Hoffnung auf verbesserte Verifikation

Spaltmaterialproduktion und Teststopp

von Ole Roß, Heiner Daerr, Martin B. Kalinowski, Markus Kohler und Enno Peters

Die Wirksamkeit internationaler Verträge zur Kontrolle von Nuklearwaffen, deren Technologie oder nuklearwaffenfähigem Material steht und fällt mit der Wirksamkeit der Verifikation. Angeblich unzureichende Verifikationsmethoden waren immer wieder ein Argument der Gegner des Umfassenden Teststoppvertrages und anderer Verträge. Aktuell halten Vertreter der USA die Verifikation eines Abkommens für ein Verbot der Produktion von waffenfähigem spaltbarem Material für unmöglich und lehnen es daher ab. Die Verbesserung bestehender und die Entwicklung neuer naturwissenschaftlicher Methoden zur Überprüfung von nuklearen Rüstungskontrollverträgen ist eine zentrale Aufgabe, denn verlässliche technische Überwachungsmittel fördern das Vertrauen unter den Vertragspartnern und damit die Bereitschaft zur nuklearen Abrüstung.

Im Folgenden werden die Überwachung des Nichtverbreitungsvertrages (NVV) und des Umfassenden Teststoppvertrages vorgestellt. Anschließend wird auf Erfordernisse und mögliche Neuentwicklungen eingegangen, insbesondere im Hinblick auf die Verifikation eines künftigen Produktionsverbots für Spaltmaterial zum Waffenbau.

Verifikation des Nichtverbreitungsvertrages

Zur Verifikation des nuklearen Nichtverbreitungsvertrages verfügt die Internationale Atomenergieorganisation (IAEO) über eine Reihe von etablierten Methoden zur Kontrolle von Produktion und Beständen von kernwaffenrelevanten Spaltmaterialien. Die ursprünglich eingeführten klassischen Sicherungsmaßnahmen, fixiert in länderspezifischen Safeguards Agreements, haben sich allerdings in der Vergangenheit als nicht ausreichend erwiesen. Wenn beispielsweise die Anreicherung von Uran nicht aufgedeckt werden kann, weil die nötigen technischen Verfahren oder auch nur die rechtlichen Grundlagen zur Nutzung vorhandener Verfahren fehlen, besteht die Möglichkeit zu verborgener Aktivität, wie im Falle des Iran, dessen nicht-deklariertes Nuklearprogramm erst im Jahre 2002 von einer Oppositionsgruppe enthüllt wurde.

Nachdem infolge des Irakkriegs von 1991 das geheime irakische Nuklearprogramm bekannt geworden war, arbeitete die IAEO 1997 einen Modellentwurf für ein Zusatzprotokoll zum Sicherungsabkommen aus, zu dem sich die Unterzeichnerstaaten des NVV freiwillig verpflichten können. Das Protokoll sieht erweiterte Sicherungsmaßnahmen - z.B. Zugangsmöglichkeiten zu Nuklearanlagen für IAEO-Inspektoren innerhalb von 24 Stunden - und umfassendere Deklarationspflichten vor. Der Modellentwurf bietet die Basis für jeweils spezifische Vereinbarungen zwischen den einzelnen Ländern und der IAEO. Bis November 2007 traten in 84 der 160 Staaten, die bereits ein umfassendes Sicherungsabkommen mit der IAEO hatten, Zusatzprotokolle in Kraft. Alle offiziellen Nuklearwaffen-Staaten (USA, Großbritannien, Frankreich, China und Russland) haben ein - allerdings stark abgeschwächtes und daher eher symbolisches - Zusatzprotokoll unterzeichnet, in Kraft getreten ist es bisher aber nur in Frankreich, China und Großbritannien.

Durch die strengere Informationspflicht über bestehende und geplante Anlagen und nukleares Material sowie zusätzliche Kontrollmaßnahmen soll die IAEO nicht nur in die Lage versetzt werden, die Angaben über nukleare Aktivitäten und Materialien eines Staates zu überprüfen, sondern auch undeklarierte Aktivitäten und Anlagen zu entdecken. Letzteres war in den bisherigen Sicherungsabkommen nicht vorgesehen. Sie beruhten vielmehr auf der Annahme, dass die Staaten wahre und vollständige Angaben über ihren Nuklearsektor machen.

