plutonium mit
einem hohen Anteil an Plutonium-239 verwendet wird, sei, so Stoll, ja nicht zu verstehen, wenn der Bombenbau mit Reaktorplutonium einfach wäre (hier vergaß Stoll Aspekte
der Zuverlässigkeit und Vorhersagbarkeit). Stolls Artikel war übrigens die überarbeitete
Fassung eines Übersichtsvortrags, von ihm auf der Reaktortagung 1975 des Deutschen
Atomforums und der Kerntechnischen Gesellschaft vom 8.-11. April 1975 in Nürnberg
gehalten.
Auf der Folgetagung im Jahr 1976 machte Gerhard Locke von der Fraunhofer-Gesellschaft
auf die Waffentauglichkeit von Reaktorplutonium aufmerksam (vg1.Kap.l.2.) und zeigte
gleichzeitig Methoden zur Denaturierung auf, die jedoch in ihrer Wirksamkeit weit hinter
denen DeVolpis (vgl. ebenda) zurückblieben. Dieser Vortrag wurde zwar kurz in der atw
erwähnt [KARW76], aber später niemals mehr sonderlich beachtet. Es wurde auch auf
keiner der jährlichen Reaktortagungen noch einmal ein vergleichbarer Vortrag angeboten.
Zu keiner Zeit widmete die atw der Proliferation ebensoviel Raum wie 1977, als in den
USA die kommerzielle Brüterentwicklung und Wiederaufarbeitung gestoppt wurde. Wegen des von der deutschen Atomwirtschaft zu dieser Zeit angestrebten Exports solcher
proliferationsträchtigen Technologien, sah sich die Atomwirtschaft in der Defensive. Die
USA erwarteten, daß sich westliche Bün~nispartner ihrem Moratorium anschlössen. Bemerkenswert sind hier allerdings die letzten Sätze der bekannten Erklärung von Jimmy
Carter am 7. April 1977 [CART77]. Diese lassen nämlich einige der in der Folge, speziell auch in der Bundesrepublik, gegen die USA erhobenen Vorwürfe - einige werden im
Verlauf dieses Kapitels noch auftauchen - ungerechtfertigt erscheinen:
20
"We are nottrying to impose our will on those nations like Japan and France
and Britain and Germany which already have reprocessing plants in operation. They have special need that we don't have in that their supplies of
petroleum products are not available. But we hope that they will join with us
- and I believe that they will - in tryjng to have some worldwide understanding of the extreme threat of the further proliferation of nuc1ear explosive
capability."
Entgegen weitverbreiteter - aus verstandlichen Grunden auch von der deutschen Atomwirtschaft propagierter - Meinung, waren fur die Einfrierung des kommerziellen USBruter- un4 Wiederaufarbeitungsprogramms im wesentlichen technische Probleme sowie
von der Aufsichtsbehörde (Nuc1ear Regulatory Commission, NRC) verschärfte Strahlenschutz- und Betriebsauflagen entscheidend (die Aufsicht war 1975 der nachlässigen und
korrupten Atomic Energy Commission, AEC, entzogen worden) [NWG82]. Tendenzen
der US-Nuklearexport-Politik wurden in der atw wiederholt kritisch bewertet, z.B. von
C. Patermann der bundesdeutschen Botschaft in Washington [MUELL77; PATE77a;
PATE77b].
J. Scharioth untersuchte 1977 in der atw die "Nuklearkontroverse aus gesellschaftlicher
und psychologischer Sicht" [SCHA77] - ohne die Proliferation auch nur zu erwähnen(!); es
handelte sich um die überarbeitete Fassung eines Übersichtsvortrags der Reaktortagung
1977 in Mannheim. Karl Wirtz berichtete uber die ANS-ENS-Konferenz vom 5.-19. November 1976 in. Washington [WIRT77] und bezeichnete die Proliferation als "Thema Nr.
I" dieser Tagung. Dabei schilderte ·er Situation und Diskussion in den USA - ohne eine
wesentliche Ursache, nämlich das Rücken der Waffentauglichkeit von Reaktorplutonium
ins öffentliche Bewußtsein, zu nennen.
In der atw fanden sich meist Beiträge, die beim Stichwort "Nichtverbreitungspolitik"
den Verzicht der Bundesrepublik auf eigene Atomwaffen, die Existenz des Nichtverbreitungsvertrags und die internationalen Kontrollen durch Euratom und IAEA hervorhoben, so z.B. Beiträge von Hans-Hilger Haunschild, Staatssekretär im Bundesministerium
fur Forschung und Technologie [HAUN77] und Bundeswirtschaftsminister Hans Friderichs [FRID77].Heinrich Mandel, damals Präsident des Deutschen Atomforums, erklärte
[MAND77]:
"N aturlich verstehen wir die Sorge unserer amerikanischen Freunde ... Es
durfte wohl völliges Einvernehmen zwischen den.· USA. und uns darüber bestehen, daß alles getan werden muß, um die Proliferation von Kernwaffen
zu verhindern. Gerade wir hier in Deutschland haben durch den einseiti-
21
gen Verzicht auf die Herstellung und den nationalen Besitz von Kernwaffen,
durch die Unterwerfung unter die Euratom-Sicherheitsüberwachung, durch
den Nichtverbreitungsvertrag und durch die Mitwirkung an den Londoner
Exportrichtlinien besonders viel in dieser Richtung getan."
Der Export von nuklearem know-how sei, so Mandel, gerade eine proliferationsmindernde
Maßnahme, denn "jedes andere Vorgehen muß dazu führen, daß solche Länder sich diskriminiert fühlen und auf eigene Faust und hinter verschlossenen Türen Entwicklungen
betreiben, die dem Weltfrieden abträglich sein können."
Lediglich G. Hildenbrand der Kraftwerk Union AG wies einmal darauf hin, "daß aber
auch Reaktor-Plutonium mit einem Gehalt von 20-30 % Pu-240 für die Herstellung von
Kernsprengkörpern in Frage kommt, deren Wirksamkeit von den Einrichtungen zur Erzielung der erforderlichen Zusammenführungsgeschwindigkeiten abhängig ist" [HILD77].
Zusammenfassend stellte Hildenbrand allerdings fest, "daß die Proliferation kerntechnischer Kenntnisse bereits irreversibel stattgefunden hat, und daß es notwendig ist, anstelle
des vergeblichen Versuchs, den Gang der Dinge zurückzudrehen, wirksame Nichtverbreitungsmaßnahmen unter Einschluß politischer Überzeugungskraft zu ergreifen."
Der überwiegende Teil der atw-Beiträge zur Weiterverbreitungsproblematik hielt die
Proliferation für ein im wesentlichen politisches und kein technisches Problem. Erwähnt
sei noch ein atw-Artikel des Jahres 1977 'vom Leiter des Projekts Schneller Brüter am
Kernforschungszentrum Karlsruhe, Günther Keßler, der in einer "kritischen Durchsicht"
[KESS77] der mit dem ERDA-Brüterprogramm der USA zusammenhängenden Proliferationsfragen eine Abbildung mit möglichen Proliferationspfaden zeigte. Die aufgeführten
Wege waren der Diebstahl von Kernwaffen, die Anreicherung von Uran-235 oder Uran~
233, die chemische Abtrennung von Uran-233 und die chemische Abtrennung von "Pu239 mit wenig Pu-240". Als waffenfähigen Kernbrennstoff stellte Keßler "U-233, U-235,
Pu-239" hin. Auch im Text war durchweg von Plutonium-239 die Rede, so daß die Waffentauglichkeit von Reaktorplutonium dieser "kritischen Durchsicht" nicht zu entnehmen
war. Bereits 1978 war die Diskussion von Nichtverbreitungsproblemen in der atw wieder
stark rückläufig; das in den USA am 10. März 1978 in Kraft getretene Exportkontrollgesetz wurde noch als "Irrweg zur Nichtverbreitung" angegriffen, der" das Vertrauen in
die USA als zuverlässigen Handelspartner schwer erschüttert" habe [MUEL78].
Eine Folge des Brüter- und Wiederaufarbeitungs-Moratoriums der USA war eine international durchgeführte Bewertung des Brennstoffkreislaufs (INFCE), mit dem Ziel,
möglichst proliferationssichere Kreisläufe zu entwickeln. Den Wert einer solchen Bewertung zweifelte die atw 1979 an [LEVI79]:
22
"Es ist daher äußerst zweifelhaft, ob der Versuch, durch die Wahl von Brennstoffzyklen das Proliferationsrisiko zu beeinflussen, nicht einfach am ,Kern der
Sache, der ein politischer ist, vorbeigeht."
Ergebnisse von INFCE stellte die atw 1980 und 1981 mehrfach vor [HOSS80; PATE80;
PATE81; POPP80; ROTH80]. Es hieß, "daß eigentlich nichts dabei (bei INFCE, d.
Verf.) herausgekommen ist, was man nicht schon vorher gewußt hätte", nämlich "daß
allen Brennstoffkreisläufen ein gewisses Proliferationspotental innewohnt, dessen Kontrollierbarkeit jedoch nach Meinung der internationalen Fachleute gesichert erscheint".
Der stellvertretende Chefredakteur der atw, Rüdiger H088ner, bemerkte [HOSS80]:
"Doch die Sorge wuchs besonders in dem Land, das der Weiterverbreitung
der Kernenergie als erstes den Weg geöffnet hatte, in den USA. Dabei war
nicht überall und immer ganz deutlich, ob diese Sorge nicht auch vom Konkurrenzdenken mit beeinflußt würde ..."
Vertreter des Bundesministeriums für Forschung und Technologie stellten "Die wesentlichen Ergebnisse von INFCE" vor [POPP80]: Proliferation sei "ein politisches und kein
technisches Problem", es gäbe keinen Brennstoffkreislauf, welcher absolut resistent gegen
Mißbrauch sei, Safeguards seien weiterzuentwickeln und ebenfalls die Aspekte Versorgungssicherheit, Umweltschutz und Wirtschaftlichkeit mit zu betrachten. Und als ganz
besonders wichtiges Ergebnis, daß "in der Tat die Kernenergie weltweit verfügbar gemacht
werden kann". Für "auf dem Hintergrund der Geschichte von INFCE sehr bedeutsam"
galt auch die Aussage, " daß auch große Brüter oder Wiederaufarbeitungsanlagen durchaus 'safeguardable'sind".
1981 beschäftigte sich der stellvertretende Generaldirektor der IAEA, H. Grümm, in der
atw mit möglicher Proliferation [GRUE81]: Auch bei ihm kein Wort über Möglichkeiten des Bombenbaus mit Reaktorplutonium. Stattdessen behauptete Grümm, die" eingebildete Gefahr der Kernkraftwerke" hätte die Aufmerksamkeit von der "millionenfach größeren wirklichen Gefahr der Atomwaffen abgelenkt .... In diesem Sinne trägt die
Kernkraftwerks-Hysterie zum Fortbestehen eines unermeßlichen Gefahrenpotentials von
40000 bis 50000 Kernsprengkörpern in den Arsenlen der Großmächte bei." (Diese Quelle
war der Abdruck eines Vortrags, den Grümm anläßlich der Verleihung der Ehrenmitgliedschaft in der Kerntechnischen Gesellschaft an ihn am 23. Oktober 1980 in Bonn
hielt. )
Der Angriff israelischer Flugzeuge auf den Forschungsreaktor Osirak im Irak am 7. Juni
1981 war der atw noch einmal eine Erwähnung des Proliferationsproblems wert [ATW81].
Zitat:
23
"Bedarf an Spaltstoffen für eine Kernwaffe ... Die kritischen Massen für eine
Kernwaffe in der Form von unreflektierten Kugeln aus Metall der jeweils höchsten Dichte für schnelle Neutronen betragen für U-235 44 kg und für Pu-239
10 kg. Man muß dabei davon ausgehen, daß einerseits die benötigten Mengen
wegen der Verluste und der nicht idealen Bedingungen bei der Zündung der
Waffe größer sind, andererseits aber die notwendigen Mengen mit Reflektoren und extremen Drücken bei der Zündung etwa halbiert werden können.
Gerade diese letztere Technologie setzt jedoch nukleare Waffentests und eine
in diesem spezifischen Bereich extrem hoch entwickelte Technik voraus, über
deren Verbreitung außerhalb der USA bisher nichts bekannt ist."
Dem steht entgegen, daß die erste Plutoniumbombe (Trinity-Test) bereits besser funktionierte als die überwiegende Mehrheit ihrer Erbauer dies angenommen hatte. Außerdem
muß wohl die Technologie des Atomwaffenbaus heute auch außerhalb der USA verbreitet sein, da es neben den USA mindestens fünf weitere Atomwaffenmächte gibt, welche
ebenfalls Plutonium in ihren Waffen einsetzen.
Soweit zur Berichterstattung in der atw. Wir wollen an dieser Stelle noch festhalten:
Es erfolgte keine das Gesamtbild verfälschende Ausw~hl der Zitate aus der atw. Die atw
berichtete zu keiner Zeit über die Waffenfähigkeits-Diskussion von Reaktorplutonium in
einer an die Zitate in Kapitel 1.1 herannahenden Qualität. Dagegen drängt sich der Eindruck auf, daß die Waffenfähigkeits-Diskussion in den beruhigenden und verdrängenden
Artikeln der atw bewußt vernachlässigt wurde. Die in der atw veröffentlichten Aufsätze
argumentierten meist in Richtung forciertem Einstieg in die Plutoniumwirtschaft.
Eine etwas tiefgründigere Diskussion der Waffentauglichkeit von Reaktorplutonium kam
in der Zeitschrift, Atomkernenergie-Kerntechnik auf - jedoch erst 1976. Die Diskussion
begann mit einem Aufsatz zur Kritikalität von Reaktorplutonium des türkischen Ingenieurs Sümer Sahin [SAHI76a], der als Dozent in der Schweiz tätig war. earl M. Fleck,
Professor am Atominstitut der österreichischen U,niversitäten in Wien, brachte zu Sahin "some remarks" in die Zeitschrift ein [FLEC76a], auf die Sahin wiederum einging
[SAHI76b] und Fleck "final remarks" dazu veröffentlichte [FLEC76b].
Sahin hatte in dieser Debatte auf unterschiedliche Neutronenlebensdauern in Reaktorplutonium gegenüber Waffenplutonium verwiesen, wodurch die erreichbare Sprengkraft
beeinflußt werden solle. Fleck dagegen hielt das Problem der Frühzündung und der damit verbundenen Expansion des Spaltstoffs vor Erreichen der maximalen Überkritikalität,
wodurch ebenfalls die erreichbare Energieausbeute reduziert wird, für bedeutsamer. Leider redeten Sahin und Fleck wohl immer etwas aneinander vorbei.
