Kunnen geavanceerde kernreactoren terroristische bommen gebruiken?

Verschillende scenario’s voor het bereiken van een netto-nul CO2-uitstoot door elektriciteitsopwekking in 2050 zijn afhankelijk van het succes van enkele uiterst ambitieuze initiatieven op het gebied van hernieuwbare energiebronnen, netverbeteringen en andere gebieden. Misschien is niets gewaagder dan de beoogde renaissance van kernenergie, aangedreven door geavanceerde technologische reactoren die kleiner zijn dan traditionele kernreactoren.

Wat veel van deze reactoren gemeen hebben, is dat ze een soort brandstof gebruiken die High-Assay Low-Enriched Uranium (HALEU) wordt genoemd. De samenstelling varieert, maar voor de opwekking van elektriciteit bevat een typisch mengsel iets minder dan 20 massaprocent van de splijtbare isotoop uranium-235 (U-235). Dit staat in contrast met traditionele reactorbrandstoffen, die variëren van 3 tot 5 massaprocent U-235, en natuurlijk uranium, dat slechts 0,7 procent U-235 bevat.

Nu echter een nieuw artikel Wetenschap tijdschrift ontdekte een belangrijke fout in deze nucleaire optie: HALEU-brandstof zou theoretisch kunnen worden gebruikt om een ​​splijtingsbom te maken – een feit dat de auteurs van het artikel gebruiken om te pleiten voor strengere regels voor de toegang en het transport van het materiaal. Onder de vijf auteurs van het artikel, getiteld “The Weapons Potential of High-Test Low-Enriched Uranium”, bevindt zich IEEE Life Fellow Richard L. Garwin. Garvin was een sleutelfiguur achter het ontwerp van de thermonucleaire bom, die in 1952 werd getest.

De Wetenschap Het artikel is niet het eerste dat pleit voor een herbeoordeling van het nucleaire proliferatierisico van HALEU-brandstof. Een rapport dat vorig jaar door de National Academies werd gepubliceerd, “The Merits and Viability of Diverse Nuclear Fuel Cycle and Technology Options and Aspects of Waste from Advanced Nuclear Reactors”, wijdde een groot hoofdstuk aan de risico’s van HALEU-brandstof. Er werden soortgelijke technische conclusies getrokken als die van Wetenschap artikel, maar ging niet zo ver in zijn aanbevelingen met betrekking tot de noodzaak om de regelgeving aan te scherpen.

Waarom is HALEU-brandstof een probleem?

Algemeen werd aangenomen dat concentraties van U-235 onder de 20 procent niet bruikbaar waren voor een bom. Maar “we vonden deze getuigenis in 1984 van het hoofd van de theorieafdeling in Los Alamos, die feitelijk bevestigde dat het inderdaad voor 10 procent bruikbaar was”, zegt R. Scott Kemp van MIT, een andere auteur van het artikel. . “Je hebt dus niet eens centrifuges nodig, en dat is hier echt belangrijk.”

Moeizaam in cascade geplaatste centrifuges zijn de standaardmiddelen voor het verrijken van uranium tot bommateriaal, en vereisen schaarse en dure middelen, expertise en materialen om te kunnen functioneren. In feite heeft de moeilijkheid om dergelijke cascades op industriële schaal te bouwen en te exploiteren al tientallen jaren gediend als een effectief afschrikmiddel voor potentiële bouwers van kernwapens. Elke weg naar kernwapens die verrijking omzeilt, zou dus ongetwijfeld een gemakkelijker alternatief bieden. De vraag is nu: hoeveel makkelijker?

