Publikationen

Göttsche, Malte. et al. 2022. Verifying Initial Declarations Using Nuclear Archaeology Methods. In: IAEA Safeguards Symposium, Vienna. Link.

Göttsche, Malte. Rademacher, Lukas. 2022. Forensic Measurements for Nuclear Archeology – A New Approach. In: INMM Annual Meeting. Link.

Zusammenfassung 

Die nukleare Abrüstung hat in den letzten Jahrzehnten kaum Fortschritte gemacht. Trotz oder gerade wegen ihrer gegenwärtigen Krise ist es jedoch dringend erforderlich, mögliche Wege zu skizzieren, um auf den Pfad der Abrüstung zurückzukehren und wieder Reduktionen der nuklearen Arsenale zu erreichen.  Für den Erfolg und die Nachhaltigkeit eines solchen Prozesses ist es von entscheidender Bedeutung, dass wirksame und allgemein akzeptierte Verifikationsinstrumente zur Verfügung stehen.

Seit mehr als drei Jahrzehnten werden technische Studien zur Verifikation nuklearer Abrüstung veröffentlicht.  Dennoch gibt es nach wie vor erhebliche Forschungslücken, und einige Aspekte wären heute nur schwer zu verifizieren. Ein Problem besteht darin, dass der Prozess der Zerlegung von Sprengköpfen selbst reversibel ist: Die Komponenten können wieder zusammengebaut werden. Damit die Abrüstung unumkehrbar ist, müssen sowohl die wiedergewonnenen spaltbaren Materialien als auch die vorhandenen Bestände überwacht und quantifiziert werden.

Ein wesentliches Element einer umfassenden Verifikationsmethodik ist die Nuklear-Archäologie.  Ihr Ziel ist es, die Historie der Herstellung und Nutzung von waffenfähigem spaltbarem Material zu rekonstruieren, um eine Schätzung der vorhandenen Bestände zu erhalten.  Dieses Prinzip wurde von der IAEO in Südafrika bereits recht erfolgreich angewandt, doch kann die technische Forschung die Möglichkeiten der Nuklear-Archäologie noch erheblich erweitern.

Im Rahmen des Projekts werden wir einen völlig neuen methodischen Ansatz zur Verifizierung der Betriebshistorie, und damit auch der Plutoniumproduktion, eines Kernreaktors entwickeln.  Die vorgesehene Methode nutzt massenspektroskopische Messungen von Proben aus Strukturmaterialien im Reaktorkern, um Betriebsparameter zu rekonstruieren.  Zwar gibt es Methoden zur Abschätzung der Plutoniumproduktion auf der Grundlage eines einzigen Parameters – der Neutronenfluenz über die gesamte Laufzeit des Reaktors – die in der Praxis bereits eingesetzt wurden. Unser Ansatz birgt jedoch das Potenzial, weitere Informationen zu rekonstruieren welche hilfreich sein können um ihre Kohärenz mit Aufzeichnungen vergangener Plutoniumproduktion zu überprüfen, welche als Teil von Spaltmaterialdeklarationen zur Verfügung gestellt werden könnten,

Während Vorwärtssimulationen des Reaktorbetriebs mit Hilfe moderner Computercodes leicht durchgeführt werden können, ist das inverse Problem, nämlich die Rekonstruktion des Reaktorbetriebs aus resultierenden Isotopenzusammensetzungen, alles andere als trivial.  Es ist nicht möglich die kombinierten Auswirkungen verschiedener Betriebsparameter auf das Simulationsergebnis analytisch zu beschreiben.  Daher werden wir stattdessen modernste computergestützte Methoden einsetzen, um das Problem mit Hilfe eines numerischen Ansatzes zu lösen.

Neben der technischen Entwicklung der Analyse werden wir auch Anwendungen für verschiedene reale Verifikationsszenarien in Betracht ziehen.  Ein bedeutendes Szenario wäre die zukünftige Denuklearisierung Nordkoreas. Ein zentrales Element eines Verifikationsregimes wäre voraussichtlich die Schätzung der im 5-MWe Yongbyon Reaktor produzierten Plutoniummenge. Ein weiterer Anwendungsfall wäre die Validierung der von Ländern als vertrauensbildende Maßnahme erklärten Produktionshistorien.

Abstract

Nuclear disarmament has seen little progress over the last decades. However, despite or precisely because of the current crisis of nuclear arms control, it is pressing to sketch potential pathways on how to get back on a track of reductions in weapon arsenals, eventually making progress towards disarmament.  As a requirement for such a process to succeed and be sustainable, having effective and widely accepted verification tools available is crucial.

Technical studies on how to verify nuclear disarmament have been published for over three decades.  Nevertheless, significant research gaps remain, and some aspects of nuclear disarmament would be difficult to verify today. One problem is that the process of dismantling the warheads themselves is reversible:  the components can be re-constituted. For disarmament to be irreversible both recovered fissile materials as well as existing stocks have to be further monitored and quantified.

One essential element of a comprehensive verification toolbox is nuclear archaeology.  Its goal is to reconstruct the production and removal history of fissile materials usable for weapons, in order to obtain an estimate of the existing stockpiles.  While the principle has seen fairly successful use by the IAEA in South Africa, technical research can significantly expand the capabilities of nuclear archaeology.

Throughout the project we will develop a completely new methodical approach towards verifying the operational history, and consequently also the plutonium production, of a nuclear reactor.  The envisioned method makes use of mass-spectroscopic measurements of samples taken from structural materials inside the reactor core to reconstruct operational parameters.  While methods estimating the plutonium production based on a single parameter – the reactors lifetime neutron fluence – exist and have seen some practical use, our approach has the potential to reconstruct additional information that can be useful to check its consistency with plutonium production records to be provided along-side fissile material baseline declarations.

While forward simulations of reactor operations are easily conducted using modern computational frameworks the inverse problem, inferring the reactor operation from the resulting material isotopics, is highly non-trivial.  It is impossible to analytically describe the combined impact of different operational parameters.  We will therefore instead make use of state-of-the-art computational science methods to solve the problem through a numerical approach.

Along with the technical development of the analysis we will also consider applications to different real-world verification scenarios.  One important scenario is an eventual denuclearization of North Korea. As part of a verification regime, estimating the amount of plutonium produced in the 5 MWe Yongbyon reactor would likely be a central component.  Furthermore, the validation of operational histories declared by countries using nuclear archaeology methods can act as a measure of confidence-building.