Plutoniumkontrolle mit Antineutrinos

  • 31. July 2014

Verlässliche Überwachung des Betriebs von Schwer­wasser­reak­toren.

Unter dem Deckmantel einer zivilen Nutzung der Kern­energie könnten einige Staaten versuchen, sich im Geheimen nuklear­waffen­fähiges Material zu verschaffen. So entsteht in Reaktoren, die Uran-235 spalten, Plutonium durch Neutronen­einfang aus Uran-238. Mit Einver­ständnis der Kraftwerks­betreiber überwacht die Interna­tionale Atom­energie-Organi­sation IAEO den Verbleib dieses Plutoniums. Dabei könnte ihr ein neues Verfahren helfen, das auf dem Nachweis von im Reaktor­kern produzierten Anti­neutrinos beruht.

Würde nach 270 Tagen der plutoniumhaltige Brennstoff im Reaktor IR-40 (blaue Kurve) gegen frischen Brennstoff (orange Kurve) ausgetauscht, ließe sich das anhand der veränderten Antineutrinostrahlung nachweisen. (Bild: E. Christensen et al. / APS)

Abb.: Würde nach 270 Tagen der plutonium­haltige Brennstoff im Reaktor IR-40 (blaue Kurve) gegen frischen Brenn­stoff (orange Kurve) ausgetauscht, ließe sich das anhand der veränderten Anti­neutrino­strahlung nachweisen. (Bild: E. Christensen et al. / APS)

Antineutrinos entstehen in Kern­reaktoren in riesiger Zahl – etwa 1020 pro Sekunde – beim Betazerfall von Uran- und Plutonium­isotopen. Das ermöglichte es Clyde Cowan und Frederick Reines 1956 am Savannah River-Reaktor die extrem flüchtigen Antineutrinos mit Szintillations­detektoren durch inversen Beta­zerfall nachzuweisen. Dabei fängt ein Proton ein Antineutrino ein und wandelt sich unter Abgabe eines Positrons in ein Neutron um. Die bei der Paar­vernichtung des Positrons entstehenden Gamma­quanten werden dann detektiert.

Bisher wurden Neutrino­detektoren nur in der Grundlagen­forschung eingesetzt. Doch sie könnten auch zur Kontrolle der Nicht­weiter­verbreitung von Kernwaffen beitragen, indem sie aufdecken, wenn Kraftwerks­betreiber heimlich aus dem Reaktor­kern Plutonium abzweigen. Davon sind Patrick Huber vom Center for Neutrino Physics am Virginia Tech in Blacksburg und seine Kollegen überzeugt. Sie haben für den Schwer­wasser­reaktor IR-40, der vom Iran bei Arak gebaut wird und schon jetzt für interna­tionale Verwick­lungen sorgt, eine Fall­studie erstellt.

Während die iranische Regierung beteuert, dass der Forschungs­reaktor IR-40 nur friedlichen Zwecken dienen und medizinisch genutzte Radio­isotope produzieren soll, ist man in Israel alarmiert. Mit der Anlage, die zehn Tonnen Natur­uran­dioxid enthält und eine thermische Leistung von 40 MW liefern soll, könnte man jährlich etwa zehn Kilogramm kern­waffen­fähiges Plutonium herstellen. Indem die IAEO den zukünftigen Betrieb des Reaktors möglichst lückenlos – und ohne ihn zu beein­trächtigen – überwacht, könnte sie die guten Absichten des Irans bestätigen und zugleich den Sorgen Israels Rechnung tragen.

Dazu könnte die IAEO einen Detektor für Anti­neutrinos unmittelbar am Reaktor­gebäude in 19 m Entfernung vom Reaktor­kern aufstellen. Der geplante Detektor enthält einen flüssigen oder festen Szintillator mit etwa 1030 Protonen. Das entspricht einer Masse von bis zu zwanzig Tonnen, die sich in einen Übersee­container verstauen lässt. Der Detektor sollte Anti­neutrinos mit einer Energie von etwa 2 MeV bis 8 MeV energie­aufgelöst nachweisen können. Was kann man mit solch einem Detektor herausfinden?

Da Uran energiereichere Antineutrinos abstrahlt als Plutonium, ändert sich das Strahlungs­spektrum des Reaktor­kerns mit zunehmender Betriebs­dauer: Aufgrund des ansteigenden Plutonium­gehalts wird die Anti­neutrino­strahlung immer „weicher“. Indem man mit dem Detektor zu unter­schied­lichen Zeiten jeweils 90 Tage lang die Energie der Anti­neutrinos registriert, kann man einen im Mittel 45 Tage alten Reaktorkern von einem durch­schnitt­lich 315 Tage alten eindeutig unter­scheiden. Nach dieser Zeit steigt der Gehalt an kern­waffen­fähigem Plutonium nicht mehr wesentlich an.

Der iranische Schwerwasserreaktor bei Arak. (Bild: Nanking2010 / Wikim. Comm.)

Abb.: Der iranische Schwerwasserreaktor bei Arak. (Bild: Nanking2010 / Wikim. Comm.)

Auf diese Weise kann man herausfinden, ob ein Reaktorkern nach 270 Tagen mit frischem Kern­brenn­stoff befüllt und der alte, plutonium­haltige Brenn­stoff entnommen wurde. So lässt sich noch die Entnahme von etwa zwei Kilogramm Plutonium nachweisen. Eine vorüber­gehende Abschaltung des Reaktors aus tech­nischen Gründen könnte man also nicht dazu nutzen, merkliche Mengen von Plutonium zu entnehmen. Auch nach einem längeren Abschalten des Reaktors könnte man dessen Plutonium­gehalt noch näherungs­weise ermitteln, indem man mit dem Detektor die Anti­neutrino­strahlung der lang­lebigen Zerfalls­produkte wie Strontium-90, Ruthenium-106 oder Cer-144 misst. Auch in diesem Fall ließe sich eine substantielle Plutonium­entnahme nicht verheimlichen.

Die Menge des vom Reaktor erzeugten Plutoniums ließe sich dadurch verringern, dass man statt Natur­uran schwach angereichertes Uran (LEU) als Brennstoff benutzt. Wie Patrick Huber und seine Kollegen zeigen konnten, lässt sich diese Änderung der Brenn­stoff­zusammen­setzung mit einem Neutrino­detektor nachweisen. Dazu verfolgt man anhand der emittierten Anti­neutrinos über einen längeren Zeitraum, wie sich der Gehalt des Brennstoffs an Uran-235 und Plutonium-239 ändert, wodurch eine Unter­scheidung zwischen Natururan und LEU möglich wird.

Die heute vorhandenen Neutrino­detektoren erreichen noch nicht die Empfindlichkeit, die für die Überwachung von Reaktoren benötigt wird. Doch inzwischen werden empfindlichere Detektoren entwickelt, mit denen man vielleicht schon in fünf Jahren einen Demons­trations­versuch starten könnte. Ein weiteres Problem ist die störende Hinter­grund­strahlung an der Erd­ober­fläche, die man bei bisherigen Neutrino­experimenten dadurch unterdrückt hat, dass man sie tief unter der Erde stattfinden ließ. Nach Meinung der Forscher könnte man einen Detektor auch schon mit einer Deck­schicht von geringerer Dicke gegen diese Strahlung abschirmen.

Rainer Scharf

OD

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