Eine Neuerung ist die Möglichkeit, zum Aufspüren geheimer Nuklearprogramme innerhalb und außerhalb deklarierter Anlagen Umweltproben zu entnehmen. Derzeit sind in zu inspizierenden Anlagen so genannte »swipe samples« (Wischproben) erlaubt, um relevante Isotope (z.B. nicht natürlich vorkommende Transurane) aufzuspüren, die bei der Produktion von waffenfähigen Materialien anfallen. Die Wischproben ermöglichen Probennahme an einem bestimmten Ort zu einem bestimmten Anlass. Grundsätzlich gibt es auch die Möglichkeit weiträumiger Probennahmen an mehreren Orten über einen längeren, aber begrenzten Zeitraum. Letzteres wurde allerdings vom Board of Governors, dem obersten Entscheidungsgremium der IAEO, bislang nicht bewilligt.

Der Umfassende Teststoppvertrag

Ein Beispiel für den erfolgreichen Aufbau eines technischen Verifikationssystems liefert der umfassende Teststoppvertrag (Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty, CTBT), der die Durchführung jeglicher Nuklearexplosion, also auch der unterirdischen, untersagt. Als dieser Vertrag 1996 bei der Vollversammlung der Vereinten Nationen zur Unterzeichnung ausgelegt werden konnte, ging ein zäher mehrjähriger Verhandlungsmarathon zu Ende. Einer der wesentlichen Streitpunkte war die Frage nach einem wirkungsvollen Verifikationssystem. NaturwissenschaftlerInnen trugen mit ihren Forschungsergebnissen erheblich dazu bei, dass ein solches durchgesetzt werden konnte.

Bis November 2007 haben den Vertrag 177 Staaten gezeichnet und 140 Staaten ratifiziert. Verbindlich wirksam ist er dennoch nicht. Dafür bedarf es der Ratifizierung durch alle 44 im Annex 2 genannten Staaten, deren Teilnahme notwendige Bedingung für das Inkrafttreten ist. Von diesen fehlen noch Ägypten, China, Indien, Indonesien, Iran, Israel, Kolumbien, Nordkorea, Pakistan und die USA. Den Grundpfeiler des Verifikationssystems bildet das technische Überwachungsnetz (International Monitoring System, IMS) aus insgesamt 321 Messstationen, das bereits zu zwei Dritteln fertig gestellt ist und Daten u.a. an die Vorbereitungskommission der Vertragsorganisation (CTBTO) in Wien liefert. Hierbei werden vier komplementäre Methoden verwendet: Mittels Seismologie (Erdbeben- und Erschütterungswellen), Hydroakustik (Wasserschallwellen), Infraschallmessungen (Wellen sehr tiefer Frequenz) und Radionuklidmessungen (Produkte der Kernspaltung) sollen unerlaubte Kernexplosionen entdeckt und nachgewiesen werden.

Die Daten der wellenbasierten Techniken laufen in nahezu Echtzeit im internationalen Datenzentrum des vorläufigen technischen Sekretariats der CTBTO zusammen und können in einer Netzwerkanalyse zur Bestimmung von Zeit und Ort des Ereignisses, von dem die Signale ausgingen, genutzt werden. Bei den Radionukliden (radioaktive Partikel und gasförmige Spaltprodukte) besteht die Herausforderung darin, mit Hilfe von meteorologischen Modellen deren Ausbreitung in der Atmosphäre zu simulieren und Radioisotopen, die an den Messstellen entdeckt werden, mögliche Quellregionen zuzuordnen. Je länger aber die angenommene Transportzeit von der Quellregion zur Messstation, desto ungenauer wird die Zuordnung. Auch hier gelingt durch die Kombination mehrerer Messungen, möglichst an verschiedenen Standorten, eine Eingrenzung der wahrscheinlichen Quellregion und Emissionszeit. Am Ende der Auswertungskette steht dann die Zusammenführung der Daten zur möglichst umfangreichen Charakterisierung eines Ereignisses. Das Urteil darüber, ob es sich um einen Kernwaffentest gehandelt haben könnte, obliegt aber den Mitgliedsstaaten, die von der CTBTO mit einer neutralen technischen Analyse versorgt werden.