24
Sahin führte schließlich Rechnungen durch, die jedoch nicht in der AtomkernenergieKerntechnik, sondern in den Annals of Nuclear Energy 1978 [SAHI78] veröffentlicht wurden, und in denen er die Verlängerung der Neutronenlebensdauer im Reaktorplutonium
quantitativ zu bestimmen versuchte. Sahin war sich der Unsicherheit seiner Rechnungen
hewußt, herücksichtigten sie doch keine dynamischen Einflüße während der Kompaktierungszeit. Aus seinen Rechnungen zog er den Schluß, daß die Sprengkraft des Reaktorplutoniums nur begrenzt gegenüber Waffenplutonium reduziert sein könne. Als Sahin
seiner vorherigen Diskussion mit Fleck in der Atomkernenergie-Kerntechnik 1979 noch
das quantitative Ergebnis nachschob [SAHI79], fand sich diese letzte Konsequenz, die
nur begrenzte Reduktion der Sprengkraft, allerdings nicht in dieser Zeitschrift. Fleck
erwiderte [FLEC79], sein Vorbehalt bezüglich der Frühzündung sei damit noch nicht
ausgeräumt.
Im Jahre 1980 stellte Sahin dann in der Atomkernenergie-Kerntechnik nocheinmal verbesserte Rechnungen vor [SAHI80a], die zu größeren Neutronenlebensdauern - auch für reines
Plutonium-239 - geführt hatten. Die prozentuale Erhöhung der Neutronenlebensdauer in
Reaktorplutonium gegenüber reinem Plutonium-239 stimmte jedoch mit seinen früheren
Rechnungen praktisch überein. Ausführlicher nachzulesen waren die neuen Berechnungen
von Sahin in der Zeitschrift Nuclear Technology [SAHI80b], wo er erklärte, mit einem
Anteil von 15 % Plutonium-240 könne bei ausgeklügelter Technik eine Sprengkraft von
- 1 kt TNT erreicht werden, bei 25 % Plutonium-240 bleibe die Sprengkraft praktisch
immer unterhalb des 100-t-TNT-Bereichs. In einem Leserbrief in der Zeitschrift Nature
[SAHI80c] auf einen Artikel von Amory B. Lovins [LOVI80] hin, schrieb Sahin allerdings
leicht abgewandelt, bei ausgeklügelter Technik könne eine Sprengkraft von 1 kt TNT (bei
15 % Pu-240) beziehungsweise 100 t TNT (bei 25 % Pu-240) nicht überschritten werden.
Als nächstes wollen wir uns den Aussagen eines Vertreters der Kernforschungsanlage
Jülich, Erwin Münch, widmen. Dieser schrieh im März 1976 [MUEN76]:
"Die Zusammensetzung des in kommerziellen Kernkraftwerken entstehenden
Plutoniums aus spaltbaren und etwa 40 % nicht spaltbaren Isotopen macht
es unmöglich, aus diesem Material wirksame Kernwaffen zu produzieren, die
die Sprengkraft konventioneller Waffen überschreiten."
Später versuchte Münch geltend zu machen, daß er seine Aussage implizit nur auf Mißbrauch durch Terroristen ohne Zugang zu moderner Schießtechnik gemünzt gehabt habe
[EHRE79]. 1979 [MUEN79] hielt Münch den Bau von Sprengkörpern im Bereich einiger
kt TNT mit Reaktorplutonium durch einen Staat für möglich, sagte jedoch andererseits:
25
"Die Herstellung einer wirksamen und sicher zu zündenden Atombombe durch
Terroristen aus den im Reaktor anfallenden Spaltstoffgemischen kann ausgeschlossen werden."
Eine etwas kürzere Fassung des Aufsatzes von Münch [MUEN79], die jedoch in vielen
wesentlichen Punkten wortgleich ist, wurde in einer Broschüre der Kernforschungsanlage
Jülich abgedruckt [BORS78]. In der Auflage dieser Broschüre von 1980 [BORS80] ist
sie gegenüber ihrer Auflage von 1978 um den Satz "Für einen Staat könnte jedoch die
Herstellung nuklearer Sprengkörper mit begrenzter Sprengkraft möglich sein" ergänzt.
In einem von Münch herausgegebenen Taschenbuch ("Tatsachen über Kernenergie") in
dessen zweiter Auflage von 1980 [MUEN80] beschreibt Münch die Schwierigkeiten bei
Verwendung von Reaktorplutonium noch identisch mit seiner Abhandlung im Aufsatz
von 1979 [MUEN79]. Ähnlich wie Münch äußerte sich Klaus-Detle! Clo}1 in Bild der Wissenschaft im Juli 1979 [CL0879]. Reaktorplutonium müßte Cloß' Meinung nach mit einer
Geschwindigkeit von mindestens 10 km/s komprimiert werden und diesbezügliche Erfahrungen lägen nur in Kernwaffenstaaten vor. Eine Abbildung des Aufsatzes ist in fetten
Buchstaben mit "Reaktor-Plutonium eignet sich nicht für Bomben" unterschrieben. Die
Gesellschaft für Reaktorsicherheit (GRS) bezeichnete Reaktorplutonium im Bericht "Plutonium" [MUEL79] vom April 1979 als "zum Waffenbau verwendbar", die Herstellung
eines Sprengsatzes sei gegenüber Waffenplutonium "weit schwieriger ... aber grundsätzlich möglich." Die notwendige Implosionsgeschwindigkeit setzten die Autoren der GRS
bei Reakt6rplutonium mit einigen 10 km/s an, hielten in "Heimarbeit" nur 100 m/s für
erreichbar. Diese einigen 100 m/s sollten allerdings noch zu einer Sprengkraft von 20 t
TNT führen können.
Selbst unter Atomkraftgegenern wurde das Proliferationsproblem des Reaktorplutoniums lange Zeit nicht wahrgenommen. Relativ früh zwar, aber dennoch erst im September 1977, schrieb der Bundesverband Bürgerinitiativen Umweltschutz e.V. (BBU) in seiner
Broschüre "Plutonium" [BBU77]: "Es gilt heute als sicher, daß man aus Plutonium, das
in Atomkraftwerken entsteht, Atombomben bauen kann."( Diese Broschüre basiert auf
[KOLL78] ). Dagegen enthielt beispielsweise das Taschenbuch "Reaktoren und Raketen
- Atomare Gefahren und Bürgerproteste" , herausgegeben von Joachim Grumbach 1980
[GRUM80] und verfaßt von Atomkraftkritikern, trotz seines vielversprechenden Titels
keinerlei Hinweis auf eine Waffentauglichkeit von Reaktorplutonium. Ganz im Gegenteil:
Die Tauglichkeit des Reaktorplutoniums wurde sogar abgestritten.
Den frühesten Zeitpunkt, zu dem in der Bundesrepublik von einer Diskussion möglicher
Waffentauglichkeit des Reaktorplutoniums auf breiterer Basis gesprochen werden kann,
stellt wohl das sogenannte "Gorleben-Hearing" dar. Im Rahmen des Gorleben-Hearings
26
diskutierten V0ID. 28. März bis 3. April 1979 über sechzig Experten die grundsätzliche sicherheitstechnische Realisierbarkeit des damals bei Gorleben geplanten "Nuklearen Entsorgungszentrums" (Ein überarbeitetes Protokoll gab das Deutsche .L\tomforum e.V. heraus [ATOM79]).
Grundlage der Diskussion war der "Gorleben Report", ein 2200 Seiten starker Bericht
von 20 international bekannten Wissenschaftlern. Die Waffentauglichkeit des Reaktorplutoniums wurde von ·einigen der Wissenschaftler angesprochen. Einen Überblick über
das Hearing und den Report bietet das bei Fischer Alternativ im Juli 1979 erschienene
Taschenbuch "Der Gorleben-Report" [HATZ79].
Im Kapitel "Sicherung von spaltbarem Material" zitierte das Buch Amory B. Lovins Bomben mit Reaktorplutonium seien herstellbar und nicht wesentlich schwächer oder zuverlässiger als solche mit Waffenplutonium - und den Bericht der" Gorleben International
Review" (GIR). Laut GIR [BARN79] soll ein nuklearer Sprengkörper der "Nagasaki"-Art,
aus Reaktorplutonium gefertigt, auch bei Frühzündung immer noch die Sprengkraft von
1 ktTNT haben; mit einer Explosion von einigen 100 t TNT Sprengkraft könnten Terroristen in einem Ballungsgebiet verhehrenden Sch~den anrichten, und eine terroristische
Vereinigung wäre wahrscheinlich zum Bau einer solchen Bombe fähig. Die Waffentauglichkeit von Reaktorplutonium war jedoch auf dem Hearing nicht von allen Wissenschaftlern
akzeptiert. So meinte beispielsweiseALKEM-Geschäftsführer Wolfgang Stoll in vorgelegten Papieren, Reaktorplutonium sei für Bomhen "höchstungeeignet" [STOL79a], "in seiner Wirkung äußerst unberechenbar" und "nur sehr hohe Vereinigungsgeschwindigkeiten
... unterlaufen die sonst sehr wahrscheinliche Unwirksamkeit einer Nuklearsprengladung
aus Reaktor-Plutonium durch Frühzündung [STOL79b]". Aussagen amerikanischer Wissenschaftlerzweifelte Stoll an und stellte sie als bloße politische Zweckbehauptungen hin
[STOL79b]:
"Die angeblich technische Einfachheit des Aufbaues von Kernsprengladungen
wurde bis 1975 (vor dem Erscheinen des Buches von Willrich & Taylor) stets
von den Waffenländern bestritten. Die Dementi's hörten schlagartig auf, als
die neue US-amerikanische Nichtverbreitungspolitik einsetzte. Man benützte
die in der Praxis nicht nachprüfbaren Aussagen, ohne sie jemals offiziell zu
bestätigen, als Argumentation gegen die Abtrennung von Plutonium. Dabei
scheint bisher niemand ernstlich über das intelligente Nachzeichnen veröffentlichter Waffenschnittbilder hinausgekommen zu sein."
Wichtig in diesem Zusammenhang ist auch folgende Äußerung Stolls [STOL79b]:
27
"Zur Auslösung einer Kettenreaktion mit schnellen Neutronen ist eine Kugel
aus mindestens 13 kg Reaktorplutonium-Metall erforderlich (offizielle Auskunft der NRC). Zwar gibt es im militärischen Bereich besondere und bisher im Detail streng geheimgehaltene Geometrien aus Spezialsprengstoffen,
die kugelzentrische Verdichtungswellen entsprechender Stärke auslösen, daß
auch geringere Spaltstoffmengen noch kritisch gemacht werden können. Damit
wurde auch einmal- wenn auch mit bescheidener Energieausbeute - (Zahlen
wurden nicht veröffentlicht) Leichtwasser-Pu zur Detonation gebracht."
Nach DeVolpi [DEV079] läßt sich mittels eines Reflektors aus natürlichem Uran die kritische Masse des typischen Leichwasserplutoniums in der Delta-Phase auf nahezu zehn
und in der - allerdings schwieriger realisierbaren - Alpha-Phase auf etwa sechs Kilogramm
reduzieren. Es ist nicht abzustreiten, daß bei der Fertigung eines Kernsprengsatzes - sei
es durch Terroristen oder durch einen Staat - ein Reflektor eingebaut werden kann. Das
Prinzip der sogenannten "Sprenglinsen" - wie sie in Implosionswaffen verwendet werden
- hat heute auch im zivilen Bereich Verbreitung gefunden (vgl. Kapitel 2.1).
Im Jahre 1984 wurde im Hessischen Landtag in Wiesbaden ein Hearing veranstaltet,
das die Proliferationsrisiken der HanauerBrennelementfabriken NUKEM und ALKEM
beleuchten sollte [HESS84]. Auch dort versuchte StolI, mit den gleichen Argumenten
seine Gegner zu widerlegyn. Er leugnete weiterhin die eigentlichen Gründe (siehe hierzu
Kapitel 2.6), warum das Reaktorplutonium von den Atomwaffenstaaten nicht in ihren
Sprengkörpern eingesetzt wird. Zitat StolI:
"Ich habe klar gesagt, daß wir keine Waffenexperten sind. Aber natürlich lesen wir Literatur. Soweit wir aus dieser Literatur entnehmen können, ist das
Material das wir haben, für die militärische Nutzung ungeeignet. Ich schließe
das daraus, daß kein ernst zu nehmender Waffenexperte jemals daran gedacht
hat, es einzusetzen, schon weil die Wirkung nur ganz ungenau vorbestimmt
werden kann. Daran ändert überhe;tupt nichts, daß in den USA - und das wurde
ja gesagt - unter dem strengsten Siegel der Verschwiegenheit in der CarterÄra im März 1977 angeblich einmal -niemand weiß es genau - ein Versuch
mit Leichwassermaterial gelungen sein soll. Niemand kennt die Voraussetzungen und Ergebnisse. Nur soviel ist sicher, daß dazu eine ganz besonders weit
entwickelte und schwierige Technik notwendig ist ... Die friedliche Nutzung
von Leichtwasser-Plutonium hat mit der Nuklearwaffe nun wirklich nichts zu
tun."
Ein anderer Referent des Hearings, Professor K arl Kummerer vom Kernforschungszentrum Karlsruhe, hielt Reaktorplutonium immerhin schon für "im Prinzip waffenfähig".
28
Er wies allerdings auf einige Hindernisse hin, die bewirken sollten, daß es "verdammt
schwerfallen wird", eine brauchbare Waffe zu bauen. Seltsamerweise hob Kummerer dabei gerade den im richtigen Moment - auf eine Mikrosekunde genau - erforderlichen
Neutronenstoß zur Einleitung der Kettenreaktion hervor. Einerseits ist gerade der Neutronenstoß im richtigen Augenblick technisch nicht das größte Problem (vgl. Kapitel
2.3), andererseits können nicht Frühzündung und Neutronenstoß gleichzeitig eine große
Schwierigkeit darstellen. Wenn mit großer Wahrscheinlichkeit ohnehin eine Frühzündung
einträte, ist der zusätzliche gewollte Neutronenstoß schlicht überflüssig.
