Thema dieses Forschungsprojektes ist der Nachweis illegal transportierter radioaktiver Substanzen im Inneren von Cargo-Containern. Die derzeit an Grenzübergängen genutzten Portalmonitore sind auf Grund zweier Umstände nicht zuverlässig genug: falsch positive und falsch negative Messungen. Bei einer falsch positiven Messung wird trotz des Nichtvorhandenseins einer radioaktiven Substanz ein Alarm gegeben (oder natürlich vorkommende, harmlose Radionuklide werden als gefährlich klassifiziert). Bei einer falsch negativen Messung wird ein mit hohem Gefahrenpotential verbundenes Radionuklid nicht detektiert. Auf Grund dieser beiden Umstände sind verbesserte Detektionssysteme notwendig. Durch den Anstieg der Containerumschlagszahlen und Sicherheitsbemühungen wie der Megaports Initiative werden Verbesserungen der Detektoren umso notwendiger.
Fokus des Forschungsprojektes: Dieses Forschungsprojekt betrifft die Anwendung gammaspektrometrischer Detektoren im Allgemeinen. Gleich ob derzeit verwendete, weiterentwickelte oder hypothetische Gammadetektoren, alle benötigen eine bestimmte Mindestanzahl von Gammaquanten zur Identifikation charakteristischer Peaks. Das wesentliche Problem stellt dabei die Abschwächung der emittierten Gammastrahlung dar, die dann vor dem radioaktiven Untergrund nachgewiesen werden muss. Dabei muss sowohl berücksichtigt werden, dass die Abschwächung der Strahlung energieabhängig ist, als auch, dass gerade im niedrigeren Energiebereich ein erhöhter Strahlungsuntergrund auftritt. Beides zusammen führt insbesondere bei der Detektion von Radionukliden mit Emissionen im niedrigen Energiebereich zu einer Verminderung der Detektionswahrscheinlichkeit. Es kann angenommen werden, dass selbst bei enormem Aufwand nur ein geringfügiger Fortschritt in Bezug auf die Detektionseffizienz erzielt werden kann, da sich die Verbesserungen angesichts der physikalischen Grenzen als unwesentlich erweisen. Der erste Teil der Forschungsprojektes bestand aus Messungen, die dem Vergleich eines Portalmonitors mit kleineren, spektrometrisch arbeitenden Detektoren dienten. Ziel der Messungen war, einen Überblick über realistische Messbedingungen, häufig vorkommende radioaktive Substanzen und Nachweisgrenzen zu gewinnen. Der zweite Teil waren Simulationen eines Portalmonitors für Gammastrahlung. Dazu wurden Spektren von Radionukliden simuliert, die sich im Inneren eines Cargo-Containers befanden, der mittels eines Portalmonitors inspiziert wird.
Messungen: Messungen wurden am Zollhof Waltershof im Hamburger Hafen durchgeführt. Dort ist ein Portalmonitor (RTM 910, Mirion Technologies) installiert. Der RTM 910 taugt zum Nachweis von Neutronen- und Gammastrahlung und kann die gemessene Strahlung in wenige Energiebereiche einteilen. Zum Nachweis der Gammastrahlung werden Plastikszintillatoren verwendet. Der RTM 910 besteht aus zwei Detektorhälften auf den beiden Seiten einer auf den Zollhof führenden Straße. Der Abstand zwischen den Detektorhälften beträgt 6 Meter und die durchschnittliche Transportgeschwindigkeit der Container durch den Portalmonitor beträgt 30 km/h. Während des Feldversuches wurden circa 30 bis 40 Container pro Stunde inspiziert. Während des betrachteten Zeitraums wurden durchschnittlich 3 Alarme pro Stunde gegeben. Zur Bestimmung der für die Alarme ursächlichen Radionuklide war es nötig, simultan zu einem auftretenden Alarm ein Spektrum der auftretenden Strahlung aufzunehmen. Dazu wurden zwei weitere Gammadetektoren zeitgleich zum RTM 910 betrieben. Ein Detektor (ReGeM, Canberra) war ein hochauflösender Reinstgermaniumdetektor mit einer Energieauflösung von weniger als 2 keV (z.B. 0,3% bei 662 keV). Der andere Detektor (Spir Ident, Mirion Technologies) war ein Natriumjodiddetektor mit einer Energieauflösung von ca. 10 keV. Ziel war es, Spektren genau dann aufzunehmen, wenn mit dem RTM 910 eine erhöhte Strahlung festgestellt und ein Alarm gegeben wurde. Die Identifikation von Nukliden anhand zeitgleich zu den Alarmen aufgenommener Spektren war möglich. In allen Fällen handelte es sich um natürlicherweise vorkommende Radionuklide.