Indizien oder eindeutiger Beweis?

Ein wichtiger Indikator eines Kernwaffentests sind radioaktive Xenon-Isotope. Diese werden allerdings nicht nur bei Nuklearexplosionen, sondern auch im Normalbetrieb von Kernkraftwerken sowie bei der Produktion von (beispielsweise medizinischen) Isotopen freigesetzt. Bei der Überwachung des Teststoppvertrags besteht die Herausforderung also darin, die Xenon-Emission richtig zuordnen zu können. Mit großräumigen Radioxenonmessungen gibt es bisher kaum Erfahrungen. Dementsprechend lückenhaft ist die Kenntnis des globalen Radioxenongehalts der Atmosphäre. Auch die Zeitpunkte und Größen der Xenon-Emissionspulse von Kernkraftwerken und Isotopenproduktionsfabriken sind nur unzureichend bekannt, denn diese müssen nicht deklariert werden. Daher wird im Rahmen des International Noble Gas Experiment seit 1999 zum einen die Xenon-Messtechnik für die Stationen des Überwachungsnetzes evaluiert und optimiert, zum anderen aber auch ein besseres Verständnis der auftretenden Konzentrationsspitzen aus zivilen Quellen angestrengt, die beim Überwachungssystem der CTBTO keinen Fehlalarm auslösen dürfen. Mit Hilfe atmosphärischer Transportmodelle werden die wahrscheinlichsten Quellregionen für die Messergebnisse bestimmt. Diese werden desto unsicherer, je länger der betrachtete Zeitraum ist. Bei der Überwachung des Teststoppvertrages handelt es sich um Tage bis zu wenigen Wochen.

Ein anderes interdisziplinäres Forschungsfeld zur Unterstützung der Teststoppverifikation untersucht, wie Spaltedelgase, die bei einer Nuklearexplosion entstehen, durch Gestein und Erdreich diffundieren. Das Verständnis der Mechanismen, durch welche die Edelgase an die Oberfläche gelangen, hilft bei der Planung von Bodenprobenahmen bei Vor-Ort-Inspektionen, der letzten Stufe der Teststoppverifikation. Auch hier gibt es natürliche Quellen aus dem spontanen Zerfall von Uran-238 in der Erdkruste, die zur Bewertung der gemessenen Signale verstanden werden müssen.

Die Charakterisierung, ob gemessene Xenon-Isotope von einer Nuklearexplosion oder einer anderen Quelle herrühren, ist sehr kompliziert. Dabei ist es hilfreich, dass die vier für den Nachweis von Kernspaltung relevanten Isotope Xe-131m, Xe-133, Xe-133m und Xe-135 unterschiedliche Halbwertszeiten von 9 Stunden bis zu 12 Tagen aufweisen und das Mengenverhältnis, in dem diese Isotope bei einer Kernspaltung entstehen, bekannt ist. Entsprechend kann man unter der Annahme, dass man es nur mit einer Quelle zu tun hat, über die Messung der verschiedenen Isotope auf den Zeitpunkt einer vermuteten Explosion schließen.

In der Realität funktioniert allerdings der ursprünglich von der Teststoppkommission verfolgte Ansatz, lediglich die Konzentration von zwei der vier Isotope zu messen, nicht: Der Charakter der Quelle ließ sich so nicht eindeutig feststellen. Ein viel versprechender Weg hingegen ist es, alle vier Isotope zu messen und dann die Konzentrationsverhältnisse von jeweils zwei der vier Isotope zu kombinieren. Dadurch lassen sich Kraftwerksemissionen eindeutig von denen aus Nuklearexplosionen unterscheiden, es bleibt jedoch eine Ambiguität zu den Emissionen von Isotopenfabriken.

