Atomenergie und Atomwaffen – eine gefährliche Verbindung

Als in den 1930er Jahren klar wurde, dass eine Spaltung (Fission) von Atomkernen möglich ist, begannen in einer Reihe von Ländern sogleich wissenschaftliche Projekte, die Möglichkeiten für technische Anwendungen untersuchten, vorrangig die Möglichkeit für eine völlig neuartige und gewaltige Waffe. Der Beginn des Zweiten Weltkrieges – ausgelöst durch die deutschen Faschisten – kann als »außerwissenschaftlicher« Trigger für die ersten Atomwaffenprogramme gelten.

Zunächst konzentrierte man sich auf die Möglichkeit einer unkontrollierten Kettenreaktion in ausreichenden Mengen von Uran-235. Da dieses Isotop im Uranerz nur in sehr kleinen Anteilen enthalten ist, mussten Technologien zur Anreicherung von Uran entwickelt werden. Nur wenn das Verhältnis von Uran-235 zu Uran-238 von ursprünglich 1:140 auf mindestens 4:1 erhöht werden konnte und damit die Produktion von hoch angereichertem Uran (HEU) gelang, konnte man sicher sein, dass eine Atomwaffe konstruierbar war. Durch einfaches Aufeinanderschießen von zwei zunächst noch unterkritischen Massen hoch angereicherten Urans entsteht eine überkritische Masse, in der dann eine unkontrollierte Kettenreaktion gestartet wird. Dieses Prinzip reicht für eine Atomwaffe aus. Bekanntlich gelang es in den USA nach gewaltigen Anstrengungen, bis 1945 genügend Uran für die Hiroshima-Bombe anzureichern. Diese einfache Uranbombe konnte ohne vorhergehenden Test eingesetzt werden.

Die Wurzeln: Physik, Nukleartechnologie und die Bombe

Schon 1940 wurde den Physikern klar, dass Uran-238 dazu neigt, Neutronen einzufangen, wobei ein neues Element entsteht, das später Plutonium genannt wurde und sich ebenfalls hervorragend für die Bombe eignet. Bei Verwendung von Plutonium wird sogar deutlich weniger spaltbares Material benötigt: Die notwendige »kritische Masse« liegt – wenn keine weiteren Effekte wie die Kompression durch konventionellen Sprengstoff und bestimmte Designtricks berücksichtigt werden – je nach Isotopenzusammensetzung bei 10-15 Kilogramm anstatt etwa 50 Kilogramm im Falle von HEU. Auf die aufwändige Urananreicherungstechnologie kann in diesem Fall verzichtet werden. Allerdings benötigt man nun eine Neutronen produzierende Anlage, in der Natururan zu Plutonium transmutiert wird. Dies wussten auch die deutschen Atomwissenschaftler um Heisenberg, die sich bis 1945 vergeblich mühten, eine »Uranmaschine« in Betrieb zu setzen. Schneller waren die Konkurrenten in den USA, die schon 1942 einen Uranreaktor »kritisch« machten und erstmals eine kontrollierte Kettenreaktion technisch demonstrieren konnten.

Der alternative Pfad zur Bombe, der über die Plutoniumproduktion im Reaktor eröffnet wurde, brachte neben seinen Vorteilen aber auch neue Schwierigkeiten. Eine (kernchemische) Technologie zur Abtrennung von Plutonium aus dem bestrahlten, nunmehr hoch radioaktiv gewordenen Uranbrennstoff musste erfunden werden. Und wenn es gelingt, Plutonium aus dem Reaktor zu gewinnen, taucht eine weitere Hürde auf. Das entstandene Plutonium setzt sich aus einer ganzen Reihe verschiedener Isotope zusammen, und die geradzahligen Isotope weisen für eine Waffenanwendung problematische Eigenschaften auf. So besteht eine gewisse Wahrscheinlichkeit, dass Plutonium-240 und Plutonium-242 sich spontan spalten, ohne Anstoß eines von außen kommenden Neutrons. In einer Waffe kann dies zur Frühzündung führen: Ein Neutron aus Spontanspaltung in Plutonium kann die Kettenreaktion starten, bevor die optimale Kompression des Plutoniums durch den umgebenden konventionellen Sprengstoff erfolgt ist. Das Bombenmaterial fliegt durch die erzeugte Spaltenergie möglicherweise schon so früh auseinander, dass die weitere Spaltung von Plutonium trotz der zunächst lawinenartig wachsenden Neutronenmenge bald wieder zum Erliegen kommt. Insgesamt wächst die Wahrscheinlichkeit, dass nur ein kleinerer Teil des Plutoniums tatsächlich gespalten wird und somit die ungeheure Macht der nuklearen Explosion begrenzt bleibt.

