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Pilzwolke nach einer Atomexplosion

Wie das Verborgene entdeckt werden kann

Kernwaffentests dienen Staaten meist dazu, der Welt zu demonstrieren, dass sie über die Atombombe verfügen. Aber wie kann die internationale Staatengemeinschaft wissen, ob eine unterirdische Detonation tatsächlich ein nuklearer Test war? Forscher weltweit beobachten zur Identifikation Stoßwellen, Edelgaskonzentrationen und akustische Signale.

Atomtests 25.06.2013

Auf welche Probleme die Wissenschaft trotz ausgeklügelter Monitoringsysteme und einer immer schnelleren Auswertung immer wieder stößt, berichteten Experten bei einer internationalen Tagung in Wien.

Die Tagung:

Die "Science and Technology Conference 2013" der Organisation des Vertrags über das umfassende Verbot von Nuklearversuchen, CTBTO fand von 17. bis 21. Juni 2013 in Wien statt. Forscher aus aller Welt berichteten über Methoden und Probleme bei der Identifikation von Atomtests und den Stand der Verhandlungen zum weltweiten Inkrafttreten eines Atomwaffentestverbots.

Der Vertrag:

Der Vertrag zum Stopp aller Kernwaffentests (Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty, CTBT) wurde von der Abrüstungskonferenz der UNO ausgearbeitet und liegt seit September 1996 zur Unterzeichnung auf. Insgesamt 44 Staaten weltweit, denen das Potenzial für Kernwaffen zugeschrieben wird, müssen den Vertrag unterzeichnen und ratifizieren, damit er in Kraft tritt - acht fehlen noch: China, Ägypten, Indien, Iran, Israel, Nordkorea, Pakistan und die USA.

Ö1 Sendungshinweis:

Über die CTBTO-Konferenz berichtete auch "Wissen Aktuell" am 17. Juni 2013 um 13.55 Uhr.

Demonstration der Stärke

Wenn ein Staat heute einen Atomwaffentest durchführt, kann er das mit zwei verschiedenen Zielen tun: Entweder er macht es ganz offen, weil er Stärke zeigen und beweisen möchte, dass er über nukleare Sprengsätze verfügt. Oder aber er macht es im Verborgenen, weil er sich selbst nicht ganz sicher ist, ob die Detonation tatsächlich so klappt wie geplant. In beiden Fällen stehen Forscher weltweit vor dem Problem, dass sie die nukleare Natur des Sprengsatzes möglichst schnell belegen sollten. Schließlich stellt das eine Verletzung internationalen Rechts dar und hat weitreichende Konsequenzen für die internationale Diplomatie.

Um Tests - egal, ob sie an der Erdoberfläche oder unterirdisch bzw. in den Ozeanen stattfinden - möglichst schnell verifizieren zu können, gibt es ein von der CTBTO betriebenes internationales Monitoringsystem mit 337 Stationen weltweit, von denen sich 170 der Erfassung von seismischen Wellen widmen. Die Hauptaufgabe ist es, Wellen von Atomtests von solchen zu unterscheiden, die von chemischen Explosionen und Erdbeben ausgehen. Unterstützung erhält die CTBTO von den Incorporated Research Institutions for Seismology (IRIS). Im Rahmen dieses Netzwerks werden rund 150 Messstationen weltweit betrieben - alle davon arbeiten nach dem Open-Access-Prinzip, d.h. alle aufgezeichneten Daten stehen der Öffentlichkeit zur Verfügung.

Wellen und Edelgas

Unterschiedliche seismische Wellen

Paul Richards

Unterschiedliche seismische Wellen bei einem Atomtest (oben), einem Erdbeben (Mitte) und einer chemischen Explosion (unten)

Mehr als 2.000 Tests seit 1945:

Zwischen 1945 und 1996, als der Atomtestsperrvertrag zur Unterzeichnung aufgelegt wurde, detonierten mehr als 2.000 nukleare Sprengsätze zu Versuchszwecken: Am meisten Tests führten die USA durch (1.000+), gefolgt von der damaligen Sowjetunion (700+), Frankreich (200+), Großbritannnien und China (je ca. 45). Das seit 1996 geltende Moratorium wurde von Indien und Pakistan im Jahr 1998 und Nordkorea in den Jahren 2006, 2009 und 2013 verletzt.