Zudem ist ein viel grundsätzlicheres Problem bislang ungelöst: Die Messung aller vier Isotope ist an sich schon schwierig, da diese unterschiedlich gut nachzuweisen sind und insbesondere das kurzlebige Xe-135 rasch bis unter die Nachweisgrenze zerfällt. Hinzu kommt, dass sich die Abluftfahne eines etwaigen Kernwaffentests mit möglichen Hintergrundkonzentrationen zivilen Ursprungs vermischen kann und die Messergebnisse dadurch an Eindeutigkeit verlieren. Deshalb sollte für jede Messstation eine dynamische Hintergrundanalyse erstellt werden, in die folgende Faktoren einfließen: zivile Emissionen, Ergebnisse meteorologischer Ausbreitungsrechnungen und Charakteristik der Konzentrationserhöhungen, die beim Regelbetrieb kerntechnischer Anlagen auftreten. Durch die Kombination verschiedener Methoden und mehrerer Stationen lässt sich letztlich doch für die meisten Situationen eine belastbare Quellzuordnung erreichen.

Kernwaffenfähiges Material - neue technische Möglichkeiten und Erfordernisse

Das Entdecken von undeklarierten nuklearen Anlagen und Materialien gestaltet sich seit jeher schwierig und wird erst durch das Zusatzprotokoll der IAEO erleichtert. Es bleiben dennoch einige Herausforderungen bei der Detektierung geheimer Aktivitäten, die zu einer Kernwaffe führen könnten. Es gibt mehrere Wege zur Bombe, die vollständig erfasst werden müssen, um eine Verbreitung stoppen zu können. Schon allein die mögliche Verwendung von Uran oder Plutonium als Bombengrundstoff zwingt die Kontrolleure, auf zwei völlig unterschiedliche Weisen tätig zu werden.

Uran als einzig natürlicher Kernbrennstoff ist in seinem ursprünglichen Zustand zunächst unkritisch. Erst eine Anreicherung von Uran-235 auf über 20% (Standard für die Bombe: >80%) lässt den Bombenbau praktikabel werden. Dies kann man nur mit sehr aufwändigen Anreicherungsmethoden erreichen, die unter Umständen keine spezifischen Signaturen, wie Wärme, in der Umwelt hinterlassen. Die derzeit einzige Methode zur Entdeckung solcher Aktivitäten besteht im Einsatz von Satelliten. Da die IAEO über kein eigenes Satellitensystem verfügt, ist sie vom Erwerb der Bilder von Satellitenbetreibern und von Informationen der Mitgliedstaaten abhängig. Wie einige Fälle in jüngster Zeit jedoch gezeigt haben, werden diese Informationen aufgrund eigener Interessen der einzelnen Staaten nicht immer an die IAEO weiter gegeben. In manchen Fällen war die IAEO sogar auf Informationen von unabhängigen Gruppierungen angewiesen. Beispiele hierfür sind die Urananreicherungsanlage Natanz im Iran und die durch Israel am 6. September 2007 zerstörte angebliche Nuklearanlage in Syrien.

Einfacher als die Suche nach den Verarbeitungsstätten dürfte die Verfolgung des natürlichen Urans sein. Für die Gewinnung von Uran bedarf es nämlich des Abbaues riesiger Gesteinsmengen; je nach Urangehalt kann man aus einer Tonne Erz wenige Kilogramm Uran gewinnen. Ein Kontrollmechanismus inklusive Inventur (Mengenbilanz) an dieser Stelle würde das Abzweigen von Uran erschweren. Auch der Einsatz von Satelliten ist denkbar, um ungemeldete Minen zu entdecken.

Der zweite Weg zur Bombe führt über Plutonium. Dieses kommt in der Natur nicht vor und muss daher erst hergestellt werden. Dies geschieht in einem zivilen oder militärischen Kernreaktor, in welchem Uran-238 ein Neutron einfängt und durch Zerfall zu Plutonium wird. Zur Abtrennung des Plutoniums aus dem bestrahlten Kernbrennstoff bedarf es etlicher chemischer Prozesse. Dabei werden vor allem gasförmige, bei der Kernspaltung entstandene Spaltprodukte freigesetzt. Diese enthalten unter anderem auch radioaktive Edelgase. Von besonderem Interesse ist Krypton-85, das eine Halbwertszeit von 10,7 Jahren besitzt und für welches keine nennenswerten natürlichen Quellen existieren.