Diese Problematik konnte bewältigt werden, allerdings nur, weil ein im Vergleich mit der Uranbombe weit aufwändigeres Bombendesign entwickelt wurde. Insbesondere mussten technische Vorkehrungen für eine möglichst exakt konzentrische Kompression einer Plutoniumhohlkugel getroffen werden. Am 16. Juli 1945 wurde in der Wüste von New Mexico erstmals eine Plutoniumwaffe erfolgreich getestet und wenige Wochen später gegen die japanische Stadt Nagasaki eingesetzt.

Nach dem Zweiten Weltkrieg gingen die Atomwaffenprogramme in den dominierenden Großmächten ungezügelt weiter. In den frühen 1950er Jahren wurde die zweite Generation von Kernwaffen erfolgreich getestet, die eine noch weit größere Zerstörungskraft besitzen. Diese Technologie basiert auf der Verschmelzung (Fusion) von leichten Elementen (genutzt wird z.B. Lithiumdeuterid und der sog. superschwere Wasserstoff Tritium), die durch die Strahlungsenergie einer unmittelbar zuvor gezündeten Spaltbombe ausgelöst wird. Diese fortgeschrittene thermonukleare Waffentechnologie wurde zur Grundlage für die fürchterlichen Kapazitäten des vielfachen Overkill, die die Vorherrschaft der neuen Supermächte USA und Sowjetunion begründeten.

Tritium kommt in den Kernwaffenprogrammen fortgeschrittener Kernwaffenstaaten noch eine weitere wesentliche Bedeutung zu: Kleinstmengen von 1-2 Gramm können, in geeigneter Weise in die Spaltstoffzone einer Atomwaffe eingebracht, durch die dort entstehenden hohen Temperaturen zur Fusion gebracht werden. So entsteht eine zusätzliche Neutronenlawine, durch die die Spaltausbeute der Waffe erheblich gesteigert wird. Solche Booster-Bomben erzielen ein Vielfaches der Sprengkraft gegenüber den ersten Atombombendesigns und sie öffneten den Weg zur Verkleinerung der Sprengkörper (wichtig z.B. für Raketensprengköpfe) bei gleichzeitiger Effektivierung der Bombenwirkung, der in den etablierten Kernwaffenstaaten konsequent verfolgt wurde.

Atomenergieprogramme

Der Test der ersten Wasserstoffbombe der Sowjetunion brachte die US-Regierung dazu, Ende 1954 das »Atoms for Peace«-Programm zu verkünden. Noch bestand offenbar die Hoffnung, die Verbreitung (Proliferation) der gefährlichen Atombombentechnologie aufhalten und dabei zivile Früchte der militärischen Entwicklungen als weltweites Angebot nutzen zu können. In den späten 1950er Jahren gingen die ersten Reaktoren für die Stromproduktion in Betrieb. In den 1970er Jahren wurden insbesondere Leichtwasserreaktoren zu Exportschlagern in den jeweiligen politischen Lagern. Auch Natururan nutzende Reaktoren – vorrangig aus Kanada -, die besonders gut zur Plutoniumproduktion ohne Notwendigkeit der Urananreicherung geeignet sind, fanden ihren Weg in andere Länder, z.B. Indien.