Bereits in seiner schriftlichen Vorlage für die Anhörung (Ausschußvorlage WTA/11/30
und HAA/11/4) vom 30. Mai 1984 hatte Kummerer dem Hessischen Landtag mitgeteilt,
bei NUKEM und ALKEM würden "keine Atomwaffen oder Vorprodukte hierzu gefertigt"
und es bestünde dort "keinerlei diesbezügliche Erfahrung". Das dort verarbeitete Uran
und Plutonium sei "wegen seiner chemischen Zusammensetzung und wegen seiner Isotopenzusammensetzung nicht für Atomwaffen geeignet." Es sollen hier noch Aussagen von
zwei zum Wiesbadener Hearing geladenen Sachverständigen zitiert werden. Ministerialrat
Hagen vertrat das Bundesministerium für Forschung und Technologie; Zitat:
"Es wurde schon von den Firmenvertretern gesagt, daß eine detaillierte Beurteilung der Qualität des Materials, das dort für die friedliche Verwendung
als Brennstoff in Leistungs- und Forschungsreaktoren gelagert bzw. verarbeitet wird, nicht möglich ist. Dies gilt in gleicher Weise für die Kenntnisse,
die der Bundesregierung darüber vorliegen. Wir haben als Bundesregierung
ganz .bewußt und in Übereinstimmung mit den vertraglich eingegangenen
internationalen Verpflichtungen in unseren Forschungsarbeiten, die wir zum
Beispiel bei der Entwicklung der friedlichen Nutzung der Kernenergie in der
Bundesrepublik durchgeführt haben, darauf verzichtet, die Waffengrädigkeit
und die Qualität hinsichtlich der Waffenherstellung solcher Materialien zu
überprüfen oder gar Arbeiten in der Richtung durchführen zu lassen. Ich
bin mir sicher auf Grund ausführlicher Kenntnis auch der Diskussionen innerhalb der deutschen Wissenschaftsszene, daß ein derartiges Ansinnen, egal
von welcher Bundesregierung und zu welcher Zeit, in den letzten 25 Jahren in
aller Deutlichkeit zurückgewiesen worden wäre und in Zukunft zurückgewiesen würde ... Nur noch einmal: Was Detailkenntnisse, was insbesondere die
gezielte Herstellung eines effektiven und in seiner Wirksamkeit kalkulierbaren
Kernsprengsatzes angeht, diese Kenntnis haben wir nicht, und wir wollen sie
nicht haben."
29
Professor K arl K ai3er, Direktor des Forschungsinstituts der Deutschen Gesellschaft für
Auswärtige Politik in Bonn, unterstrich nocheinmal:
"Der Bund ... kann nicht daran interessiert sein, sich die spezifischen Kenntnisse anzueignen, die nötig sind, um Waffen zu produzieren, weil wir als Land
keine Waffen produzieren wollen."
Soweit die Aussagen auf dem Hearing. Diesen beiden Aussagen ist folgende Tatsache
entgegenzuhalten: Zwar nicht massiv und mit großem Aufwand, aber seit Ende der sechziger Jahre beständig, arheiten Wissenschaftler der Fraunhofer-Gesellschaft, In3titut für
Naturwi33en3chaftlich- Techni3che TrendanalY3en in Stohl bei Kiel, an der theoretischen
Behandlung der Funktionsweise von Kernwaffen [LOCK74; LEUT75; LOCI):82]. Sie berufen sich sogar auf einen Auftrag des Bundesministers für Verteidigung (siehe Vorwort
der Arbeiten [LOCK74] und [LEUT75]). Demnach wurde auch die Waffentauglichkeit
des Reaktorplutoniums [LOCK76; LOCK77] bei Arbeiten lür das Bundesverteidigungsministerium gefunden. Das Vorwort einer Arbeit von 1982 [LOCK82] zeigt, daß auch in
Zukunft diese Forschungen weitergehen sollen, um auch "Entwicklungen in Richtung auf
eine Miniaturisierung und größere Effizienz der Kernspaltungswaffen" erfassen zu können.
Es ist also festzuhalten: Entgegen den Aussagen von Hagen auf dem Wiesbadener Hearing
sind Wissenschaftler der Bundesrepublik seit Ende der sechziger Jahre im Auftrag des
Bundesministers für Verteidigung kontinuierlich mit der Funktionsweise von Kernwaffen
befaßt, zwar nicht mit experimentellen Arbeiten, jedoch mit theoretischen Behandlungen als der ersten Stufe einer tatsächlichen Entwicklung" von Kernwaffen. Der Bau solcher
Waffen stellt zwar keine notwendige Konsequenz, aber eine Versuchung dar. Wir können
hier auf die Entwicklung in Frankreich verweisen, die zur "Force de Frappe" führte. In
Frankreich lag lange keine höchste Entscheidung der Regierung zur Atomwaffenproduktion vor. Wissenschaftler leisteten dennoch Vorarbeit und die Entscheidung der Regierung zum Bau und Test der Waffen fiel erst, als einige Wissenschaftler der Lösung schon
sehr nahegerückt waren. Dies ist beispielsweise beim Office of Technology Assessment
[OTA77]in Kürze und ausführlich bei Scheinman [SCHE65] nachzulesen.
Bei vielen der in diesem Kapitel zitierten Äußerungen fällt auf, wie wenig Bedeutung oft
der Frage beigemessen wird, ob ein Staat mit den ihm zur Verfügung stehenden Mitteln
aus Reaktorplutonium eine brauchbare Bombe bauen könnte. Meist wird nur auf Schwierigkeiten hingewiesen, die für subnationale Gruppen in ihrer Relevanz abgeschätzt werden - soweit Randbedingungen überhaupt angegeben sind. Alexander Roßnagel [ROSS83]
machte 1983 darauf aufmerksam, daß bei Terroristen nicht nach deren Möglichkeiten zum
Bau einer modernen Waffe gefragt werden darf, sondern gefragt werden muß, "welches für
30
subnationale Gruppen die Mindestvoraussetzungen sind, um einen möglichst einfachen
Atomsprengsatz herzustellen, wenn man ihren Mitgliedern eine entsprechende Motivation und Gefahrbereitschaft unterstellt."
Die Elektrizitätswirtschaft selbst blieb in der Bundesrepublik von jeglichen Bedenken
gegenüber der Etablierung einer Plutoniumwirtschaft unberührt. Mit Broschüren versuchte die Informationszentrale der Elektrizitätswirtschaft e.V. z.B. 1975 "durch Information Begriffe zu klären, Sorgen zu beseitigen und Verständnis zu wecken" [GRUP75],
was sich dann folgendermaßen liest:
"Für die Verwendung in Kernwaffen ist nur Pu-239 geeignet. Bei den für
einen wirtschaftlichen Reaktorbetrieb erforderlichen langen Einsatzzeiten der
Brennelemente im Reaktor (1 Jahr und länger) entstehen nun solche großen
Mengen der nichtspaltbaren Isotope Pu-240 und Pu-242, daß eine waffentechnische Verwendung dieses "Reaktorplutoniums" unmöglich ist."
Offensichtlich haben die Autoren übersehen, daß Plutonium-240 und Plutonium-242
in Waffen durchaus spaltbar ist; Schwierigkeiten bereiten diese Isotope aus anderen
Gründen. Selbst in einer neueren Auflage dieser Informationsschrift vom August ·1984
[GRUP84; KFK76; KFK81 ] ist der oben zitierte Passus beibehalten worden. Lediglich
der zweite zitierte Satz änderte sich insofern, als aus "unmöglich" "ungeeignet" wurde.
Wir haben in dieser Arbeit bewußt darauf verzichtet, Protokolle des Deutschen Bundestages daraufhin durchzusehen, ob dort ein Konsens bezüglich. der Waffentauglichkeit
von Reaktorplutonium besteht oder bestanden hat. Dies ist einer anderen Arbeit vorbehalten.
Das Ergebnis dieses Kapitels zusammenfassend möchten wir feststellen:
• Eine Diskussion in Forschungsberichten, auf Tagungen oder auch in Fachzeitschriften unter Wissenschaftlern der Bundesrepublik über eine eventuelle Waffentauglichkeit von Reaktorplutonium fand sehr viel später statt, als dies etwa in den USA
der Fall war.
• In den USA verstrichen einige Jahre, bevor eine solche Diskussion die Regierungsebene erreicht und dort zu entsprechenden Konsequenzen geführt hatte.
• In der Bundesrepublik scheint dieser letztgenannte Prozeß noch nicht vollzogen zu
seIn.
31
2
2.1
Spezielle Probleme bei Umgang mit Reaktorplutonium für waffentechnische Zwecke
Schießtechnik in Plutoniumbomben
Im Manhattan-Projekt wurden zwei Schießtechniken untersucht: Der Zusammenschuß
einzeln unterkritischer Massen zu einer einzigen überkritischen Masse (" Geschützmethode" ) und die "Implosions-Technik". Mit der Implosionstechnik sollte es möglich sein,
eine Plutoniumkugel so schnell zu kompaktieren, daß eine Frühzündung durch Neutronen
aus der Spontanspaltung des Plutonium-239 unwahrscheinlich würde.
Bei der Implosion wird eine von Sprengstoff umgebene Plutonium-Hohlkugel kompaktiert
und damit eine überkritische Konfiguration erreicht. Die Plutoniumkugel soll während
der Implosion als Kugel kompaktiert werden; sie soll nicht durch ungleichmäßige Stoßwellen an ihrer Oberfläche von der Kugelgestalt abweichen. Wird eine Plutoniumkugel mit
einer Sprengstoffschicht umhüllt und diese Schicht an einigen Stellen gezündet, so wird
jedoch stets die Stoßwelle an bestimmten Punkten der Plutoniumkugel früher eintreffen
als an anderen. Seaborg hatte bereits im März 1943 befürchtet, daß in Reaktoren erzeugtes Plutonium durch das möglicherweise intensiv spontanspaltende Isotop Plutonium-240
mit der Geschützmethode nicht verwendbar sein könnte [HEWL62]. Mittels der Geschützmethode galten Kompaktierungsgeschwindigkeiten bis 3000 feet/s (914 m/s) als möglich
[HAWK61]. An der Implosionstechnik war deshalb ab 1943 gearbeitet worden, ohne daß
sie zunächst vielversprechend erschien. Ein erster Implosionstest ohne nuklearen Sprengstoff erfolgte am 4. Juli 1943 [HAWK61]. Nachdem im Sommer 1944 bekannt geworden
war, daß Seaborg seine Befürchtungen zurecht geäußert hatte, wurde die Implosionstechnik forciert entwickelt, denn nur mit ihr konnte eine Plutoniumbombe noch realisierbar
seIn.
Sprengstoffe, die mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten detonieren, wurden deshalb so
zusammengesetzt, daß die in einem Punkt an der äußeren Oberfläche der Sprengstoffschicht erzeugten Stoßwellen die Oberfläche der Plutonium-Hohlkugel an allen Punkten
gleichzeitig erreichten ("Sprenglinsen") [TSIP83].
Der erste nukleare Test fand am 16. Juli 1945 bei Alamogordo in der Wüste von New
Mexico statt. Vor dem Test unterschätzten fast sämtliche beteiligten Wissenschaftler die
erreichbare Sprengkraft [BLUM76; JUNG64].
Die Sprenglinsentechnik ist heute auch im zivilen Bereich weit verbreitet. Meist soll bei
ihrer Anwendung mit einer Punktzündung .eine ebene Stoßfront erreicht werden. Eine
weitere Möglichkeit der Schockwellenformung neben der Verwendung mehrerer verschieden schnell detonierender Sprengstoffe ist der Einbau von Hohlräumen oder nichtexplodierenden Körpern in der SprengstofHadung [SeHA71]. Die nötigen physikalischen und
32
chemischen Daten einer Vielzahl brisanter Sprengstoffe sind in einem Handbuch des Lawrence Livermore Laboratory [DOBR74] zugänglich.
Häufig ist auf die große Zahl an Wissenschaftlern und Technikern des Manhattan-Projekts
verwiesen worden, um so ungeheure Schwierigkeiten des Bombenbaus zu begründen. Es
sollte jedoch nicht vergessen werden, daß dieser Personenkreis an vielen Problemen zu
arbeiten hatte, die heute längst gelöst sind, wie z.B. an der Bestimmung von kritischen
Massen oder Reaktionswirkungsqu.erschnitten usw. mit gemessen an heutigen Stand der
Technik primitiven Methoden. Außerdem standen. damals keine leistungsfähigen Rechner zur Verfügung, so daß Theoretiker mit Berechnungen zu kämpfen hatten, die heute
mittels einer Maschine innerhalb kürzester Zeit durchgeführt werden können.
An dieser Stelle wollen wir noch einmal auf ein weitverbreitetes Mißverständnis aufmerksam machen. Es darf bei Betrachtungen zur Waffentauglichkeit nicht der Neutronenhintergrund von reinem Plutonium-239 und Reaktorplutonium verglichen werden (z.B.
[SEIF84; NELS77]). Der Neutronenhintergrund unseres im Vorspann dieses Berichtes
definierten Reaktorplutoniums ist in der Tat etwa 17000 mal größer als derjenige von
reinem Plutonium-239. Vergleichen wir unser Reaktorplutonium jedoch mit dem Waffenplutonium niederer Qualität (7% 240PU), welches dennoch als Waffenplutonium gilt, so
ist der Neutronenhintergrund des Reaktorplutoniums nur noch 4,6 mal so hoch.
2.2
Aufbau der Pu-Isotope in Brennelementen und Neutronenhintergrund
Für eine Abschätzung des Frühzündungsproblems relevant ist der Zusammenhang zwischen dem Abbrand der. Brennelemente und dem Neutronenhintergrund. Die Erbrütung
von Plutonium-Isotopen aus 238U, sogenannte Inventarberechnungen, kann mit nichtlinearen gekoppelten Differentialgleichungen simuliert werden [FISH83,KIRC85]. Abb.1
gibt eip.en schematischen Zusammenhang dieses Prozesses wieder. Durch den, von der
Spaltung des 235U aufrechterhaltenen Neutronenfluß wandelt sich das 238U über mehrere Zwischenschritte (n-Einfang & ß-Zerfali) in 239pU um. Durch das Einfangen weitere
Neutronen entstehen die "höheren" Plutonium-Isotope 240,241,242. Mit der aus der Inventarberechnung resultierenden Pu-Zusammensetzung und den unten aufgeführten spezifischen Neutronenraten kann der Neutronenhintergrund als Funktion des Abbrandes
bestimmt werden.
Isotop
Neutronenrate s-lkg- 1
Pu-238
Pu-239
30
33
Pu-240
Pu-241
o
Pu-242
t
t
~
Cl)
~
0
~
[J-~__ ~~?J ~
tn
["~
~
co
~
~
Cl)
Z
~
239l
In ß"
,n ß,
(U 23ß 1
lNp 239 J
(p~-24Ol ~
ß,
t (n,2n)
....j....J
~
(U
tn
LD
~
~
[U 237 J
.