Dieses Krypton-85 kann man sich zum Nachweis einer geheimen Plutoniumproduktion zunutze machen. Das gesamte Inventar von Krypton-85 in der Atmosphäre stammt aus der Wiederaufarbeitung von bestrahltem Kernbrennstoff. Da Krypton-85 als Edelgas sehr reaktionsträge ist, lässt es sich kaum filtern oder anderweitig zurückhalten. Eine signifikante Konzentrationserhöhung in einer Abgasfahne von einer allein stehenden Anlage kann man unter Umständen noch in einer Entfernung von deutlich mehr als 100 km nachweisen. Ein weltweites Messnetz ähnlich dem für den Umfassenden Teststoppvertrag würde in einem entsprechend engmaschigen Raster den Kostenrahmen allerdings sprengen. Regionale Anwendungen erscheinen jedoch sinnvoll.

Ein weiterer wichtiger Schritt zur allgemeinen Kontrolle der spaltbaren Stoffe wäre die Gleichbehandlung der nuklearen Materialien in Kernwaffenstaaten und Nichtkernwaffenstaaten. Dies sollte durch ein Verbot der Produktion von spaltbarem Material gewährleistet werden, welches die Waffenstaaten dazu verpflichtet, ihre Produktionsanlagen nicht mehr für die Herstellung von Bombenmaterial zu nutzen und dies auch überprüfen zu lassen. Auf Verhandlungen über einen solchen Produktionsstopp konnte sich die Völkergemeinschaft bei der Genfer Abrüstungskonferenz allerdings seit vielen Jahren nicht einigen (siehe Tab. 1).

Konkrete technische Möglichkeiten

Die erwähnte Möglichkeit, eine geheime Plutoniumproduktion über Krypton-85-Messungen in der Atmosphäre aufzuspüren, stellt eine vielversprechende Überwachungsmethode dar. Eine Expertenrunde der IAEO kam daher 1996 zu der Beurteilung, dass Krypton-85 der bestgeeignete Indikator für die Plutoniumabtrennung sei, ein regionales Messnetz allerdings (noch) zu teuer.

Ein möglicher Einsatz des Krypton-85-Verfahrens ist das Aufstellen eines Rasters von permanenten Messstationen in einem begrenzten Gebiet, die kontinuierlich den Krypton-85-Gehalt der Luft überwachen. Das Bundesamt für Strahlenschutz (BfS) in Freiburg betreibt bereits seit mehr als 30 Jahren ein globales Messnetz mit derzeit 14 Sammelstationen, die hauptsächlich in Deutschland, aber auch vereinzelt im Ausland, etwa in Spanien, Japan und der Antarktis, aufgestellt sind. Aus den so gewonnenen Daten lassen sich wichtige Schlüsse für die praktische Eignung von Krypton-85 als Verifikationsinstrument ziehen. Eine Fallstudie über die Korrelation von Krypton-85-Messungen am Nationallabor für Hochenergiephysik in Tsukuba und Krypton-85-Emissionspulsen der Wiederaufarbeitungsanlage in Tokai, beide Japan, belegt, dass die Produktion von 8 kg Plutonium (die von der IAEO definierte signifikante Menge für eine Kernwaffe), aufbereitet in einem Zeitraum von etwa einem halben Jahr, erfolgreich nachgewiesen werden kann, wenn die Station 60 Kilometer von der Quelle entfernt steht.

Nur mit systematischen atmosphärischen Ausbreitungsrechnungen kann studiert werden, in welchem Umfang ein lokales Messnetz in einem verdächtigen Gebiet kostengünstig und effektiv realisiert werden kann. Ein Grund für die bisherige Kostenintensivität der Krypton-85-Methode ist, dass der Nachweis auf Betamesstechnik beruht, also auf der Messung der Radioaktivität. Aufgrund der geringen Konzentration von Krypton-85 in der Atmosphäre sind derart große Luftproben erforderlich, dass die Edelgase mit einer speziellen Apparatur bereits im Feld abgetrennt werden müssen, um die Probe ins Labor schicken zu können. Die Probengröße des heutigen BfS-Messnetzes beträgt im Standardbetrieb beispielsweise 10 m³ Luft, der Sammelzeitraum eine Woche. Prinzipiell sind auch kleinere Proben von einigen Hundert Litern möglich, allerdings vergrößert sich dann die Messzeit im Labor.