Heute werden in 31 Staaten Reaktoren für die Stromerzeugung betrieben. Manche Länder haben eine extrem hohe Atomstromquote, aber insgesamt werden fast 50 Jahre nach Inbetriebnahme des ersten kommerziellen Reaktors lediglich 16% des Weltstrombedarfs nuklear erzeugt (das entspricht einem nuklearen Primärenergieanteil von nicht einmal 6%). In der sich entwickelnden Welt konnten oder wollten nur ganz vereinzelt Staaten ernsthaft ins Atomgeschäft einsteigen.

Zum Betrieb von Leichtwasserreaktoren, die bis heute weltweit dominieren, wird Uran in einer schwachen Anreicherung von etwa 3-4% benötigt. Dazu werden Anreicherungstechnologien genutzt, die bereits für Waffenprogramme benötigt worden waren. In den Reaktoren, den »Uranmaschinen«, entsteht beim Abbrand der Uranbrennstäbe – wie oben besprochen – als Nebenprodukt naturnotwendig Plutonium (etwa 250 Kilogramm jährlich pro Gigawatt Reaktorleistung).

Plutonium taugt nicht nur als Spaltstoff für Bomben, sondern kann selbst wiederum als Brennstoff für entsprechend ausgelegte Reaktoren dienen. Allerdings entstehen bei der Produktion plutoniumhaltiger Brennelemente enorme Zusatzkosten, so dass eine wirtschaftliche Attraktivität für die absehbare Zukunft nicht existiert. Die Reaktorbetreiber ziehen daher eigentlich Uranbrennstoff vor. Dennoch wird seit Jahrzehnten in einer Reihe von Ländern Plutonium aus abgebrannten Brennelementen abgetrennt. Basis ist dabei die Wiederaufarbeitung, die für Waffenprogramme entwickelt wurde. Als Grund wird angeführt, dass man um die begrenzten wirtschaftlich sinnvoll ausbeutbaren Uranvorräte der Welt wisse und daher kein potenzieller Spaltstoff verschwendet werden dürfe. Es müsse sogar dafür gesorgt werden, dass zusätzlicher Spaltstoff produziert wird, am besten genug für mindestens tausend Jahre. Dies wäre nur mit Hilfe von Brutreaktoren machbar, denn durch Plutoniumnutzung in Form von Uran-Plutonium-Mischoxid (MOX) in Leichtwasserreaktoren werden die Uranvorräte nur geringfügig gestreckt.

Im Kern schneller Brüter soll Plutonium als Brennstoff dienen. Gleichzeitig soll in einem Brutmantel aus Natururan mehr Plutonium gewonnen werden als für den Betrieb eingesetzt wurde. Das zusätzlich produzierte Plutonium bestünde fast ausschließlich aus Plutonium-239. Dieses Plutonium ist aber auch für Waffenanwendungen besonders begehrt, weil die oben angedeuteten Probleme beim Bau von Plutoniumwaffen deutlich reduziert würden. Für den gewünschten Zugriff auf den Spaltstoff wäre die Wiederaufarbeitung zwingend. Jahrzehntelange Bemühungen zur Realisierung eines funktionstüchtigen Brutreaktors haben aber nirgends zum Erfolg geführt. Über kleinere Versuchsbrüter ist man praktisch nicht hinausgekommen. Die extremen Herausforderungen an die Sicherheits- und Materialtechnik konnten bislang nicht bewältigt werden.

Eine andere nukleare Zukunftsoption, die schon seit Jahrzehnten in aufwändigen und teuren Forschungsprogrammen verfolgt wird, könnte in Fusionsreaktoren bestehen. Fast alle Konzepte sehen Deuterium und Tritium als Brennstoff vor. Fusionsreaktoren hätten einen Bedarf von etwa 100 Kilogramm Tritium pro Jahr, das im Reaktor selbst aus Lithium erbrütet würde. Mit einem ersten kommerziellen Reaktor rechnet man allerdings nicht vor 2050. Die wissenschaftliche und technische Machbarkeit sowie die ökonomische Attraktivität müssen erst noch demonstriert werden.