(Np 2381
ß"
~
~
In
[ Pu 239l
ß,,/VJ. I n
(Np 237 ]
~
92
93
Protonen
/0-
[Pu 238 J ~
94
..
Abbildung 1: Umwandlung von U-238 durch Neutroneneinfang und "Erbrütung" der
Pu-Isotope 239,240,241,242
Eine grobe Abschätzung der Neutronenrate als Funktion des Abbrandes ist bei [LOCK76]
zu finden,
P~0,32.(1-e-A/1l)
(1)
wobei P der Anteil von 240pU und 242pU an allen Plutonium-Isotopen und Ader Brennstoffabbrand in GWd/t ist, der mit einer Zeitkonstanten von ca. 11 GWd/t einen Maximalwert von ca. 32 % erreicht. Daß die experimentellen Werte [FISH83] erheblich streuen,
sollte nicht außer acht gelassen werden. Die spezifische Neutronenrate für 240pU und 242pU
6
ist grob mit 10 Neutronen/s/kg abzuschätzen. Für nicht zu kleine Abbrände kann der
Anteil von 239pU vernachlässigt werden. Die spezifische Neutronenrate N berechnet sich
dann zu:
N ~ 10 6 • 0,32(1 - e- A / ll )
(2)
34
Um diesen Zusammenhang zu prüfen wurden anhand von Rechnungen von Kirchner et
al. [KIRC85] eigene Abschätzungen vorgenommen und eine gegenüber (2) verbesserte
Näherungsformel gefunden. Die Inventarberechnungen von Kirchner b'eruhen auf dem
ORIGEN-Code [OakRidge Isotope Generation and Depletion Code], erweitert durch ein
Programmpaket SAS2, das u.a. die durch Resonanzen stark zeitabhängigen effektiven
Wirkungsquerschnitte berücksichtigt.
Abb. 2 zeigt die Produktion der Pu-Isotope als Funktion des Abbrandes für U0 2 Brennelemente in DWR für mittleren Zielabbrand von 33 GWd/t bzw. für geplante
Hochabbrandelemente bei 55 GWd/t. Die Anreicherungen betragen 3,2 % bzw. 4 %
35
2 U, die mittleren Leistungsdichten 37,5 MW/t bzw. 41,25 MW/t. Beachtenswert ist
die Abnahme des 239pU Anteils bei hohen Abbränden, durch die im Vergleich zu 235U
dominierende Spaltrate, und die erhebliche 238pU Produktion.
Abb. 3 zeigt die prozentuale Zusammensetzung der Plutoniums als Funktion des Abbrandes.
In Abb. 4 sind die Neutronenproduktionsraten [WICK67] der Isotope und ihre Summe
dargestellt. Die geradzahligen Isotope, insbesondere 240pU, dominieren aufgrund ihrer
spontanen Zerfallsraten. Die Näherung nach Formel (2) überschätzt die Neutronenrate
bei Abbränden unter 33 GWd/t bzw. unterschätzt sie für Abbrände über 33 GWd/t. Die
Angaben zu Frühzündungswahrscheinlichkeiten bleiben bei Abbränden von 33 GWd/t
unberührt.
Die Schraffierung deutet den Bereich an, in dem das sogenannte weapon grade Plutonium
erbrütet wird. Die Brennelemente weisen einen Abrand von maximal 5 GWdjt auf. Dies
bedeutet eine Verweilzeit der Brennstäbe von nur einigen 100 Tagen im Reaktor.
35
····Pu
Pu240
Pu241
1-----'-""---'~---.;..;. .. -------"',.,.~,.,.,.,.,.,.,.,.::-:::~· Pu242
Pu238
_." --..,
--
......
_I~.,..
..
~ :'f': -
-
-----
_
_
_
_
_
_
30
20
10
-
_
_
_
-
-
-
-
-
-----------
40
60
50
70
GWd/t
Abbildung 2: Aufbau der Pu Isotope in kg pro Tonne Schwermetall als Funktion des
Abbrandes nach [Kir82] für Brennelemente von 33 GWd/t und 55 GWd/t.
90
l:l:\~;:~:~:
;.......__.._;- . . . . . . . ._ , _.. . . . . . . . . . , .
80 ::::::::::~::~
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········!····· ..············..···
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.........................•-+......•..............................•.••.
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1....
i
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.
Pu239
:: !II"['!'I";--':---:::-:-:-::-:-'r
30
:~~~~~~~~~~~~~
!......
.
..
Pu240
. . ~~~~~~~_~~~~~~~~~~~:.~::~.~~~;;~.;.- .. -----------------------------~ . . P'UZ4T··
20 ::::::::::::::.....
1: 11111~IL:::~~J:::::::::::~~f~~ __ ~~~::_:.:!~~:... . :.::._' ._._. _LL· .~.~.~.~~ .
o
10
20
30
40
50
60
70
GWd/t
Abbildung 3: Prozentuale Zusammensetzung des Plutoniums als Funktion des Abbrandes
nach [Kir82]
36
xl0 0
n/s/kg Pu
Pu
,.,,'!'......
Pu240
-----
--,--
,---
...-.-.-.~------.. ptl~~il
pu2am
40
50
60
70
GWd/t
Abbildung 4: Sekündliche Neutronenrate pro kg Plutonium als Funktion des Abbrandes
entsprechend Abb. 2.
Eine verbesserte Näherung für die Neutronenrate pro kg Pu als Funktion des Abbrandes
A [GWd/t] erhält man mit:
N = a • (1 - e( -A/3oS))
+b * A
(3)
mit a=56600 bzw. 47000 und b=8320 bzw. 7515 für die beiden Abbrände. Der Neutronenhintergrund S für eine Masse M berechnet sich zu S = N . M Neutronen/s.
37
2.3
Die Neutronenquelle zur Einleitung einer Kettenreaktion
Im Zeitpunkt maximaler Überkritikalitä t - während einiger Millionstel Sekunden - muß
ein Neutron die gewünschte Kettenreaktion im Plutonium einer Kernwaffe einleiten. Bei
der ersten Implosionsbombe wurde eine kugelförmige Kapsel, die Polonium- und Berylliumpulver, getrennt durch eine Folie, im Innern der Plutonium-Hohlkugel enthielt,
im Augenblick maximaler Überkritikalität zerquetscht. Dabei vermischten sich die beiden Pulver und die Reaktion 9Be(a,n) 12 C lieferte einen Neutronenstoß [BARN79]. (Das
Polonium-210 war durch Neutronenbeschuß von Wismuth-209 im Clinton Pile gewonnen
worden). Die Quellstärke einer Polonium-210-Beryllium-Quelle liegt bei etwa 2,5 . 106
Neutronen pro Sekunde und Curie Polonium [JAEG74]; die spezifische Aktivität von
Polonium-210 beträgt 4600 Curie (1, 7 . 1014 Bq) pro Gramm. Mit einem Milligramm
Polonium-210 lassen sich also bereits 1,2· 10 7 Neutronen pro Sekunde generieren, was
als Quellstärke .im Innern der Plutoniumkugel ausreichen würde. Die Zündung mittels
Polonium-Beryllium-Quelle ist eine relativ primitive Methode. Ein elektronischer Neutronengenerator mit Tritium-Deuterium-Target kommt ebenfalls als Neutronenquelle in
Betracht. Ist bei einer vorgegebenen Schießtechnik eine Frühzündung durch ein Neutron
aus spontaner Spaltung des Plutoniums oder durch eine (a, n )-Reaktion an Verunreinigungen des Plutoniums äußerst wahrscheinlich, kann auf die zusätzliche Neutronenquelle
ohnehin verzichtet werden.
2.4
2.4.1
Hantierung von Reaktorplutonium
Dosisbelastung durch radioaktive Strahlung
10 kg typisches Leichtwasserreaktor-Plutonium (1,5 % 238pu; 56,5 % 239pU; 26,5 % 240pu;
11,5 % 241pU; 4,1 % 242PU) erzeugen nach Campbell und Gift [CAMP78] in 30,5 cm Abstand eine Dosisleistung von 1,56 mSv/h (156 mrem/h). Innerhalb eines Jahres nach
Abtrennung des Plutoniums aus abgebrannten Brennelementen steigt die Dosisleistung
auf 1,74 mSv/h (174 mrem/h). Den größten Beitrag liefern dabei die Neutronen der
spontanen Spaltung. Bei Verunreinigungen mit leichten Elementen beziehungsweise bei
Plutoniumdioxid können aber auch die Neutronen aus (a, n)-Reaktionen für die Ortsdosisleistung entscheidend sein [ARN058]. Selbst bei einer Konzentration von 18,5 % des
sehr a-aktiven Isotops Plutonium-238 betrüge nach Campbell und Gift [CAMP78] die
Gesamtdosisleistung von 10 kg Plutoniumdioxid in 30,5 cm Abstand nicht mehr als 8,5
mSv/h (850 mrem/h). Die von Campbell und Gift angegebenen Werte enthalten keine
Röntgen- und ß-Strahlung und keine 'j'-Strahlung aus spontaner Spaltung; diese Strahlungen spielen im betrachteten Abstand keine wesentliche Rolle [ROES58].
38
Eine 1-kg-Kugel metallischen Waffenplutoniums (93 %239 PU; 7 % 240PU) weist laut International Atomic Energy Agency [IAEA74] eine Dosis auf der Oberfläche von etwa 18
mSv/h (1800 mrem/h) [Röntgenstrahlung 13 mSv/h; I-Strahlung 3 mSv/h; Neutronenstrahlung 2 mSv Ih] auf.
Für Reaktorplutonium (1,5 % 238pU; 58,6 % 239pU; 23,8 % 240pU; 11,0 % 241pU; 4,8 %
242 pU ) wären es 137 mSv Ih (13700 mrem/h) unter Vernachlässigung der I-Strahlung
(Röntgenstrahlung 108 mSv Ih; I-Strahlung 3 mSv Ih; Neutronenstrahlung 10 mSv Ih),
also das 7,6-fache der Dosisleistung des Waffenplutoniums. Mit zunehmendem Abstand
von der Oberfläche schrumpft dieser Unterschied, da die Röntgenstrahlung kurzer Reichweite überproportional zur Erhöhung des Strahlenpegels von Reaktorplutonium relativ
zu Waffenplutonium beiträgt. Für 10-kg-Kugeln ist eine Dosisleistung deutlich unterhalb des 10-fachen der oben angegebenen Werte zu erwarten, da die Selbstabsorption des
Plutonium-Metalls nicht unberücksichtigt bleiben kann.
Ein akutes Strahlensyndrom wird im allgemeinen erst ab 1 Sv (100 rem) Ganzkörperbestrahlung erwartet. Bei niedrigerer Strahlenbelastung ist nicht mit hervorstechenden
klinischen Symptomen zurechnen und Organschädigungen wären nur im Labor mittels
besonderer Untersuchungsmethoden nachweisbar. Bis zu einer Ganzkörperbestrahlung
von 2 Sv (200 rem) gilt eine Erholung noch als wahrscheinlich [MOEH72]. Somit werden
selbst ohne Abschirmmaßnahmen bei vorsichtigem Umgang mit Reaktorplutonium akute
Strahlensyndrome nicht auftreten. Ein darauf folgender Spätschaden muß insbesondere
bei Terroristen nicht als Hinderungsgrund am Umgang mit Reaktorplutonium angesehen
werden.
2.4.2
Wärmeentwicklung durch Radioaktivität
Die einzelnen Plutoniumisotope zeigen eine unterschiedliche Wärmeleistung [ALKE82]:
Isotop
Wärmeleistung W Ikg
Pu-238
560
Pu-239
1,9
Pu-240
6,85
Pu-241
4,23
Pu-242
0,115
Daraus ergeben sich bei in Waffen eingesetztem Plutonium (6% 240PU) etwa 2,2 W Ikg
gegenüber etwas mehr als 10 W Ikg bei Reaktorplutonium. Die Wärmeleistung von Reaktorplutonium ist also etwa 5mal größer als diejenige von Waffenplutonium. Die Abhängigkeit der Wärmeproduktion vom Abbrand zeigt Abb. 5. Bei Abbränden über 14 GW d/t
wird die Wärmeleistung hauptsächlich durch 238pU bestimmt. Bei einer Pu Menge von
6.1 kg entspricht die Wärmeleistung für 33 bzw. 55 GWd/t ca. 60 Watt bzw. 120 W,
d.h. üblicher Glühbirnen. Eine Kugel von 6 kg Reaktorplutonium ohne Sprengstoffmantel
erreicht, bei Naturkonvektion an Luft eine Übertemperatur von ca. 1000 e [NELS77].
39
Watt / kg Pu
Pu
: :\11111111111
"
Pu238
"
15
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PU'-240
Pu 239
~~~t:~j~~_,.4~ ,
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o ~~~~~~~======:z:::========:;::=L/=-=-=
40
o
20
30
50
10
60
__--.J
70
GWd/t
Abbildung 5: Spezifische Wärmeleistung pro kg Pu als Funktion des Abbrandes bei einem
Aufbau des Plutonium-Vektors enstprechend Abb.2.
2.4.3
Selbstentzündung bei der Plutoniumverarbeitung
Ein Probleme kann eine mögliche Selbstentzündung bei der Verarbeitung von Plutonium
durch die damit verbundene Kontamination der Umgebung bereiten. Nach Waltz et al.
[WALT80] entzünden sich Plutonium-Feilspäne ab 175°0, Drehspäne ab 265°0 und große
Metallstücke ab 300 - 350°0, selbst wenn dem Plutonium 1 Atom- % Gallium zugesetzt
wurde. Wick [WICK67] gab an, unlegiertes Plutonium (Zylinder von 10 mm Durchmesser und 10 mm Länge, was einer Masse von etwa 15 gentspricht) entzünde sich bei 500
- 520°0 in Luft. Bei Folien von 0,12 rnrn Dicke seien in Luft Entzündungsternperaturen
zwischen 266 und 280°0 C, bei Folien von 1 mrn Dicke zwischen 378 und 408°0 beobachtet worden.