“Het is geen erg goede bom, maar hij kan afgaan en allerlei soorten schade aanrichten”

Wat de kwestie nog urgenter maakt, is de verwachte goudkoorts in HALEU, na jaren van stilzwijgende steun van de Amerikaanse regering. Het Amerikaanse ministerie van Energie geeft miljarden uit om de brandstofproductie uit te breiden, waaronder 150 miljoen dollar die in 2022 wordt toegekend aan een dochteronderneming van Centrus Energy Corp., het enige particuliere bedrijf in de VS dat uranium verrijkt tot HALEU-concentraties. (Buiten de Verenigde Staten produceren alleen Rusland en China HALEU in aanzienlijke hoeveelheden.) De overheidssteun strekt zich ook uit tot bedrijven die reactoren bouwen die HALEU zullen gebruiken. De twee grootste reactorontwikkelaars, Terrapower (gedeeltelijk gesteund door Bill Gates) en X-Energy, hebben reactoren ontworpen die draaien op vormen van HALEU-brandstof en hebben miljarden aan financiering ontvangen in het kader van een DOE-programma genaamd Advanced Reactor Demonstration Projects.

De moeilijkheid van het bouwen van een bom op basis van HALEU is een duister onderwerp, aangezien veel van de specifieke technieken en praktijken van het ontwerpen van kernwapens geheim zijn. Maar basisinformatie over een standaardtype splijtingswapen, bekend als een implosieapparaat, is al lang bekend bij het publiek. (De eerste twee implosie-apparaten werden in 1945 tot ontploffing gebracht, één tijdens de Trinity-test en de andere boven Nagasaki, Japan.) Het implosie-apparaat is gebaseerd op een holle bol van nucleair materiaal. In moderne wapens is dit materiaal doorgaans plutonium-239, maar het kan ook een mengsel van uraniumisotopen zijn dat een percentage U-235 bevat, variërend van 100 procent tot, blijkbaar, ongeveer 10 procent. De bol is omgeven door gevormde chemische explosieven die tegelijkertijd tot ontploffing komen, waardoor een schokgolf ontstaat die de bol fysiek samendrukt, waardoor de afstand tussen de atomen kleiner wordt en de kans groter wordt dat neutronen die door hun kernen worden uitgezonden andere kernen tegenkomen en deze uit elkaar splijten, waardoor meer neutronen vrijkomen. . Naarmate de bol kleiner wordt, gaat deze van een subkritische toestand, waarin de kettingreactie van neutronen die kernen splitsen en andere neutronen creëren, niet kan worden volgehouden, naar een kritische toestand waarin dat wel kan. Naarmate de bol verder wordt samengedrukt, bereikt deze superkriticiteit, waarna de geïnjecteerde vloed van neutronen een supersnelle, op hol geslagen kettingreactie veroorzaakt die een splijtingsexplosie is. Dit alles gebeurt in minder dan een milliseconde.

Auteurs Wetenschap de krant moest een dunne lijn bewandelen tussen het niet onthullen van al te veel details over het ontwerp van het wapen en toch duidelijk aangeven hoe groot de uitdagingen waren bij het bouwen van een op HALEU gebaseerde bom. Ze erkennen dat de hoeveelheid HALEU-materiaal die nodig is voor een bom van 15 kiloton – ongeveer net zo krachtig als de bom die Hiroshima tijdens de Tweede Wereldoorlog verwoestte – relatief groot zou zijn: in de honderden kilogrammen, maar niet meer dan 1.000 kg. Ter vergelijking: ongeveer 8 kg Pu-239 is voldoende om een ​​kernsplijtingsbom van bescheiden verfijning te maken. Elke HALEU-bom zou proportioneel groter zijn, maar nog steeds klein genoeg om te worden afgeleverd “met behulp van een vliegtuig, bestelwagen of boot die de haven van de stad binnenkwam”, schreven de auteurs.

Ze erkenden ook een belangrijke technische uitdaging voor potentiële wapenmakers die HALEU willen gebruiken om een ​​bom te bouwen: pre-initiatie. Een grote hoeveelheid U-238 in het materiaal zou veel neutronen produceren, wat mogelijk zou resulteren in een voortijdige nucleaire kettingreactie. Dit zou de energie uit de daaropvolgende, geïnitieerde, op hol geslagen kettingreactie wegnemen, waardoor de opbrengst van het explosief zou worden beperkt en wat in de atoombommenwereld bekend staat als een ‘fizzle’ zou ontstaan. Echter, “hoewel pre-initiatie een grotere impact kan hebben op sommige ontwerpen dan andere, kunnen zelfs degenen die er vatbaar voor zijn nog steeds verwoestende explosieve kracht produceren”, concluderen de auteurs.