Die großen Fusionsexperimente, wie das internationale ITER-Projekt, haben allerdings bereits in näherer Zukunft einen Tritiumbedarf, der bisherige zivile Umgangs- und Handelsmargen bei weitem übertrifft. Tritium wird bislang vor allem für die etablierten Atomwaffenprogramme produziert, da es mit einer Halbwertszeit von etwa 12 Jahren zerfällt und daher regelmäßig ausgetauscht wurden muss. In einigen Atomwaffenstaaten (wie USA und Frankreich) wird ein Zweig der Fusionsforschung besonders gefördert, der schon jetzt und durch die im Aufbau befindlichen Großexperimente militärischen Nutzen verspricht: Die so genannte Trägheitseinschlussfusion hat so große Nähe zur Physik thermonuklearer Waffen, dass sie für ein grundlegendes Verständnis der Waffenphysik und für Kernwaffen-Simulationsexperimente höchst attraktiv erscheint.

Weiterverbreitung und Dual-use

Zu den fünf »offiziellen« Atommächten sind inzwischen vier weitere hinzugekommen: Israel, Indien, Pakistan und nach eigenen Angaben auch Nordkorea. Wie war das möglich trotz der internationalen Bemühungen um Nichtweiterverbreitung?

Eine wichtige Erklärung ist, dass Atomenergieprogramme nunmehr als Wurzel für militärische Programme dienen können (Dual-use). Ein enger Zusammenhang zwischen Atomwaffen- und Atomenergieprogrammen erklärt sich schon aus der oben knapp skizzierten Entwicklungsgeschichte der Nuklearforschung und Atomtechnologie.

Die genannten Staaten haben sich das offensichtliche Dual-use-Potenzial nuklearer Forschung, von Technologien und Materialien zu Nutze gemacht. Unter dem Deckmantel ziviler Absichten ist vieles möglich, was letztlich einem Waffenprogramm dient. Es hat sich herausgestellt, dass diese Versuchung in den 1960er und 1970er Jahren auch in einigen europäischen und asiatischen Ländern und später in manchen afrikanischen und südamerikanischen Staaten bestand. Diese haben schließlich auf Waffenprogramme verzichtet – manche allerdings nur unter massivem politischen Druck von außen. Dafür waren sicher auch politische Gründe ausschlaggebend, die interessante Aufschlüsse für heutige Bemühungen um Nichtverbreitung geben könnten.

Die nachholende Entwicklung in einigen Ländern setzt häufig auf ambivalente, zivil wie militärisch nutzbare Technologien, was einerseits mit wirtschaftlichen Beweggründen erklärbar ist, aber andererseits auch den Aufbau gefährlicher militärischer Potenziale ermöglicht.

Überall, wo Anreicherungstechnologien beherrscht werden – und noch offensichtlicher dort, wo sie in zivilen Atomenergieprogrammen tatsächlich zum Einsatz kommen –, besteht im Prinzip die Möglichkeit der Hochanreicherung von Uran für Waffen. Wird HEU im zivilen Kontext eingesetzt, ist die Abzweigung für Waffenzwecke grundsätzlich nicht auszuschließen.

Überall, wo die Plutoniumabtrennung beherrscht wird oder kommerzielle Wiederaufarbeitungsanlagen betrieben werden, besteht in Kombination mit dem Betrieb von Leistungs- oder größeren Forschungsreaktoren im Prinzip die Möglichkeit, an Plutonium für die Waffenproduktion heranzukommen. Die Plutoniumnutzung im Bereich der Energiewirtschaft birgt somit erhebliche Proliferationsgefahren. Bereits heute liegen weltweit etwa 250 Tonnen abgetrenntes Plutonium aus zivilen Beständen vor (etwa eben soviel wie in den gewaltigen Waffenprogrammen der Atommächte).