Durch Kühlung und Inertgas - üblicherweise Argon oder Stickstoff - kann die Selbst-
40
entzündung des Plutoniums verhindert werden. Kühlung und Inertgas sind kein Problem,
solange das Plutonium nicht in einen Kernsprengsatz eingebaut ist. Stout [STOU61] gab
eine Reihe von Ratschlägen, die auf in Los Alamos gesammelten Erfahrungen beruhen,
wie die Gefahr eines Plutoniumbrandes minimiert werden kann und welche Möglichkeiten bestehen, einen Brand zu löschen (siehe auch [IAEA74]). Schwierigkeiten können
darüberhinaus durch eine allmähliche Oxidation des Metalls auftreten. Nach Sackman
[SACK61] oxidiert Plutoniummetall an der Oberfläche zunächst zu PuO (es bildet sich
eine schwarze Schicht), an der Oberfläche dieses PuO weiter zu PU02 (gelbe Schicht).
Eine Oxidation findet aber kaum in trockener Luft statt und es wurden in Los Alamos
beste Erfahrungen bei der Lagerung und Handhabung von Plutoniummetall in frei zirkulierender trockener Luft gemacht [WICK67]; eine bloße Oxidation an der Oberfläche wirkt
ohnehin nicht sonderlich störend. Durch eine Stabilisierung der sogenannten 8 -Phase des
Plutoniummetalls, wie sie in Kernwaffen durch Legierung mit wenigen Prozent Gallium
erreicht wird [COCH84], kann die Korrosionsbeständigkeit wesentlich verbessert werden
[WICK67]. In der 8 -Phase zeigt Plutoniummetall die größte Bereitschaft, legierende
Elemente aufzunehmen, z.B. bei Zimmertemperatur 8 Atom-% Gallium, bei höheren
Temperaturen 12,5 Atom-% [TAUB74]. In Experimenten wurde an einer mit 3,5 Atom% Gallium legierten Folie nach 2 1/2 Jahren in Laborluft und an einer mit 6 Atom-%
legierten Folie nach 6 Jahren noch keine signifikante Qualitätseinbuße durch Oxidation
beobachtet [WICK67]. Die Herstellung von Plutonium-Gallium-Legierungen ist in der
öffentlich zugänglichen Literatur ausführlich beschrieben [BLAN62; WICK67].
41
2.5
2.5.1
Einflüsse von Reaktorplutonium auf eine Sprengstoffiadung
Einflüsse radioaktiver Strahlung
Für den Einsatz in den ersten Atombomben wurde in Los Alamos vor allem mit dem
Sprengstoff Oomposition B experimentiert, seltener auch mit Torpex, Pentolit, Baronal und Baratol (HAWK61]. Bis Mitte der fünfziger Jahre wurde in den USA sowohl
aus Sicherheits- als auch aus Sicherungsgründen der Spaltstoff von Kernwaffen getrennt
vom Rest der Waffe aufgehoben [COOH84]. Das Problem eventueller langfristiger Strahlenschäden am konventionellen Sprengstoff stellte sich auf diese Weise nicht. Dennoch
wurden schon früh Bestrahlungsexperimente brisanter Sprengstoffe durchgeführt, von
denen einige mit ihren Ergebnissen in Kürze vorgestellt werden sollen.
1948 wurden in Oak Ridge und Los Alamos 5-g-Proben der Sprengstoffe RDX, Tetryl,
TNT und Oomposition B mit 8,6 .10 6 Röntgen in 10 Tagen bestrahlt, in Aberdeen u.a.
TNT, Pentolit, Oomposition B, Tetrytol, Tetryl und Bleiazid mit 4,32 . 10 4 Röntgen
innerhalb einer Stunde [ROSE55]. In allen Fällen konnten keine wesentlichen Veränderungen der Sprengstoffe beobachtet werden. Experimente mit einer großen Zahl weiterer
Sprengstoffe und hohen I-Dosen folgten. Bei einer Probe von 5 g TNT fand sich nach
einer Bestrahlung mit etwa 2.10 8 Röntgen keine nennenswerte Änderung von Schmelzpunkt, Zündbarkeit oder Sprengkraft. Ähnliche Ergebnisse wurden bei RDX, Tetryl und
Bleistyphnat festgestellt [ROSE55; KAUF58].
Bowden und Singh [BOWD54] setzten Sprengstoffe hochenergetischen Elektronen, langsamen Neutronen, Spaltprodukten und Röntgenstrahlung aus, wobei im Vordergrund
die Erforschung der Zündbarkeit durch Bestrahlung stand. Nach einer sogenannten "hot
spot"-Theorie {siehe z.B. (PHUN70]), sollten viele Sprengstoffe dann explodieren, wenn
ein Bereich von 0.1 - 10 f-tm Durchmesser eine Temperatur von 400 - 500 °0 erreicht. Der
Sprengstoff muß dann zur Zündung nicht einheitlich auf seine Zündtemperatur erhitzt
werden. Während der Bestrahlung wurden die Sprengstoffe zusätzlich auf Temperaturen
bis 290 oe aufgeheizt. Bleiazid und Calciumazid konnten bei Bestrahlung mit einigen 10 7
langsamen Neutronen je cm 2 und Sekunde und Temperaturen bis 290°0 nicht zur Detonation gebracht werden [BOWD54; BOWD58]. Groodcock [GR0058] setzte 2-mg-Proben
a-Bleiazid 1-MeV-Röntgenstrahlung und Reaktorstrahlung aus. Die Röntgenstrahlung
führte erst ab 104 Röntgen zu Änderungen der Detonationseigenschaften des Sprengstoffs; die Reaktorstrahlung führte auch bei der höchsten verwendeten Dosis von 10 7
Röntgen zu keinen derartigen Veränderungen.
Mit Neutronen- und I-Strahlung eines Reaktors bestrahlten Urizar und Mitarbeiter
(URIZ62] 3-g-Proben von TNT, Tetryl, NO, RDX, HMX, PETN und vier Mixturen.
Bis 5 . 106 Röntgen beobachteten sie nur geringe, bei 2.10 8 Röntgen jedoch teilweise erhebliche Änderungen der Sprengstoffeigenschaften. Mit Hilfe einer kritischen Anordnung
42
testeten sie ebenfalls Auswirkungen extrem hoher, jedoch kurzzeitiger Neutronenflüsse
auf TNT, HMX und 3 Mixturen. Eine Bestrahlung mit 5 . 10 3 Röntgen innerhalb von 90
J.Ls führte weder zur Explosion noch zu bemerkenswerten Schäden an den Sprengstoffen.
Ergebnisse von Bestrahlungsversuchen an organischen Stoffen - u.a. Sprengstoffen - wurden 1963 von Bolt und Carrol [BOLT63] in einem Buch zusammengefaßt.
Ein Vergleich mit den in Kapitel 2.4.1. zitierten Oberflächendosisleistungen von Reaktorplutonium zeigt, daß eine Schädigung des Sprengstoffs durch die Strahlung des Plutoniums auch binnen Jahren nicht zu erwarten ist. (Zu beachten ist die abschirmende
Wirkung eines Uranreflektors.)
2.5.2
Einflüsse der Wärmeleistung
Angaben über die Wärmeleistung von Reaktorplutonium wurden bereits in Kapitel 2.4.2.
gemacht. Hier soll untersucht werden, welche Temperaturen sich dadurch in der Sprengstoffbeladung einer Kernwaffe einstellen. Dazu müssen Annahmen bezüglich der Plutoniummenge, der Dicken von Reflektor, Sprengstoffschicht und äußerer Hülle, sowie Annahmen zur Wärmeleitfähigkeit der einzelnen Komponenten getroffen werden. Ausgehend
vom Fourierschen Gesetz läßt sich die durch eine Hohlkugelschale fließende Wärmemenge
berechnen [MICH64]. Bei Übertragung auf ein System konzentrischer Hohlkugelschalen
ist dann im stationären Fall die durch die einzelnen Schichten fließende Wärmemenge
gleichzusetzen. Für Massen von 10 kg Reaktorplutonium fanden wir unter Zugrundelegung zweier verschiedener Geometrien (siehe auch Abb. 6 Temperaturprofile):
äußerer Radius der Plutoniumkugel
äußerer Radius des Uranreflektors
äußerer Radius der Sprengstoffschicht
äußerer Radius des Gehäuses (hat nur
marginalen Einfluß)
maximale Temperaturerhöhung des Sprengstoffs gegen Umgebungstemperatur
5,6 cm
7cm
66 cm
8cm
15 cm
66 cm
70 cm
70 cm
280 K
115 K
Dies zeigt, daß auch ohne aktive Kühlung die maximale Temperatur des Sprengstoffs in
unkritischen Bereichen gehalten werden kann. Es ist lediglich erforderlich, beim Design
den Aspekt der Wärmeentwicklung zu berücksichtigen. Als Wärmeleitfähigkeit haben
wir für den Sprengstoff den Wert 0,4 W /mK gewählt, welcher dem brisanten Sprengstoff
HMXentspricht. HMX hat neben einer hohen Detonationsgeschwindigkeit und einer hohen spezifischen Energie den Vorteil eines relativ hohen Schmelzpunktes (285 - 287 °C)
[DOBR74]. Bei der Wahl der angenommenen Sprengstoffmenge orientierten wir uns an
43
der Angabe von Cochran et al. [COCH84], die Masse des Sprengstoffs im Trinity-Test
habe etwa 5000 lb betragen, was in Einklang mit den veröffentlichten äußeren Abmessungen der ersten beiden Plutonium-Bomben steht. Für moderne, kompakte Konstruktionen
ist eine wesentlich geringere Temperaturüberhöhung zu erwarten.
Ein weiteres Beispiel zeigt das Zeitverhalten der Erwärmung einer Anordnug aus Re-
250
.-------r------r----..---~-,-----___r_--_r_--_,__--___r_--____,
200
150
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o
I ---
2
Pu
4
-----lI
6
u
8
1,..------
10
Sprengstoff
12
14
16
------il Stahl ~
18
Luft - -
r [ern]
Abbildung 6: Die einzelnen Kurven zeigen das Temperaturprofil zu verschiedenen Zeiten
nach Zusammensetzen der Anordnung (in Minuten)
aktorplutonium. Geht man bei einem Abbrand von 33 GWd/t von einer spezifischen
Leistung von 11 Watt/kg Pu aus, so wird sich eine thermisch isolierte Masse der Hiroshima Bombe von 6.1 kg Pu pro Sekunde bei einer spezifischen Wärme von 134 J /(kg
K) anfänglich etwa 5 Grad pro Minute erwärmen. Diese Kugel von 9 cm Durchmesser
würde in Luft etwa 300 Grad Übertemperatur mit einer Zeitkonstanten von mehreren 10
Stunden erreichen ( ca. 70 h siehe Abb. 6). Bei starker Konvektion kann die Temperatur
44
um Faktoren 2-3 reduziert werden. Ist diese Kugel von einem 0.5 cm U-Mantel, dieser
von 9 cm Sprengstoff und dieser von einem 0.5 cm starken Stahlmantel umgeben, so
erhält man die Temperaturprofile von Abb.6. Diese fiktive Anordnung mit den als ideal
angenommenen Wärmekontakten soll lediglich die Problematik der Verwendung von Reaktorplutonium verdeutlichen. Es sei darauf hingewiesen, daß die Übertemperaturen bei
Hochabbrandelementen etwa das doppelte gegenüber denen in Abb.6 betragen. Ohne
Zwangskühlung würden sich die Temperaturen dem Schmelzpunkt des relativ temperaturbeständigen Sprengstoffes HMX näheren. Die schlechte Wärmeleitung des Sprengstoffes bewirkt das Aufheizen der Plutoniumkugel. Andererseits sind die Zeitkonstanten für
den Temperaturaufbau relativ lang , sodaß eventuell eine Assemblierung einer vorher
gekühlten Pu-Kugel denkbar wäre. In jedem Fall wird allein an dem Temperaturproblem
deutlich, daß Reaktorplutonium im militärischen Bereich kaum von Interesse sein dürfte,
solange Plutonium von Reaktorelementen mit niedrigen Abbrand, also geringem 240pu_
und 238Pu-Anteil, zur Verfügung steht und erschwinglich ist.
Der Schmelzpunkt von Plutoniummetall beträgt etwa 640°C [WICK67], wird also in
diesen beispielhaften Anordnungen nicht erreicht.
2.6
Wiederauflindbarkeit von Reaktorplutonium durch seine
Strahlung
Von einer Chance der Entdeckung entwendeten Plutoniums könnte gesprochen werden,
wenn an der Außenwand des Gebäudes, in dem das Plutonium versteckt gehalten wird,
dieses innerhalb einer vernünftigen Meßzeit durch seine Strahlung nachzuweisen wäre.
Für einen solchen Nachweis käme insbesondere die Neutronenstrahlung in Frage. Ein
raumsparender mehrschichtiger Neutronenschild zur Abschirmung schneller Neutronen
kann aus vier Schichten aufgebaut werden:
1. Material mittlerer oder großer Kernladungszahl - z.B. Schwermetall - zur Reduzie-
rung der Neutronenenergie mittels unelastischer Streuung.
2. Material kleiner Kernladungszahl - z.B. Polyäthylen, Paraffin, Wasser, Graphit zur Reduzierung der Neutronenenergie mittels elastischer Streuung.
3. Material mit großem Einfangquerschnitt zur Absorption der thermalisierten Neutronen - z.B. Cadmium, borhaltiger Stahl.
4. Material großer Kernladungszahl - z.B. Schwermetall - zur Absorption der beim
Neutroneneinfang abgestrahlten ,-Strahlung [SAUT83].
45
Als Plutoniummasse nehmen wir 7 kg Reaktorplutonium an, was eine Ausstrahlung von
etwa 2· 106 Neutronen je Sekunde bedeutet. Neutronen aus der Spontanspaltung des
Plutonium-240 bzw. Plutonium-242 besitzen eine mittlere Energie von 1,7 MeV bzw. 1,8
MeV [SMIT72]. Würde das Plutonium 2 m von einer 1,5 m dicken Betonwand entfernt
gelagert, so betrüge die Neutronenflußdichte am Ende dieser Betonschicht schon aus rein
geometrischen Gründen - unter Vernachlässigung der Streuung - noch 1,3 Neutronen je
Sekunde und cm 2 • Im Beton und einer eventuell vorgelagerten Schicht Blei würden die
Neutronen bald thermalisiert. 1,5 m Normalbeton reduzieren den Fluß von Spaltneutronen bereits um mehr als 5 Größenordnungen (Ausscheidequerschnitt laut [SCHM70]). Ist
der verfügbare Raum ungewöhnlich beengt, könnte eine Abschirmung aus Blei, Beton und
Boral oder Cadmium-Blei-Blech gewählt werden. Mit Hilfe eines 13 mm dicken Bleches
aus Blei mit 5 % dispergiertem Cadmium würde der thermische Neutronenfluß auf 1/500
[JAEG60], durch ein 4,45 mm dickes Boral-Blech (30% B 4 C) auf 1/1000 [PRIC57] und
ein 6,5 mm dickes Boral-Blech (35% B 4 C) auf 10- 8 [JAEG60] geschwächt. Ein 3,2 mm
dickes Boral-Blech (35 % B 4 C) schwächt thermischen Neutronenfluß auf 10- 4 [ROCK56].