Met andere woorden: “Het is geen erg goede bom, maar hij kan afgaan en allerlei soorten verwoestingen veroorzaken”, zegt John Lee, emeritus hoogleraar kerntechniek aan de Universiteit van Michigan. Lee leverde een bijdrage aan het rapport van de National Academies uit 2023, waarin ook naar de risico’s van HALEU-brandstof werd gekeken en beleidsaanbevelingen werden gedaan die vergelijkbaar waren met die van Wetenschap papier.

Critici van de krant beweren dat de uitdagingen van het bouwen van een HALEU-bom, hoewel niet onoverkomelijk, de niet-statelijke groep zouden belemmeren. En een nationaal wapenprogramma, dat waarschijnlijk over de middelen zou beschikken om ze te verslaan, zou niet geïnteresseerd zijn in een dergelijke bom, vanwege de beperkingen en relatieve onbetrouwbaarheid ervan.

‘Daarom heeft het IAEA [International Atomic Energy Agency]zeiden in hun wijsheid: ‘Dit is geen materiaal voor direct gebruik’, zegt Steven Nesbit, een adviseur op het gebied van nucleaire techniek en voormalig voorzitter van de American Nuclear Society, een professionele organisatie. “Het is gewoon geen realistisch pad naar kernwapens.”

De Wetenschap De auteurs sluiten hun artikel af met de aanbeveling dat het Amerikaanse Congres de National Nuclear Security Administration (NNSA) van DOE opdracht geeft een “nieuwe beoordeling” uit te voeren van de risico’s van HALEU-brandstof. In reactie op een e-mailaanvraag van IEEE-spectrumNNSA-woordvoerder Craig Branson antwoordde: “Om de doelstellingen van nulemissie te bereiken, hebben de Verenigde Staten prioriteit gegeven aan het ontwerp, de ontwikkeling en de inzet van geavanceerde nucleaire technologieën, waaronder geavanceerde en kleine modulaire reactoren. Velen zullen op HALEU vertrouwen om kleinere ontwerpen, langere bedrijfscycli en grotere efficiëntie te realiseren ten opzichte van de huidige technologieën. Ze zullen essentieel zijn voor onze inspanningen om koolstofarm te worden en tegelijkertijd aan de groeiende vraag naar energie te voldoen. Naarmate deze technologieën zich verder ontwikkelen, hebben het ministerie van Energie en NNSA programma’s opgezet om met bereidwillige industriële partners samen te werken om de risico’s te beoordelen en de veiligheid, beveiliging en bescherming van hun ontwerpen te verbeteren.”

De Wetenschap de auteurs riepen ook de Amerikaanse Nuclear Regulatory Commission (NRC) en het IAEA op om de manier waarop zij HALEU-brandstof categoriseren te veranderen. Onder de huidige NRC-indeling vallen zelfs grote hoeveelheden HALEU nu onder Categorie II, wat betekent dat veiligheidsmaatregelen gericht zijn op het vroegtijdig opsporen van diefstal. De auteurs willen dat voor wapens relevante hoeveelheden HALEU worden geherclassificeerd als categorie I, evenals plutonium van wapenkwaliteit of met bommen verrijkte hoeveelheden hoogverrijkt uranium. Categorie I zou een veel strengere beveiliging vereisen, met de nadruk op diefstalpreventie.

Nesbit spot met de suggestie, daarbij verwijzend naar de moeilijkheid om misschien een ton nucleair materiaal in beslag te nemen. “Het blindelings toepassen van alle lasten die gepaard gaan met het beschermen van kernwapens op zoiets als dit is gewoon buitensporig”, zegt hij.

Maar Lee, die in de jaren tachtig experimenten uitvoerde met HALEU-brandstof, is het met zijn collega’s eens. “Dick Garwin en Frank von Hipple [and the other authors of the Science paper] ze stelden enkele echte vragen”, verklaart hij. “Ze vinden dat de NRC meer voorzorgsmaatregelen moet nemen. Ik ben er helemaal voor.”