Sensitive Technologien, wie verschiedene Methoden der Urananreicherung oder die Plutoniumabtrennung in Wiederaufarbeitungsanlagen, werden heute in etwas mehr als 20 Staaten prinzipiell beherrscht oder großtechnisch betrieben.

Bereits die gegenwärtige MOX-Brennstoffnutzung muss beunruhigen, da der damit verbundene Umgang mit Plutonium vielfältige Abzweigungsmöglichkeiten für Waffenprogramme schafft. Flächendeckende Brüterprojekte, die gegenwärtig (zum Glück) nicht in Sicht sind, würden diese Problematik dramatisch verschärfen.

Daneben sind alle starken Neutronenquellen ﷓ nicht nur Reaktoren, sondern auch moderne, genügend leistungsstarke Beschleuniger für die Forschung ﷓ potenziell für die Produktion von kernwaffenfähigen Materialien geeignet.

Hier zeigt sich die Janusköpfigkeit gegenwärtiger Nukleartechnologie. Fortgeschrittene Nuklearforschungs- und Atomenergieprojekte schaffen wesentliche und unverzichtbare Voraussetzungen für Atomwaffenprogramme und senken damit die Schwelle zum stets denkbaren Zugriff auf die Bombe.

Der Generaldirektor der Internationalen Atomenergieorganisation (IAEO), ElBaradei, zitierte mehrfach Befürchtungen, nach denen bis zu 40 Länder das Know-how für Kernwaffen bereits zur Verfügung hätten. Das mag man für übertrieben halten, aber der Betrieb von Leistungsreaktoren kann als ein Indiz für ausreichende wissenschaftliche und technische Fähigkeiten gelten. Etwa 60 Länder betreiben Forschungsreaktoren. In knapp 40 Ländern wird dabei noch immer mit waffenfähigem HEU hantiert (wenn auch zumeist in kleineren Mengen).

Gefahren verringern

Wenn nach Umgangsweisen mit der bedrohlichen Proliferationsdynamik gesucht wird, muss an erster Stelle die Einsicht stehen, dass die Gefahren bereits durch den Zugang zu sensitiven Technologien und Materialien entstehen. Hier liegt die Wurzel des Problems, neben den stets dem Wandel unterworfenen politischen Zielsetzungen. Mehr noch: Die Erlangung technischer Fähigkeiten ist auf längere Sicht irreversibel, politische Macht und politische Regelungen sind demgegenüber höchst instabil oder verändern sich sogar entsprechend den technischen Möglichkeiten.

Da die Wurzel in der Ambivalenz der Nukleartechnologie liegt, die bereits in ihre Entstehungsgeschichte eingeschrieben ist, kommt man dem Proliferationsproblem letztlich auch nicht durch Sicherungsmaßnahmen (Safeguards) der IAEO bei. Ihre politische Wirkung soll damit nicht völlig in Frage gestellt werden, aber grundsätzlich handelt es sich bei den Safeguards um nachträgliche Maßnahmen, die lediglich nachgeordnet und sehr begrenzt wirksam werden können und überdies fest an die aktuellen politischen Randbedingungen angekoppelt sind, die so wandelbar sind, dass sie sogar zu einem außer Kraft setzen zuvor existenter Safeguards-Vereinbarungen führen können (aktuelles Beispiel Nordkorea). Durchgreifende Verbesserungen wären nur denkbar bei einem bewussten und tief greifenden Souveränitätsverzicht der Staaten und einem völlig veränderten Problembewusstsein bei den Anlagenbetreibern und -entwicklern. Die bloße Existenz von Safeguards als Freibrief für die Arbeit mit sensitiven, proliferationrelevanten Technologien und Materialien zu betrachten, muss jedenfalls auf längere Sicht als fatale Fehleinschätzung angesehen werden.