Bor hat gegenüber anderen Abschirmmaterialien den Vorzug, keine harte ,-Strahlung
bei der Absorption thermischer Neutronen auszusenden; die sekundäre ,-Strahlung liegt
unter einer Energie von 500 keV [ROCK56]. Dies zeigt, daß es mit einigermaßen geschickt
gewählten Abschirmmaterialien durchaus möglich ist, den Neutronenfluß aus entwendetem Reaktorplutonium an der Außenwand des Verstecks auf in der Praxis nicht mehr
nachweisbare Werte zu reduzieren.
2.7
Gründe der Kernwaffenstaaten für die Verwendung von
Waffenplutonium
1945 nahmen die USA mit 3 Reaktoren in Hanford eine großangelegte Plutonium-Produktion auf. 1954 waren in Hanford bereits 6 Reaktoren und in Savannah River 2 Reaktoren in
Betrieb. 1964 liefen schließlich in Savannah River und Hanford insgesamt 14 Reaktoren.
Zu dieser Zeit hatten die USA einen so großen Vorrat an spaltbarem Material für Waffenzwecke angehäuft, daß ihr damaliger Präsident Lyndon B. Johnson dessen Produktion
einschränken ließ; die USA ergänzten ihr Atomwaffen-Arsenal nicht mehr mit hochangereichertem Uran und die Plutonium-Produktion wurde drastisch heruntergefahren. Die
Zahl der zur Erzeugung von Plutonium betriebenen Reaktoren nahm ständig ab; 1984
waren noch 1 Reaktor in Hanford und 3 in Savannah River in Betrieb [HIPP85]. Der
jüngste dieser Reaktoren ist der 1962 in Auftrag gegebene Mehrzweckreaktor HanfordN, der neben Plutonium auch elektrische Energie (860 MWe) liefert, und der 1966 den
Betrieb aufnahm [HIPP85; KEMP85].
In den USA wurde im Dezember 1957 mit dem Shippingport Reactor (72 MWe) der er-
46
ste Reaktor in Betrieb genommen, der ausschließlich der kommerziellen Stromerzeugung
dienen sollte. Zu dieser Zeit waren 13 Reaktoren in den USA zur Plutonium-Erzeugung
eingesetzt; mehr als 14 Reaktoren sind zu diesem Zweck in den USA niemals gleichzeitig in
Betrieb gewesen. Das bedeutet, daß zu der Zeit, als die kommerzielle Nutzung der Atomenergie begann, das Potential an Reaktoren zur Waffenplutonium-Erzeugung in den USA
bereits voll ausgebaut war; der letzte noch neu gebaute Plutonium-Erzeugungs-Reaktor
- Hanford-N war bereits mit zur Stromerzeugung bestimmt. Auch als in einem Test
die Waffentauglichkeit von Reaktorplutonium nachgewiesen worden war, sprachen noch
schwerwiegende Gründe gegen eine nachträgliche Umstellung des Rüstungsprogramms
auf Reaktorplutonium:
• Reaktoren zur Erzeugung von Waffenplutonium liefen bereits in nötiger Anzahl.
• Wiederaufarbeitung und waffentechnische Verwendung von Reaktorplutonium hätten enorme Umrüstungskosten wenn nicht gar Neubauten der Wiederaufarbeitungsanlagen und der Waffenlabors erfordert, da die Aufarbeitung höher abgebrannter Brennelemente schwieriger ist und bei Reaktorplutonium zusätzliche Strahlenschutzmaßnahmen erforderlich gewesen wären. Laut Donald Kerr, Direktor des
Los Alamos National Scientific Laboratory, sollte die Strahlenbelastung des Personals noch 1980 durch weiter erniedrigten Plutonium-240-Gehalt reduziert werden
[KERR80]. Die einzige in den USA jemals betriebene kommerzielle Wiederaufarbeitungsanlage, West Valley, arbeitete lediglich von 1966 bis 1972. In dieser Zeit
setzte sie etwa 600 t abgebrannter Brennelemente durch, von denen 390 t, mit einem
Abbrand von weniger als 1000 MWd/tU, aus dem Reaktor Hanford-N entnommen
waren [NWG82].
• Der Plutoniumpreis fällt bei den Gesamtkosten moderner Raketen und Marschflugkörper ohnehin nicht ins Gewicht.
• Die modernen Waffendesigns waren speziell für Waffenplutonium entwickelt worden [MARK71]; Umstellung auf Reaktorplutonium hätte die Überarbeitung der
Designs erzwungen.
• Die Zielgenauigkeit der Waffen war immer weiter verbessert worden, um mit minimalem Einsatz an Raketen und größtmöglicher Wahrscheinlichkeit wichtige Ziele
potentieller Gegner zu zerstören. Eine nicht exakt voraussagbare Sprengkraft wäre
diesen Bemühungen zuwidergelaufen, da eine unsichere Sprengkraft faktisch einer
schlechteren Zielgenauigkeit entspricht und das Problem des sogenannten" Brudermordes" bei salvenartigem Beschuß erhöht.
47
• Die mit Reaktorplutonium etwas größeren und schwereren Waffen hätten die angestrebte Miniaturisierung z.B. in Mehrfachsprengköpfen erheblich gestört.
In Großbritannien wurden bereits die ersten Reaktoren zur Erzeugung von Waffenplutonium auch zur Stromerzeugung benutzt. Die zunächst rein militärische Wiederaufarbeitungsanlage in Windscale wurde erst 1964 um einen kommerziellen Bereich erweitert.
Die britischen Gas-Graphit-Reaktoren erbrachten ein für waffentechnische Zwecke besser geeignetes Plutonium, als es in Leichtwasserreaktoren erzeugt wird, bei gleichzeitig
höherer Bildungsrate.
In Frankreich waren ebenfalls die ersten Reaktoren Gas-Graphit-Reaktoren, die neben
Plutonium für militärische Zwecke Strom produzierten [GSP083]. Sowjetische Reaktoren
erlauben die Entnahme von Brennelementen während des Betriebs. Auf diese Weise kann
bei andauernder Stromerzeugung Waffenplutonium aus kurz bestrahlten Brennelementen
gewonnen werden. Indien trennte sein erstes Plutonium wahrscheinlich aus Brutelementen eines schwerwasser-moderierten Reaktors ab [NWG82].
Eine Entscheidung für oder wider Reaktorplutonium für waffentechnische Zwecke könnte
in anderen Staaten zugunsten des Reaktorplutoniumsgetroffen werden, falls insbesondere
• die Technik des Leichtwasserreaktors etabliert ist,
• eine Anlage zur Aufarbeitung von Reaktorplutonium existiert,
• mit der Entwicklung von Kernwaffen erst begonnen wird (Einrichtung der Labors,
Entwicklung der Designs),
• zunächst statt modernster Raketen eine große Zahl von Atombomben zur Verfügung
stehen soll. Bereits durch den Besitz einiger weniger Atombomben ändert sich der
politische Stellenwert eines Staates gewaltig.
Für Terroristen, die sich in den Besitz bereits abgetrennten Plutoniums bringen können,
spielen Fragen der Vorhersagbarkeit, des Gewichts und der Größe ihrer Waffen überhaupt
keine Rolle. Wichtig kann ihnen nur eine ausreichende Mindestsprengkraft und die Transportierbarkeit ihrer Waffe auf einem LKW sein. Diese Ziele sind jedoch mit einiger Wahrscheinlichkeit mit Reaktorplutonium zu erreichen.
48
3
Abschätzungen zur Frühzündungswahrscheinlichkeit
In diesem Kapitel soll derWissensstand im Hinblick auf die Funktionsweise der Spaltbombe und das Frühzündungsproblems in der öffentlich zugänglichen Literatur zusammengefaßt werden. Zugleich soll damit eine Präzisierung der oben zitierten Angaben zur
Statistik der Energiefreisetzung (Yield) erreicht werden. Hierbei soll exemplarisch nur
die Spaltbombe im 20 kT TNT Bereich betrachtet werden. Einmal sind nur für diese
Bombe vom Trinity-Test und von Nagasaki her einige technische Angaben zugänglich,
zum anderen dürfte sie als Zünder für Fusionsbomben oder fusionsverstärkte Bomben
von besonderem Interesse sein. Es sei auch an dieser Stelle nochmals darauf hingewiesen, daß alle Aussagen lediglich auf theoretischen Abschätzungen beruhen. Experimente
im nichtnuklearen Bereich insbesondere zur Implosionstechnik wären in der Bundesrepublik sicher durchführbar und würden die Güte der Abschätzungen erheblich verbessern.
Folgende technische Angaben zu den genannten Bomben sind öffentlich zugänglich:
• Die Plutoniumbomben vom Trinity-Test und von Nagasaki sollen 6.1 kg
halten haben [COCH84] .
239pU
ent-
• Die " Sprengkraft" (Yield) soll bei beiden etwa 22 kT TNT betragen haben. Die
große Varianz von cc. 30 % ist in diesem Zusammenhang unerheblich [COCH84] .
• Oppenheimer soll die Wahrscheinlichkeiten für die Sprengkraft für die Trinity Bombe
folgendermaßen abgeschätzt haben:
Die V/ahrscheinlichkeit den vollen Yield zu erreichen kann bei 88 % liegen. Die
Wahrscheinlichkeit einer Frühzündung, also ein Yield unter dem Maximalwert, liegt
dementsprechend bei 12 %. Tritt eine Frühzündung ein, so ist mit 6% Wahrscheinlichkeit eine Ausbeute unter 5 kT zu erwarten und mit 2% eine Ausbeute unter 1
kT. (in [COCH84] falsch zitiert, da auf die Hiroshima Bombe bezogen.)
• Ferner gibt es den Hinweis [ALBR84], daß die gleiche Anordnung mit Reaktorplutonium und heutiger Schießtechnik eine Ausbeute von mindestens 1 kT erzielen
würde.
49
Die nun folgende Abschätzung basiert auf den Arbeiten von Locke und Leuthäuser
[LEUT75;LOCK74;LOCK82] und dort zitierte Publikationen, auf die im einzelnen nicht
weiter hingewiesen wird. Lediglich die neu hinzugekommenen Auswertungen sind durch
einen Stern (*) gekennzeichnet. Mit Hilfe dieser Angaben wird es möglich sein, eine
grobe Abschätzung der schon 1945 erzielten, aber unveröffentlichten, Kompaktierungsgeschwindigkeiten zu erhalten und eine parametrische Beschreibung der recht komplexen
Zusammenhänge zu erreichen.
Wie oben mehrfach betont, ist die Frühzündung durch die Neutronen bedingt, die in erster Linie von den" schwereren" geradzahligen Pu-Isotopen, 240 und 242 durch Spontanspaltung und durch 0: -Zerfall induzierte (0:, n) Reaktionen hervorgerufen werden. Eine hier
ausreichende Abschätzung des Neutronenhintergrundes S einer Masse M [kg] als Funktion
des Abbrandes bis max. 33 GWd/t liefert GI. 3 aus Kapitel 2.2:
S = [56600· (1 - e- A / 3 .8 )
+ 8320 . A] . M
N euironen/s
*
(1)
Ferner sei angenommen, daß die Verunreinigungen durch leichte Elemente, wie z.B. Be,
hinreichend gering sind und das Plutonium nicht in oxidischer Form vorliegt, sodaß über
(0:, n) Reaktionen kein nennenswerter Beitrag zum Neutronenhintergrund hinzukommt.
Folgende Daten für 239pu, gemittelt über den Energiebereich von 0.82 bis 2.23 MeV im
Neutronenfl.uß, werden verwendet :
v = 3.08 Zahl der Neutronen/Spaltung
Uf = 1.90b Spaltquerschnitt
Ua = 2.30b Absorptionsquerschnitt
Utr = 5.0b Transportquerschnitt
e = (Utr + VUf - Ua)/O'tr relativer Spaltquerschnitt c-1.72
"E tr - O'trNL/239p = 3.011M/R3 reziproke Transportlänge [em, kg]
v = 13.8em/ shake effektive Neutronengeschwindigkeit, shake=10- 8 s
Zunächst soll die Reaktivität einer Pu-Kugel vom Radius R berechnet werden. Es ist
von Vorteil, diese durch das Rossi-o: auszudrücken. Das Rossi-o: ist durch Parameter, wie
Abmessung, Material, Dichte des Spaltstoffes und deren zeitliche Entwicklung bestimmt.
Weiterhin ist 0: über ßk = 0:1 mit dem Vermehrungsfaktor ßk und der Lebensdauer
1 verknüpft. Mit Hilfe des extrapolierten Radius einer Spaltkugel Re = e"EtrR + 0.7104
erhalten wir:
(2)
50
Rossi-alpha / le8
*
sqrt(M/I0), c=1.9 : -.1 : 1.3
3,......------r------,---"T7!--r.r---;;rr----r:r-r-------;;7'""'/f""------,
1.4
2. 5
~
"
,............... ./...........
2
~
,
::.'/
1. 5
~
;
~..
;
1
0.5
~
·.. //
-//
!
/
l'
,.
f··················
?
·f/
://
.
-0.5
-1
U--L..t.:--L.....:::...L-~::...L..._-L....L....t.::.-_--L_...LJ:.:.--_.l--
0.3
0.4
0.5
0.7
0.6
M/R...·2
....L-
0.8
--l...
---J
1
0.9
kg/cm--2
Abbildung 7: Rossi-a· JM/I0 von Pu-Kugeln als Funktion von MI R 2 = 4.2 . pR und
Parameter c. Die durchgezogene Kurven entsprechen G1.2, punktierte Kurven den der
Näherung nach G1.3. Die kritischen MI R 2 Werte für verschiedene Isotope sind als Kreise
angegeben.
Kritikalitä t wird mit a = 0 erreicht. Eine gute Näherung um a ~ 0, die die Abhängigkeit
von den Parametern MI R 2 und c und insbesondere das "kritische" M/R 2 für a = 0
verdeutlicht, lautet:
M
0.5786
,--a ~ [R2 - (ye=l- 0.2576)] . (15.20. VC=1-1.9198)J 10 IM
*
(3)
Je dichter die Spaltmaterie komprimiert und je weniger ausgedehnt die Spaltstoffkugel
ist, um so größer ist die Reaktivität. In Abb.7 ist a für verschiedene Werte von c aufgetragen. Das System wird kritisch (a=O), wenn der erste Faktor verschwindet. Für 239pU
(c=1.78) wird Kritikalität bei der Nullstelle MIR 2 = 2.6(M p 2)1/3 - 0.4 kg/cm 2 erreicht.
