Projektleiter: Prof. Dr. Gerald Kirchner, Universität Hamburg, Carl-Friedrich von Weizsäcker-Zentrum für Naturwissenschaft und Friedensforschung (ZNF)
Projekttyp: Standardprojekt
Fördersumme: 99 Tsd Euro
Laufzeit: 24 Monate
Kirchner, Gerald und Franziska Gerfen, Anna Heise, Timo Schlüschen. 2020. Will 37Ar emissions from light water power reactors become an obstacle to its use for nuclear explosion monitoring?, Journal of Environmental Radioactivity, Volumes 223–224, Artikel Nr. 106392, Link.
Göttsche, Malte; Kirchner, Gerald (2015): Improving neutron multiplicity counting for the spatial dependence of multiplication: Results for spherical plutonium samples. In: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A 798, 99-106. Zur Publikation.
Göttsche, Malte; Kütt, Moritz; Neuneck, Götz; Niemeyer, Irmgard (2015): Advancing Disarmament Verification Tools: A Task For Europe? In: EU Non-Proliferation Consortium – Non-Proliferation Papers No 47. ESARDA Bulletin, 53, 111-123. Zur Publikation.
Postelt, Frederik; Zeiser, Fabio; Kirchner,Gerald (2015): Analytical estimate of high energy gamma-ray emissions from neutron induced reactions in U-235, U-238, Pu-239 and Pu-240. ESARDA Bulletin, 52, 25-34. Zur Publikation.
Fuller, James et al. (2014): Innovating Verification: New Tools & New Actors to Reduce Nuclear Risks. Verifying Baseline Declarations of Nuclear Materials and Warheads. Nuclear Threat Initiative (Hg.). Zur Publikation.
Göttsche, Malte; Kirchner, Gerald (2014): Measurement Techniques for Warhead Authentication with Attributes: Advantages and Limitations. In: Journal. Science & Global Security 22 (2), 83-110. DOI: 10.1080/08929882.2014.918805.
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ZusammenfassungBis heute konnte der 1996 zur Unterzeichnung ausgelegte Vertrag zum Verbot aller nuklearer Testexplosionen (Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty, CTBT) nicht in Kraft treten. Trotzdem sind mit der Etablierung der Preparatoy Commission for the Nuclear Test Ban Treaty Organization und dem von dieser
geleisteten Aufbau und Betrieb eines globalen Überwachungsmessnetzes wesentliche Schritte zur Umsetzung der vertraglichen Verifikationsbestimmungen geleistet worden.
Eine zentrale Komponente des Verifikationsregimes insbesondere zum Nachweis des nuklearen Charakters einer Explosion stellt die Messung erhöhter Konzentrationen radioaktiver Edelgase dar. Als Teil des globalen Überwachungsnetzes sind dafür bis zu 40 Radionuklid-Messstationen vorhanden, die kontinuierlich die atmosphärischen Konzentrationen radioaktiver Xenon-Isotope analysieren.
Für die im Verdachtsfall geplanten Vor-Ort-Inspektionen hat sich in den letzten Jahren das radioaktive Edelgas Argon-37 zunehmend aufgrund seiner mit 35 Tagen relativ langen Halbwertzeit als idealer Tracer für einen Vor-Ort-Nachweis des nuklearen Charakters einer unterirdischen Explosion herausgestellt. Die wesentliche Einschränkung seiner Nutzung besteht aktuell jedoch im Fehlen zuverlässiger Daten, ob eine erhöhte Konzentration an Argon-37 durch zivile kerntechnische Anlagen bedingt sein könnte, da dessen Emissionen mit der Fortluft nicht routinemäßig überwacht werden. Diese Lücke soll das von der Deutschen Stiftung Friedensforschung geförderte Forschungsprojekt schließen.
Radioaktives Argon entsteht nicht durch Kernspaltung, sondern durch Aktivierung natürlich vorkommenden Argons und Calciums durch Neutroneneinfang im Reaktorkühlmittel, in der Raumluft direkt am Reaktordruckbehälter und im Beton des Biologischen Schildes. Zur Bestimmung der resultierenden Emissionen wird berücksichtigt, dass das Argon aus einzelnen dieser Pfade über die Edelgasrückhaltungssysteme der Reaktoren geleitet wird, aus anderen nicht. Für das im Beton gebildete Argon-37 stellt zudem seine Freisetzungsrate aus der Baustoffmatrix in die Raumluft einen wesentlichen Faktor dar.