Am Zentrum für Naturwissenschaft und Friedensforschung (ZNF) der Universität Hamburg wird derzeit an einer neuen Nachweistechnik gearbeitet, die auf dem Zählen einzelner Kryptonatome in einer Atomfalle mittels Lasermesstechnik beruht (ATTA = Atom Trap Trace Analysis). Mit Hilfe dieser Technik könnte die Probengröße so weit reduziert werden, dass keine Abtrennung im Feld erforderlich ist. Somit würde auch die Probensammlungs- und Messzeit verringert. Dann wäre diese Methode ebenfalls für kurzfristige Feldmessungen an wenigen Standorten geeignet, bei denen Inspektoren im Verdachtsfall kleine Luftproben nehmen. Die ATTA-Messtechnik ermöglicht die Probenahme in einer kleinen 1-Liter-Vakuumflasche, die in ein Labor geschickt und dort ausgewertet wird. Außerdem werden Zufallskontrollen möglich, so wie sie die Inspekteure mit den schon etablierten Wischproben während routinemäßiger Kontrollen durchführen können. Die ATTA-Messtechnik ist daher sehr vielversprechend; inwieweit sie aber funktionieren und sich effizient einsetzen lässt, muss für relevante Szenarien noch mit Hilfe von Transportrechnungen der Ausbreitung von Krypton-85 durch die Atmosphäre gezeigt werden. Insbesondere sollen mit derartigen Simulationen optimale Probennahmestrategien entwickelt werden. Das Hauptproblem ist der hohe Hintergrund aus legalen Wiederaufbereitungsaktivitäten, da das langlebige Kr-85 über Jahrzehnte in der Atmosphäre verbleibt.

Synergien für die Zukunft

Besonders wünschenswert wären Synergieeffekte zwischen dem International Monitoring System des Umfassenden Teststoppvertrags und großräumiger Umweltprobennahme gemäß des Zusatzprotokolls der IAEO. Technisch wäre es möglich, auch die Krypton-85-Gehalte der Luftproben der IMS-Stationen zu bestimmen. Allerdings ist dies bislang politisch nicht gewollt. Eine gemeinsame Herausforderung für beide Verträge besteht in der Quellortung durch atmosphärische Transportrechnungen bei einem beträchtlichen Hintergrund durch legale Emissionen.

Überdies kann das Monitoring-System der Teststopporganisation mit seinen standardisierten kontinuierlichen Messungen in hoher zeitlicher Auflösung rund um den Globus auch für die zivile Wissenschaft eine wichtige Datenquelle sein. So gibt es bereits Zusammenarbeit im Bereich der Tsunami-Warnung. Aber auch die Luftprobenauswertungen der Radionuklidstationen können Umwelt- und Atmosphärenwissenschaftlern helfen. Nachdem innerhalb der Teststopporganisation zunächst immer sehr auf Geheimhaltung gepocht wurde, besteht inzwischen eine entsprechende Kooperationsvereinbarung mit der World Meteorological Organization der Vereinten Nationen, die die prinzipielle Verfügbarkeit der Daten regelt. Es bedarf nur noch einer besseren Bekanntheit der Möglichkeiten unter den Wissenschaftlern - und es fehlt eine Initiative, diese auch zu nutzen.

Weiterführende Informationen

International Panel on Fissile Materials - www.fissilematerials.org

Independent Group of Scientific Experts on the detection of clandestine nuclear-weapons-usable materials production - www.igse.net

International Atomic Energy Agency - www.iaea.org

Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty Organisation (Preparatory Commission) - www.ctbto.org

Carl Friedrich von Weizsäcker-Zentrum für Naturwissenschaft und Friedensforschung, Universität Hamburg - www.uni-hamburg.de/znf

Ole Roß ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am ZNF und promoviert in Meteorologie zur Modellierung der Ausbreitung radioaktiver Edelgase. Heiner Daerr und Markus Kohler sind wissenschaftliche Mitarbeiter am ZNF und entwickeln im Rahmen ihrer Promotion eine Atomfalle zur Ultraspurenanalyse von Kr-85 (ATTA). Enno Peters ist Diplomand beim ATTA-Projekt und nimmt eine Probensammelanlage in Hamburg in Betrieb. Martin B. Kalinowski ist Leiter des Zentrums für Naturwissenschaft und Friedensforschung der Universität Hamburg (ZNF).