Das entspricht bei einer Dichte p = 19.7glcm3 einer kritischen Masse von 9.4 kg. Für
2
5
23 U (c=1.41) liegt der kritische Wert bei MI R = 0.65.
51
In diesem Zusammenhang ist von Bedeutung, daß der c-Wert eine Abhängigkeit vom Abbrand aufweist. Für einen verschwindenden 239pU Anteil (d.h. P==l) wurde ein c-Wert von
1.44 aus einer Abbildung (Fig.a-7 ) aus deVolpi [DEV079] unter der Annahme konstanten O"tr entnommen. Zur Berechnung der Kritikalität wurde c linear interpoliert. Hierbei
ist P der Anteil von 240pU und 242pU an allen Pu-Isotopen, der mit der Näherung von
Locke (G1.1 aus Kap.2.2) berechnet wurde.
c = 1.78(1 - P)
+ 1.44P
(4)
*
Für eine Hohlkugel mit Innen- und Außenradius, ~ und Ra , ist das Rossi-o: nicht mehr
geschlossen angebbar. Das aus G1.5 iterativ ermittelte Re wird wie vorher zur Berechnung
von 0: in Gleichung (2) eingesetzt.
Re = c21tr R a + 0.7104 - c21tr~
2l
cR
+ arctan [ 7r ~
cR
7
tr ]
e
e
*
(5)
Die Berechnungen der Kritikalität von Pu-Kugeln mit 238U Reflektor sind aufwendiger.
Die wichtigsten Resultate sind in Abb.8 zusammengefaßt. Es wird insbesondere deutlich,
daß durch den U-Reflektor ein sehr viel früheres Einsetzen der Kritikalität erfolgt, daß
aber mit zunehmender Kritikalität der Unterschied nicht mehr stark ins Gewicht fällt.
Daraus ergibt sich eine Reduzierung der kritischen Masse. Die Kurve links im Bild bezieht sich auf voll 238U reflektierte Pu-Kugeln. Kritikalitä t wird bei M / R 2 ~ 0.3 erreicht,
d.h., bei gleichem p wie oben, liegt die kritische Masse bei (0.3/0.4)3 ·9.4 = 4 kg Pu. Es
ist zu beachten, daß bei höheren 0:- Werten der prozentuale Gewinn durch den Reflektor
geringer wird.
52
alpha*sqrt(M/10)/1e8 [1/s]
5
r--------r-----r----.----_r----r---/~---.---~
/
/
/
4 1-
3
,
;
\-.n.n
nn;n
,
///
//'"
.
nn;
/
,
,
/
////
239
Pu K g
. -., u el
;
-l
///
,>/
2
I-.. nn
n....................•....................................... ,
11-
; ······
/
i
/
OI----~".........:::::::.-...--ltI-+--~------7"~----------------j
-1
L -_ _
0.2
_ _-=-.....LL._ _----.JI.--_ _- - l -
-..l.~--L.-.L.L--L.
0.3
0.4
0.6
0.7
--I.-
0.8
...L-_ _- - '
0.9
1
M/R---2 [kg/cm---2]
Abbildung 8: Rossi-a wie in Abb.7 für Pu-239 Kugel mit U-238-Reflektor, U-235 Kugel
sowie a für Pu-Kugelschalen mit Massen von 10, 20 und 30 kg und p = 19.79 / cm 3
Aus dem Verlauf der Funktionen a(R) für Pu-Kugeln mit und ohne U-238-Reflektor ist zu
schließen, daß der Reflektor sich aus Gründen der Spaltstoffersparnis kaum lohnen würde.
Die kritische Masse wird zwar früher erreicht, aber die maximalen am-Werte werden nur
geringfügig entsprechend einer Dichtezunahme von 2-3 g/cm3 erhöht. Andererseits wird
die Frühzündung durch die relativ früher einsetzende Kritikalität wahrscheinlicher. Der
"Tamper" könnte aber dennoch eine vorzeitige Verringerung des Abbröckelns der PuOberfläche durch die reflektierte Stoßwelle bewirken.
53
10,...---------,----------,-------....,----------,
\,
\
""
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allo8
:
8 ... ····~\7W~ff~~·~i~t~~~~·
4
2
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....................... j ....
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al10 8
'
oI----------;-.--------lit':,
Reaktorplutonium
-2 l - -
2.5
--l..
...l.-
3
3.5
,
---
.-
--, --- --- --- --- --- ----- --"'----
4
----::=_"
4.5
Radius [ern]
Abbildung 9: Erzielbares 0: für Waffenplutonium (P=O) und Reaktorplutonium (P=0.5)
als Funktion des Außenradius (Strichlinie). Dichteüberhöhung (durchgezogene Linie). P
ist der Anteil von Pu-240 und 242.
Aus Abb.9 ist zu entnehmen, daß der Zeitpunkt der Kritikalität (0: = 0) für Reaktorplutonium erst viel später im Vergleich mit Waffenplutonium erreicht wird. Die Zeitspanne für
das Einsetzen einer Frühzündung ist somit kürzer. Dem entgegen wirkt der höhere Neutronenhintergrund. Bei einer erreichbaren Dichteüberhöhung von 2.3 ist das erzielbare 0:
um etwa einen Faktor 1.5 kleiner. Für den max. Yield bedeutet dies eine Veringerung um
einen Faktor 5 in Vergleich zu Waffenplutonium (die 0:3-Abhängigkeit wird später noch
gezeigt.)
54
6.1
19700 2000
5.-=---.------,..-----r---.----,----,----,----,.----,.------,
41-··
3
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1-
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2
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1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.3
0.4
0.2
0.1
o
time / s
x10- 5
Abbildung 10: Zeitlicher Verlauf der Reaktivität, Innen- und Außenradius sowie
Dichteüberhöhung einer implodierenden Pu-Kugel der Masse 6.1 kg mit Anfangsgeschwindigkeit Vo =2 km/s und zunächst konstanter Dichte (19.7 g/cm)
Die Dynamik der Kompaktierung ist bei diesen Abschätzungen die größte Unbekannte.
Wahrscheinlich kommt man der Realität beim Trinity-Test und der Nagasaki-Bombe am
nächsten, wenn die bekannte Masse von 6.1 kg in der Konfiguration einer Hohlkugel mit
ca. 5-10 cm Innenradius und einer Dichte von ca. 15.4 g/cm3 (5-Phase) angenommen
wird. Abb.10 zeigt den zeitlichen Verlauf der Radien und der Reaktivität einer implodierenden Kuge1schale bei einer Anfangsgeschwindigkeit von 2 km/so Es zeigt sich, daß bei
diesen Kompaktierungsgeschwindigkeiten die Verformungsarbeit vernachlässigt werden
kann. Außerordentlich hohe Geschwindigkeiten treten für den Innenradius auf, ähnlich
wie beim Jet-Phänomen der Hohlladungswaffen. Selbst bei vollem Zusammenschuß der
Hohlkugel wird die Überkritikalität noch nicht erreicht (fractional crit). Es ist daher
erforderlich, daß eine erhebliche Dichteüberhöhung im weiteren Kompressionsvorgang
erfolgt.
55
Ablauf und Wahrscheinlichkeit einer Frühzündung und erreichbare Energieausbeute (Yield)
lassen sich durch folgende Schritte abschätzen:
• Zündung des konventionellen Sprengsatzes und Beginn der Kompaktierung.
• Die erste Kritikalität, d.h. a ~ 0, wird zur Zeit t=O erreicht. Die Wahrscheinlichkeit, daß ein Hintergrundneutron eine Kettenreaktion in Gang setzt, also eine
Frühzündung stattfindet, ist durch
t
W(t)
=1-
(-LS
e
f a( t')dt')
(6)
0
gegeben. L ist die mittlere Neutronenlebensdauer, die nur schwach von der Struktur
abhängig ist und im folgenden zu 0.4 shake festgelegt wird. Es ist nun zu klären,
welche Sprengkraft ein solches vorzeitig injiziertes Neutron bewirken kann.
• Wird die Kettenreaktion durch ein Neutron angefacht, folgt die spezifische Spaltstoffbelastung N in [W/kg] der grundlegenden Differenzialgleichung:
dN
di = a(t) . N(t)
(7)
Hieraus folgt mit der Generationenzahl G:
t
G(a(t))
= ja(t)dt
(8)
o
n \
= 1NT1 U}
7\TI.J. \ .
lY ~ ~}
~
•
eG(t)
(9)
'
• Das erste spaltende Neutron setzt in der Masse M und in der Zeit der Lebensdauer
L die Spaltenergie von E=2.9 .10- 11 J frei, sodaß N(O)=E/(ML) ist. Die spezifische
Energiefreisetzung Q in [J/kg] folgt aus
t
Q(t) =
j N(t)dt
(10)
o
• Nach der Bethe-Tait-Theorie findet bis zu einer Schwellenenergie von Q* ~ 10 6 J /kg
zunächst keine Rückwirkung auf die Kritikalitä t durch Druckaufbau und Expansion
der Anordnung statt. Die Zahl der Generationen beträgt bis zu diesem Zeitpunkt
G* = In(Q* /Q(O)) = In( E~~)
56
R;
41
(11)
• Nach überschreiten der Bethe-Tait Energie zum Zeitpunkt t* folgt ein Druckaufbau
und eine Radienvergrößerung entsprechend der Differentialgleichung
R = 29(i- I)Q/ Ro
(12)
mit den entsprechenden Anfangswerten zur Zeit t * . Die Größe i ist, analog zu
einem idealen Gas, mit dem Adiabatenkoeffizient zu vergleichen. i beträgt ~ 1.4.
Der Abfall des Neutronenflußes am Rande der Pu-Kugel wird mit dem Formfaktor
9 .~ 0.7 berücksichtigt.
• Nach zweimaliger Differentiation erhält man mit der Gleichung (7)
R= o:(R(t)). R
(13)
Diese DGL ist selbst für eine linearisierte Abhängigkeit der Form
o:(R(t)) ~ O:m + o:~ . (R(t) - Rm)
(14)
und somit
(15)
0:- 0:. 0:
a:n
nicht analytisch lösbar. Hierbei ist O:mund
= ~~ IR und Rm in der Nähe
des maximalen 0: zu wählen. Näherungen sind aber möglich, die mit Runge-KuttaRechnungen bis zum Zeitpunkt maximalen o:'s gut übereinstimmen. Große Abweichungen treten erst nach Abschluß der Energiefreigabe auf. Eine exponentielle
Abhängigkeit der Leistung und Energie besteht über einen langen Zeitraum. Die
Radienvergrößerung und damit der Reaktivitätsabfall erfolgt in wenigen shakes.
Das Näherungsverfahren liefert die Energieausbeute (Yield):
tn
Y -_ QM -- -1.13 (1 - 3/59) . o:~Rm . M
29(i-1)
o:~
(16)
Der Faktor 1.13 berücksichtigt eine Korrektur dieses Näherungsverfahrens. Die
Umrechnung von J in kt-TNT geschieht durch Multiplikation mit dem Faktor
2.388 . 10-13 • Bezeichnend ist die starke Abhängigkeit von der dritten Potenz von
O:m . Folgende pl~usible Überlegung aus [SEIF84] soll dies verdeutlichen. Die Radienvergrößerung R in GI.12 ist der freigesetzten spez. Energie Q proportional. Setzt
man in nullter Näherung Q ~ Qoe a .t so ist der Radiuszuwachs AR dem zweifachen
Zeitintegral von Q proportional (AR ~ Q/ o:~). Das System wird durch die Ausdehnung wieder unterkritisch. Nimmt nun AR in einer Neutronengeneration 0: • 1
um einen Betrag, der sicher zu 0: • 1 proportional ist (AR ~ 0: • l), zu, so bricht die
Kettenreaktion ab und der erzielte Yield ergibt sich zu Y ~ Q . M ~ 0: 3 • 1. M.
57
• Der zeitliche Energieablauf lautet in dieser Näherung
(t 2:: t*)
(17)
mit G*(t) = (Xm(t - t*) und Gm = In(Q/Q*) ~ 15 , der maximalen Zahl von Generationen nach t* , also 56 Generationen insgesamt. Abb.11 zeigt den Verlauf der
Explosionsdynamik für einige Fälle des zeitlichen Einsatzes der Frühzündung. Das
Bild macht deutlich, daß selbst bei einer lnitiierung zur Zeit t=O ein von Null verschiedener Yield erzielt wird. Dies bedeutet die Existenz einer Mindestsprengkraft.
Weiterhin ist das starke Anwachsen des Yieldes gut zu sehen.
Yield [ kt-TNT ] = 2.2
Zeit [8]
3.22 7.43
17.79
x10- 6
Abbildung 11: Zeitlicher Verlauf der Explosionsdynamik bei Einleitung einer Kettenreaktion zu verschieden Zeitpunkten (x). Selbst bei einer lnitiierung zur Zeit t=O wird ein
Yield erzielt.
58
• Zur Berechnung der Frühzündungswahrscheinlichkeit nehmen wir einen rampenförmigen Verlauf von a an:
am
(18)
a(t) = - · t
Tm
Nach (16) ist der Yield proportional zu a 3 • Der relative Yield ~(t') bezogen auf
den Maximalwert, der zur Zeit t' ::; Tm freigesetzt werden kann, ist
(19)
Das zu diesem Zeitpunkt erreichte a entspricht dem des Bethe-Tait-Zeitpunkts t*,
wenn man voraussetzt, daß die konventionelle Kompression ab diesem Zeitpunkt
keinen Einfluß mehr hat.
• Aus Gleichung (8) und der Zahl der oben genannten 41 Generationen erhalten wir
eine Relation zum Zeitpunkt der Neutroneninjektion :
(20)
• Mit Gleichung (6) und (19) lautet dann die Wahrscheinlichkeit für eine Frühzündung
in Abhängikeit vom relativen Yield Y.,.
(0::; ~ ::; Yk .,.)
(Y k.,. ::; Y;. ::; 1)
(21)
Unterhalb einer kritischen relativen Sprengkraft Yk .,. ist also die Frühzündungswahrscheinlichkeit gleich Null. Die Größe des Mindestyield läßt sich mit Gl.(16) und (22)
abschätzen. Die Wahrscheinlichkeit den vollen Yield zu erhalten, berechnet sich aus
1 - W(~ = 1) .