Für diese unterschiedlichen Bildungspfade werden die Produktionsraten des Argon-37 mit Hilfe neutronenphysikalischer Berechnungsverfahren ermittelt. Zur Bestimmung der resultierenden Emissionsraten werden die Ergebnisse verknüpft mit Simulationen der Argon-Freisetzung aus der Betonmatrix und mit der Modellierung des Einflusses der Fortluft- und Edelgas-Rückhaltesysteme der Reaktoren. Da die Aktivierungsraten mit wachsender Neutronenflussdichte zunehmen, werden neben den weltweit dominierenden Leichtwasserreaktoren Hochfluss-Forschungsreaktoren betrachtet.
Überprüft und erforderlichenfalls verfeinert werden die Berechnungen durch gezielte Messungen der Konzentrationen des gesuchten Ar-37 bei ausgewählten kerntechnischen Anlagen in Deutschland sowie für die Emissionspfade des kurzlebigen Ar-41, die nicht über die Edelgasverzögerungsstrecken geleitet werden.
Die Ergebnisse sollen dazu dienen, für die Nutzung des Argon-37 zur Überwachung des Nuklearen Teststoppabkommens einen anthropogenen Hintergrund entweder auszuschließen oder seine Höhe quantifizieren zu können. Damit kann das geförderte Projekt einen Beitrag zur Stärkung des Verifikationsregimes des Nuklearen Teststoppabkommens leisten und dazu beitragen, Vorbehalte derjenigen Staaten, die den Vertrag bisher nicht unterschrieben oder verifiziert haben, gegenüber der Selektivität und Sensitivität des Verifikationsregimes zu entkräften.
Durchgeführt wird dieses Forschungsprojekt im Carl Friedrich von Weizsäcker Zentrum für Naturwissenschaft und Friedensforschung der Universität Hamburg, das auf jahrelange Forschungsarbeiten und Erfahrungen mit der geförderten Thematik verfügt.
Although being open for signature since 1996, the Comprehensive Nuclear Test Ban Treaty still has not entered into force. However, following the establishment of the Preparatory Commission for the Nuclear Test Ban Treaty Organization (CTBTO) major steps for establishing the treaty’s verification regime have been achieved by the installation and operation of the global International Monitoring System.
Detection of elevated concentrations of radioactive noble gases constitutes a major component of the verification regime, as this could confirm that an explosion indeed has been nuclear. CTBTO’s International Monitoring System includes close to 40 stations, which continuously monitor activity levels of radioactive xenon isotopes in the atmosphere.
If requested by a State Party, the Comprehensive Test Ban Treaty provides for an on-site inspection for establishing whether a nuclear explosion has been carried out. CTBTO is working on developing technical procedures for performing such an inspection. It has turned out that the radioactive noble gas isotope argon-37 due to its 35 days half-life may be a convenient indicator of an underground nuclear explosion. However, a major constraint is provided by the lack of data whether an elevated argon-37 concentration could be caused by civil nuclear installations, since emissions of this radionuclide are not being monitored routinely. These data will be provided by the research project.
Radioactive argon isotopes are not a nuclear fission product, but originate from neutron capture in natural argon and calcium. It is produced in the reactor coolant, and in air and concrete surrounding the reactor pressure vessel. Activities of argon produced in reactor coolant – but not by the other pathways – are reduced by the noble gas retention systems present in some reactors before being emitted. In addition, emissions of argon produced in concrete depend on its emanation rates into indoor air of the reactor building.
In this research project, for each of the various production pathways of argon isotopes their buildup rates are estimated by neutron reactor physics simulations. Their results will be combined with modeling the emanation of argon from the concrete and the effects of indoor air ventilation and noble gas retention systems on their emissions into the atmosphere. Since argon production increases with neutron flux density, both light water reactors, which dominate nuclear power generation globally and high flux nuclear research reactors are considered.
The simulations will be validated and if necessary improved by measurements of argon-37 in stack emissions of selected nuclear power and research reactors in Germany. These measurements will be supplemented by analyses of argon-37 and of the short-lived isotope argon-41 in indoor air of the reactor buildings.
The results of this research project will provide data which are essential for using argon-37 for verifying the Comprehensive Test Ban Treaty. Depending on the specific emission rates provided by the project and on atmospheric conditions an anthropogenic background then can be either excluded completely or its level can be estimated. Thus, this research project will contribute to strengthening the verification regime of the Comprehensive Nuclear Test Ban Treaty. It may also assist in rebutting some of the reservations made by some states challenging the selectivity and sensitivity of the CTBT verification regime.
The research project will be performed by the Carl Friedrich von Weizsäcker Center for Science and Peace Research of the University Hamburg, which are internationally recognized specialists for research on the application of radioactive noble gases for verification of the Comprehense Nuclear Test Ban Treaty.