Auch einseitige Exportkontrollen derjenigen Staaten, die sensitive Technologien bereits selbst beherrschen, können bestenfalls für eine Atempause sorgen. Es hat sich gezeigt, dass Staaten, die von Exportkontrollen betroffen sind, solche Maßnahmen durch Eigenentwicklungen mittelfristig unterlaufen können. Überdies ist höchst fraglich, ob ein System, das einigen Ländern Zugang zu sensitiven Technologien erlaubt, anderen aber verbietet, auf Dauer stabil (und gerecht) ist. Daraus kann umgekehrt sogar ein Stimulus für eigenständige Entwicklungen im sensitiven Bereich erwachsen.

Es ist daher dringlich, über Safeguards-Maßnahmen hinaus zu denken. Unter pragmatischer Perspektive, die davon ausgeht, dass eine größere Zahl von Ländern noch für längere Zeit auf Nukleartechnologie setzen, ist vor allem das Konzept der Proliferationsresistenz interessant. Hier liegt eine Chance darin, dass sich nicht jede zivil nutzbare Nukleartechnologie oder jedes Nuklearmaterial gleichermaßen auch für Atomwaffen eignet. Nukleartechnologien, auf deren Nutzung man nicht verzichten will, könnten robust gemacht werden gegen Proliferationsszenarien. Dazu muss die Auslegung der Technologie selbst so verändert werden, dass der Zugriff auf waffengrädiges Nuklearmaterial ausgeschlossen ist.

Ein gutes illustratives Beispiel ist der technisch machbare weltweite Verzicht auf hochangereichertes Uran (HEU) in Forschungsreaktoren. Als Alternative zu HEU stehen schwach angereicherte aber hochdichte Brennstoffe zur Verfügung, die nicht waffengrädig sind. Die notwendige Umrüstung der Forschungsreaktoren muss jeweils konkret bedacht und durchgesetzt werden. Dies gilt gerade auch für den neuen Münchner Reaktor FRM-II. Diese wesentliche Maßnahme zur Reduzierung der Proliferationsgefahren an ihrer Quelle ist nicht-diskriminierend, sie kann und muss demgemäß Gültigkeit für alle Staaten bekommen.

Ob Proliferationsresistenz zum durchschlagenden Kriterium auch für die gegenwärtig in Entwicklung befindlichen Nukleartechnologien werden könnte, ist zur Zeit nicht absehbar. Erste Schritte in diese Richtung können bislang überhaupt nicht überzeugen. Wenn nukleare Technologien eine Zukunft bekommen sollten, müssten zuvor überdies weitere zentrale Gefahrenpotenziale (wie in den Bereichen Anlagensicherheit und Atommüll) durch tragfähige Ansätze der Technikgestaltung beseitigt werden. Dazu gehört zweifellos auch, dass Angriffe auf Nuklearanlagen keine katastrophalen Folgen haben dürfen, was zur Zeit für weit mehr als 500 Anlagen in der Welt nicht gegeben ist.

Die gegenwärtige Atomkraftnutzung stellt aus meiner Sicht eine unübersehbare Gefahr für den Weltfrieden dar. Der klügste Ansatz wäre daher ein Verzicht auf diesen gefährlichen Pfad der Energiegewinnung. Mindestens müssten die für unverzichtbar gehaltenen Nukleartechnologien proliferationsresistent gemacht werden. Ansonsten bleibt nur die Gestaltung von Forschung und Technik in übergreifender Perspektive. Demgemäß geht es bereits heute um eine zukunftsfähige Gestaltung des Energiesystems insgesamt. Eine große Herausforderung für Forschung, Dienstleistungsunternehmen, Industrie und die gesamte Gesellschaft.

Dr. Wolfgang Liebert ist wissenschaftlicher Koordinator der Interdisziplinären Arbeitsgruppe Naturwissenschaft, Technik und Sicherheit (IANUS) der Technischen Universität Darmstadt.

Dieser Artikel erschien in der Ausgabe 1/2006 der Zeitung Wissenschaft und Frieden. Wir bedanken uns für die freundliche Genehmigung der Veröffentlichung dieses Artikels durch die Redaktion.

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