Wie schnell und effizient dieses Forschernetzwerk arbeitet, demonstrierte der Seismologe Paul Richards von der Columbia University anhand des ersten nordkoreanischen Atomtests im Jahr 2006. "Mit Hilfe der Daten der chinesischen Messstation Mudanjiang konnten wir sofort nach der Detonation feststellen, dass die seismischen Wellen nicht von einem Erdbeben, sondern von einer Explosion stammten. Der Vergleich mit dem Wellenverlauf bei Erdstößen und Detonationen chemischer Substanzen machte uns sicher: Es war ein Atomtest", erklärte Richards im Gespräch mit science.ORF.at. Selbst wenn das seismische Signal um ein Hundertfaches schwächer gewesen wäre, hätte die chinesische Station genug Daten geliefert, um Ort und Art der Explosion bestimmen zu können.

Neben den Stoßwellen, die Nukleartests über die Erdkruste aussenden, und den Schallwellen spielt das Edelgas Xenon eine zentrale Rolle beim Nachweis eines Kernwaffenversuchs. Wie viel Xenon in der Atmosphäre vorkommt, wird permanent durch 40 Messstationen der CTBTO überwacht. Die Schwierigkeit dabei: Xenon bzw. seine Isotope entstehen auch im Rahmen ziviler Nutzungen bei der Spaltung radioaktiven Materials. Einen besonders hohen Ausstoß verzeichnen Atomreaktoren und Fabriken, die das Edelgas zum Einsatz in der Medizin aufbereiten, wo es sowohl in der Röntgendiagnostik als auch als Betäubungsmittel verwendet wird.

"Xenonfalle"

Karte der weltweite größten zivilen Xenonproduzenten

Johan Camps

Karte der weltweite größten zivilen Xenonproduzenten
Prototyp der Xenonfalle

Johan Camps

Prototyp der Xenonfalle

Wie viel Xenon diese Fabriken ausstoßen, schwankt - und genau das macht den eindeutigen Nachweis eines Atomwaffentests schwierig. Ein Forschungsprojekt um Johan Camps vom Belgischen Studienzentrum für Kernenergie widmet sich deshalb der Entwicklung eines Prototypen, mit dem der Xenonausstoß verringert werden soll. Verwendet wird dazu Silberzeolith, ein hochporöses Material, das auf seiner Oberfläche Xenonionen "fangen" kann. Die Edelgasteilchen können, das zeigen erste Versuche der Forscher, so lange festgehalten werden, bis sie zerfallen sind und damit keine Messergebnisse mehr beeinflussen.

Wie wichtig die Xenonmessungen sind, zeigte sich beim dritten Atomtest Nordkoreas am 12. Februar 2013, der vorher nicht angekündigt worden war. Denn während die seismischen Messungen schon deutliche Hinweise lieferten, gelang der endgültige Nachweis erst durch die Detektion hoher Xenonkonzentrationen 55 Tage nach der Explosion. Anhand der Modellierung der Zerfallszeiten und der atmosphären Strömungen gelang es den Forschern, Zeit und Ort des Ausstoßes zu berechnen - und sie kamen auf Nordkorea.

Offene Materialfrage

Doch trotz der ausgefeilten Technologie gibt es immer noch Fragen, die die Wissenschaft derzeit unbeantwortet lassen muss. Am konkreten Beispiel Nordkorea etwa: Welches Material wurde für den Sprengsatz verwendet? Auch die genauesten Xenonmessungen können derzeit keine Antwort darauf geben. Die Bestimmung des Ausgangsmaterials sei aber wichtig, um den Stand des nordkoreanischen Atomprogramms bestimmen zu können, erklärte Siegfried Hecker anlässlich der Konferenz in Wien.

Der Kernphysiker von der Universität Stanford ist einer der wenigen Forscher, die die nordkoreanischen Atomanlagen bereits mehrmals inspizieren konnte. Seiner Einschätzung nach verfügt Nordkorea sowohl über Bomben mit hochangereichertem Uran als auch über vier bis maximal acht Bomben mit Plutonium. Für Hecker steht fest: "Nordkoreas Atomwaffenprogramm hat mit dem letzten Test an Fahrt gewonnen."

Wie schnell es am Ziel in Form von Langstreckenraketen mit atomaren Sprengköpfen sein könnte, lässt sich derzeit nur schwer abschätzen, war die letzte internationale Inspektion doch schon 2010. Eines schien auf der Konferenz in Wien aber klar: Ein vierter nordkoreanischer Atomwaffentest steht bevor.

Elke Ziegler, science.ORF.at

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