Yk .,.
=(
41
)3/2
(22)
a m Tm /2
• Die differentielle Wahrscheinlichkeit gibt an, mit welcher Wahrscheinlichkeit eine
Frühzündung innerhalb eines beobachteten Intervalls von ~ stattfindet. Durch Differenzieren von Gl.(21) erhalten wir:
dW(y;')
dY;.
= LSa
Tm.
m
2
59
~y-l/3 . (1 3'"
W(Y:))
.,.
(23)
100
90
o
Oppenheimer Werte
80
70
60
~
50
40
30
20
10
0
0
0
5
15
10
20
25
Yield [ kt-TNT ]
Abbildung 12: Oppenheimers Werte (0) lassen sich mit den Parametern Kompaktierungsgeschwindigkeit Vo ~ 2000 m/s einem Abbrand A ~ 0.3 GWd/t und einer Masse von 6.1
kg gut beschreiben.
Von besonderem Interesse ist die sehr gute Anpassung des hier beschriebenen Modells
der Frühzündungswahrscheinlichkeit an Oppenheimers Werte. Die in der Einleitung zu
diesem Kapitel zitierten Werte von Oppenheimer sind als Kreise in Abb. 12 eingezeichnet. Gut zu sehen ist die Übereinstimmung, daß mit einer Wahrscheinlichkeit von 12 %
eine Frühzündung eintreten kann; cl.h. die Wahrscheinlichkeit, den vollen gewünschten
Yield zu erlangen, liegt bei 88 % (Balken auf der rechten Seite). Im Abbildung 12 wurde
eine Kompaktierungsgeschwindigkeit von ~=2000 m/s angenommen. Hiernach müßten
also heute Kompaktierungszeiten von etwa 2-3 J.LS oder Kompaktierungsgeschwindigkeiten von 2-3 km/s erreichbar sein.
Die durchgezogene Kurve stellt die Wahrscheinlichkeit dar, daß oberhalb eines Yk ,. eine
Frühzündung stattfinden wird (Gl.(21)). Die differentielle Wahrscheinlichkeit (Gl.(23)),
daß bei einem Y;. eine Frühzündung stattfinden wird, ist durch das Histogramm dargestellt. Dem rechten Balken entspricht die verbleibende Wahrscheinlichkeit für den vollen,
erwünschten Yield (YM AX) •
60
0.3 GWd/t
50 GWd/t
100 .------r------,.,-------,
I
I
rr:":o:
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1
~
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2 Km/s
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o L.J:::::::::.:::::::E::....-=:-=:::l.::r:::==-=-==+1:t:..1::
6
20
10
o
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30
o
123
4
Yield [ kt-TNT ]
Yield [ kt-TNT ]
100 , . - - - - - - - r - - - - - - - - r - - - - - - - ,
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4 Km/s
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o
10
20
30
o
123
4
Yield [ kt-TNT.]
Yield [ kt-TNT ]
Abbildung 13: Frühzündungswahrscheinlichkeit einer Implosionsbombe mit 6 kg Pu bei
kleinem und großem Abbrand und niedriger bzw. hoher Kompaktierungsgeschwindigkeit.
Abb.13 zeigt die Abhänigkeit der Frühzündungswahrscheinlichkeit und des erreichbaren
Yield's vom Abbrand und der Kompaktierungsgeschwindigkeit. Der Abbrand von 0.3
GWd/t entspricht dem "weapon grade" Plutonium, der Abbrand von 50 GWd/t trägt
der Absicht Rechnung die Brennelemente in deutschen KK\V's in Zukunft höher abzubrennen. Der erzielbare Yield für 6kg Reaktorplutonium liegt im Bereich von 3-4 kt TNT.
Die Zuverlässigkeit, die Wahrscheinlichkeit den vollen Yield zu erhalten (mit Punkten
unterlegter Balken), steigt mit der Kompaktierungsgeschwindigkeit und liegt bei 2 km/s
um die 30% und bei 4 km/s um die 70%.
61
0.3 GWd/t
50 GWd/t
4 Kg
100 r----..----..----..---_
50
I-······
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o
1
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3
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0.05
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100 .-----,.-----..----..----=..........
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Yield [ kt-TNT ]
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0.15
Yield [ kt-TNT ]
Abbildung 14: Frühzündungswahrscheinlichkeit einer Implosionsbombe mit 4 kg bzw. 7
kg Pu bei gleichen Parametern für Abbrand und Kompaktierungsgeschwindigkeiten
7 Kg
0.3 GWd/t
50 GWd/t
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50
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10
20
30
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0
Yield [ kt-TNT ]
2
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Yield [ kt-TNT ]
100 r - - - - - - - y - - - - r - - - - - , - - - - - - ,
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Jjj:
o l-=:===~====~;;;;;;;;;;;;;~::t;;:~~~::j:L_~
o
20
10
30
40
Yield [ kt-TNT ]
o
2
4
6
Yield [ kt-TNT ]
8
In Abb. 13 und 14 ist eine Variation der Plutoniummenge von 4 und 7 kg vorgenommen
worden. Die Masse von 4 kg berücksichtigt die Vermutung, daß die "israelische Bombe"
eine ähnliche Größe besitzen soll [SUTI86] und die Tatsache der Verwendung von kleinen
Spaltbomben als Zünder der Fusionsbomben. Die Rechnung für 4 kg zeigt interessante
Ergebnisse:
Der Yield liegt deutlich niedriger als bei der 6 kg Bombe ( 4 kt-TNT bei Waffenplutonium und 0.1-0.15 kt-TNT bei Reaktorplutonium). Aber die Zuverlässigkeit steigt für
beide Plutoniumarten auf über 96% (also auch für Reaktorplutonium aus hohem Abbrand und selbst kleiner Kompaktierungsgeschwindigkeit). Der Yield bei Reaktorplutonium von mehr als 100 t TNT dürfte auch für eine terroristische Gruppe nicht mehr
uninteressant sein.
In den hier verwendeten Modellen wurden keine geboosteten Spaltwaffen berücksichtigt.
Das Prinzip der "fusion boosted fission bomb" ist kein Geheimniss mehr ( [ALBR88] und
[KALI89] ). Es soll hier nur kurz auf die Verwendung von Tritium als Booster (Verstärker)
bei Spaltbomben eingegangen werden.
Einige Gramm (2 - 3 g) eines Deuterium-Tritium-Gemisches im Inneren einer Spaltbom~e
liefert durch eine Fusionsreaktion Neutronen, die wiederum die Spaltreaktion um einen
Faktor 2 bis 10 verstärken können. Als Konsequenz daraus sindgeboostete Waffen kleiner, leichter und daher bestens geeignet für kleine Trägersysteme, wie Missiles, Torpedos
und Artillerie-Geschosse. Es wird ebenfalls berichtet, daß geboostete Waffen eine größere
Zuverlässigkeit im erreichbaren Yield besitzen. Es soll möglich sein durch eine bestimmte
Menge Tritium die Sprengkraft einer Waffen auf eine gewünschte Größe einzustellen.
63
Die in diesem Kapitel durchgeführten Abschätzungen zeigen die kritische Abhängigkeit
der Sprengkraft von der Kompaktierungszeit. Wie die Abbildungen 13 & 14 deutlich machen, sind die Aussagen zur Wahrscheinlichkeitsverteilung außerordentlich komplex. Für
die Konstruktion einer Spaltbombe aus Reaktorplutonium ist die hohe Kompaktierungsgeschwindigkeit von entscheidender Bedeutung. Nach den vorliegenden Daten scheint
dieses kein grundsätzliches Problem zu sein. Von großer Wichtigkeit ist die Existenz einer Mindestsprengkraft, deren Größe im Bereich einiger kT TNT liegt. Unserer Meinung
nach hebt die Existenz einer Mindestsprengkraft, auch wenn sie nur im kT Bereich liegt,
die oft betonte inherente Proliferations-Sicherheit für Reaktorplutonium auf. Unberührt
bleibt die Frage nach der technischen Realisierung präzis gefertigter Kugelschalen, einer
hohen sphärischen Symmetrie der Sprenglinsen, die auch beim Implosionsvorgang erhalten bleiben muß, der präzisen Neutroneninjektion, die sicher nicht über Po-Be-Quellen
im Inneren der Pu-Kugel erfolgen kann, das Problem der Kühlung des sich erwärmenden
Plutoniums und vieles mehr, worauf im Hauptteil eingegangen wurde.
Wenn auch die 'Güte' einer Spaltanordnung von sehr vielen Parametern abhängig ist,
so gibt es nach dieser Arbeit keinen Grund anzunehmen, daß eine technisch versierte
Gruppe nicht imstande sein sollte, eine hochbrisante Waffe anzufertigen.
64
4
Anhang
Literatur
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of State, Publ. 2498, 16 March 1946
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Scientists, J an/Feb 1988, p39
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1982
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[ATW81] Hätte Osirak den Weg zu einer irakisehen Atombombe verkürzt?, Atomwirtschaft/Atomtechnik Aug./Sept. 1981, S. 462-464
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[BBU77] Bundesverband Bürgerinitiativen Umweltschutz e.V., Plutonium - über die Beratungspraktiken der offiziellen Strahlenschutzkommission, September 1977
65
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Plutonium, Literaturübersicht, Phasendiagramme und Daten, Teil I, Pu-Ag bis PuSn, Kernforschungszentrum Karlsruhe, KfK 105, Juni 1962
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Umwelt, Kernforschungsanlage Jülich 1978
[BORS80] orsch P., Münch E. (Hrsg.), Kernfragen, Programmgruppe Kernenergie und
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• IANUS-7/1989: Annette Schaper, "ICF-Experimente mit kernwaffenähnlichen
Materialien"
• IANUS-8/1989: Annette Schaper, "Die Rolle von Forschung und Entwicklung
in der Rüstungsdynamik" und "Die Begrenzung rüstungsrelevanter Forschung
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• IANUS-9/1989: Dirk Ipsen, "Der Militär-Industrie-Komplex (MIK)", veröff.
in: "Informationsdienst Wissenschaft und Frieden", Nr.2, 7.Jg., Seite 31-34
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• IANUS-11/1989: Martin Kalinowski, "Nuc1ear Weapons Uses of Tritium and
Multilateral Control Measures"
• IANUS-12/1989: Kathryn Nixdorff, "New Potentials in the Area of Biological Weapons", Revised edition of an artic1e appearing in: C.Hüttig (Hrsg.),
"Rüstungstechnik und Internationale Sicherheitspolitik" , Band 45 der Schriftreihe der TH Darmstadt, Darmstadt, 1990
• IANUS-13/1989: Wolfgang Bender, "Kompetenz der Betroffenen - Heuristik
der Furcht - Institutionen der Meinungserarbeitung"
• IANUS-l/1990: IANUS-Zwischenbericht "Zwei Jahre IANUS: Struktur, Ergebnisse und Perspektiven", April 1990
• IANUS-2/1990: Uwe Reichert, "Warhead Development and Nuc1ear Testing"
• IANUS-3/1990: IANUS-Arbeitsbericht "Einflußfaktgren der Rüstungsdynamik"
• IANUS-4/1990: IANUS-Arbeitsbericht "Rüstungsrelevante Technologien - Material zur systematischen Beurteilung"
• IANUS-5/1990: Jürgen Scheffran, "C31 and New Generations of Nuc1ear Weapons - The Uncertain Connection"
• IANUS-6/1990: Volker Hammer, Marion Kremer, Günther Lutz, "Risikoorientierte Systementwicklung"
• IANUS-7/1990: Kathryn Nixdorff und Isolde Stumm, "Ambivalence of Basic
Medical Research Using Techniques of Genetic Engineering for the Development of Vaccines"
• IANUS-8/1990: Isolde Stumm und Wolfgang Bender, "Was treibt die
Rüstungsdynamik voran? - Ein Einstieg in dieses Thema im Hinblick auf biologische Waffen"
• IANUS-9/1990:
Isolde Stumm, "Gentechnologie und Biowaffen"
\
• IANUS-10/1990: Martin Kalinowski, "Technical Problems with Safeguarding
Tritium"
• IANUS-11/1990: IANUS-Arbeitsbericht "Erfahrungen mit drei interdisziplinären Seminaren"
• IANUS-12/1990: Achim Seiler, "Neue Technologien und Rüstungskonversion"
• IANUS-13/1990: Wolfgang Liebert, Martin Kalinowski, Götz Neuneck,
"Technologische Möglichkeiten des Irak für eine Kernwaffe"
• IANUS-1/1991: Lars Colschen, Martin Kalinowski, "Die Kontrolle der militärischen Nutzung von Tritium"
• IANUS-2/1991: Lars Coischen, Martin Kalinowski, Jan Vydra, "National Regulations of Accounting for and Control of Tritium"
• IANUS-3/1991: Jürgen Scheffran,Jan Vydra, "The Application of MilitaryRelated Resources to Protect the Enviroment"
• IANUS-4/1991: Ulrike Benner, "Verantwortungsbegriffe und Verantwortungskonzepte"
• IANUS-5/1991: Markus Jathe, Jürgen Scheffran, "Zivile und militärische Anwendungen Neuronaler Netze"
• IANUS-6/1991: Martin Kalinowski, Andre Anders, "Fusionsenergie - Sichere
und ökologisch verträgliche Energie der Zukunft?"
• IANUS-7/1991: Isolde Stumm, Kathryn Nixdorff, "Haben Toxinwaffen militärische Relevanz?"
• IANUS-8/1991: Wolfgang Liebert, "Ambivalenz der Naturwissenschaft und
Notwendigkeit von Wissenschaftsfolgenforschung"
• IANUS-9/1991: Wolfgang Bender, "Erhaltung und Entfaltung als Kriterien für
die Gestaltung von Wissenschaft und Technik"
• IANUS-IO/1991: Axel Schrader, "Militärausgaben und wirtschaftliche Entwicklung in der Dritten Welt"
• IANUS-11/1991 Wilfried Engelmann, "Conditions for Disarmament - Game
Theoretic Models of Superpower Confiict"
lANDS-Dokumentationen
• I "Neue Technologien und Rüstungsdynamik" , Interdisziplinäres Seminar, WS
1987/88
• II "Methoden der Technikfolgenabschätzung und Technikgestaltung" , Interdisziplinäres Seminar, SS 1989
• III "Konfliktdynamik und Konfliktmodelle in der Sicherheitspolitik" , Interdisziplinäres Seminar, WS 1989/90