Zusammenfassung

Die Authentifizierung nuklearer Sprengköpfe ist eine zentrale Aufgabe im Rahmen der Verifikation nuklearer Abrüstung. Typischerweise werden dazu radioaktive Emissionen der Waffen selbst genutzt, etwa Neutronen und Gammas. Diese Emissionen sind “Signaturen” der Kernwaffen zum Zweck der Verifikation, und werden allgemein als “eindeutig” angenommen. Aktuelle Forschung in diesem Bereich zielt darauf ab, Detektoren und Datenverarbeitungssysteme zu verbessern, sowie neue Ansätze und Methoden zur Messung der Emissionen zu entwickeln. Bisher gibt es keine (öffentlich verfügbaren) Arbeiten, die folgende Fragen adressieren: Wie eindeutig sind die Signaturen? Wie schwierig wäre Betrug, als das emulieren der Signaturen mit anderen Mitteln?

Die Frage nach potentiellen Betrugsversuche ist kritisch für ernsthafte, internationale Bemühungen zu nuklearer Abrüstung, Rüstungskontrolle und Nichtverbreitung – wie auch für die Friedensforschung allgemein. Dieses Projekt untersucht diese Frage mit physikalischen Methoden. Mit einem neuartigen Ansatz soll ein besseres Verständnis der Eindeutigkeit radioaktiver Signaturen generiert werden. Die Projektergebnisse haben signifikante Auswirkungen auf das Vertrauen zwischen Staaten im Rahmen von Verifikationsaktivitäten. Die Ergebnisse erleichtern die Erkennung von Nicht-Einhaltung von Vereinbarungen, schrecken Betrugsversuche ab und ermöglichen die Auswahl resilienterer Messtechniken.

Das Forschungsprojekt wird dabei Neutronen- und Gammaemissionen von Kernwaffen auf ihre Eindeutigkeit untersuchen. Die Analyse wird mit Hilfe von frei verfügbaren Simulationsprogrammen durchgeführt (OpenMC, Geant4), unter Nutzung öffentlich zugänglicher Wechselwirkungsdatenbanken. Das Projekt wird dabei in drei wichtige Ziele unterteilt sein:

• Ein Modell der Emissionen eines Sprengkopfes, basierend auf der Arbeit von Fetter et al. aus den frühen 1990er Jahren. Mit diesem Modell werden Ausgangswerte für Betrugsversuche bestimmt.
• Eine Analyse der Eindeutigkeit von Gamma-basierten Signaturen im Rahmen eines sog. “Template”-Ansatzes
• Eine Analyse der Eindeutigkeit von Neutronen-basierten Signaturen im Rahmen von Neutronenmultiplizitätsmessungen

Die Ergebnisse sollen anwendbar sein für weitere Forschung zu Verifikationstechnologien, und wird es Forscher*innen erlauben, ihre Anstrengungen auf solche Detektoren und Methoden zu konzentrieren, die “eindeutigere” Signaturen messen. Basierend auf den Ergebnissen können Schwerpunkte auf die Erfoschung von Technologien gelegt werden, die weniger betrugsanfällig sind.

Betrugsmöglichkeiten in nuklearen Verifikationsvereinbarungen, die Fähigkeiten der Internationalen Gemeinschaft solchen Betrug zu erkennen oder zu verhindern, und ganz allgemein Möglichkeiten der Verifikation einer kernwaffenfreien Welt sind Themen von hoher Relevanz für deutsche und internationale Entscheidungsträger*innen. Projektergebnisse werden ihnen helfen, mögliche Vorteile und Risiken existierender Messtechnologien zu verstehen, sowohl in bestehenden als auch in zukünftigen Rüstungskontroll- und Abrüstungskontexten.

Abstract

Nuclear warhead authentication is a key technology for nuclear disarmament verification. It typically relies on radioactive emissions of nuclear weapons, mainly neutrons and gamma particles. These emissions are treated as signatures of nuclear weapons for in verification purposes. In general, these signatures are considered unique. Existing research projects in the area of verification aim to improve detectors, optimize data acquisition systems, and develop completely new approaches and methods to record warhead emissions. However, no publicly available research has addressed the following questions: How unique are these signatures? How difficult would it be to cheat, i.e. to emulate the signatures by other means?

Questions of nuclear verification and potential cheating are critical for any serious international nuclear disarmament, arms control, and nonproliferation effort – and thus peace research more broadly. This project applies physics research to answer these questions. It suggests a novel approach to create a better understanding of the uniqueness of radioactive signatures emitted by nuclear warheads. The project outcome could have a significant impact on enhancing trust between states entering nuclear verification frameworks. Its results will enable the detection of non-compliance and thus discourage cheating as well as the selection of more resilient measurement technologies.

The research project will look at the nature of neutron and gamma emissions with the aim to prove/disprove the uniqueness of nuclear emissions. The analysis will be carried out using freely available computer simulation tools (OpenMC, Geant4), combined with publicly available nuclear interaction data bases. The project will produce the following three research milestones:

• A warhead radiation model, which will be based on work of Fetter et al. in the early 1990s and provide baseline emissions for cheating scenarios;
• an analysis of the uniqueness of signatures for a gamma-based template approach and
• an analysis of the uniqueness of radiation signatures for neutron multiplicity measurements.

Findings will be applicable to ongoing verification technology research, allowing researchers to focus their efforts on detectors and techniques that measure “more unique” signatures. Based on the results, development resources could be better allocated to focus on those technologies or technology combinations that are less prone to cheating.

More broadly, the possibility to cheat on nuclear verification agreements; the ability of the international community to detect and discourage cheating; and the potential verification, in general, of a world free from nuclear weapons are all topics of high policy relevance for national and international actors. Project results will inform policymakers to help them better understand benefits and potential risks of applying existing measurement technologies in current and future arms control and disarmament treaty contexts.