Simulationen: Zur Bestimmung der Einsatzfähigkeit von Gammadetektoren als Portalmonitore wurden im Anschluss an die Messungen unter Feldeinsatzbedingungen Simulationen mit MCNP vorgenommen. Dazu wurden die Detektionsbedingungen für den Einsatz eines Natriumjodid- und eines Plastikszintillatordetektors untersucht. Im modellierten Szenario wurden Cargo Container (TEU) im Hinblick auf im Inneren befindliche Radionuklide (zum Beispiel Cs-137) inspiziert. Die Strahlung der Radionuklide wurde durch ebenfalls im Inneren des Cargo Containers befindliche Ladungsgüter abgeschwächt. Da das Abschirmvermögen der Ladungsgüter im Hinblick auf Gammastrahlung unterschiedlich ist, wurden die Ladungsgüter in drei verschieden stark abschirmende Cargo Klassen eingeteilt. Die physikalischen Eigenschaften dieser Cargo-Typen (Kernladungszahl und Dichte) wurden auf Grundlage US-Amerikanischer Statistiken von in Seehäfen umgeschlagener Ladungsgüter ermittelt. Jedem Cargo-Typ ist eine bestimmte Anzahl an Containern (in TEU) zuzuordnen, die zum Transport der klassifizierten Ladungsgüter erforderlich ist. Ferner wurde der Strahlungsuntergrund modelliert, um die Nachweisgrenzen für die betrachteten Radionuklide zu bestimmen. Darauf aufbauend konnte die Einsatzfähigkeit in Abhängigkeit der Messzeit pro Container und der realisierten Raumwinkelabdeckung in Beziehung zu einer bestimmten Anzahl hinreichend genau inspizierter Container (in TEU) gesetzt werden. Die Simulationen wurden am Lawrence Livermore National Laboratory durchgeführt.
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Kurzfassung
Die Verwendung der seltenen Kryptonisotope (85Kr und 81Kr) als Tracer für die Datierung von jungen (bis zirka 50 Jahre) beziehungsweise alten (bis zirka 3 000 000 Jahre) Grundwässern ist in den Geowissenschaften weit verbreitet. Begrenzt wird der Einsatz durch die minimale Probengröße, die durch das aktuelle Auswertesystem (LLC) auf zirka 30 μL Krypton für 85Kr vorgegeben ist.
Das rein anthropogen erzeugte 85Kr, welches zum größten Teil durch Wiederaufbereitungsaktivitäten in die Atmosphäre emittiert wird, stellt mit seiner Halbwertszeit von 10,76 Jahren die beste Möglichkeit dar, insbesondere geheime Aktivitäten zu entdecken. Auch in diesem Fall ist die Implementierung dieser Methode zur Entdeckung von Verletzungen des Vertrages über die Nichtverbreitung von Kernwaffen (NVV) durch die Internationale Atomenergieorganisation (IAEO) derzeit wegen der Probengröße und der voraussichtlich benötigten Anzahl an Proben behindert.
Das im Jahre 1999 am Argonne National Laboratory (ANL) entwickelte Experiment – Atom Trap Trace Analysis (ATTA) – zeigt einen Weg auf, diese Limitierung bezüglich Probengröße und Messdauer zu überwinden. Am Carl Friedrich von Weizsäcker-Zentrum für Naturwissenschaft und Friedensforschung wurde das am ANL existierende Systemdesign aufgegriffen, was in ein neu konzipiertes ATTA-Experiment mündete, welches sowohl die Probengröße auf zirka 1 μL Krypton reduzieren als auch einen hohen Probendurchsatz erreichen soll.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde zusammen mit Heiner Daerr ein ATTA-Experiment konzipiert, das auf einer Kombination aus einer 3D-MOT als Nachweisinstrument und einer 2D+-MOT als isotopenselektives Element basiert. Die erstmalige Implementierung einer optischen Anregung von Krypton in den metastabilen Zustand innerhalb eines kontinuierlich betriebenen Experiments wurde erst durch die Entwicklung einer neuartigen langlebigen ultrahochvakuumtauglichen Vakuum-Ultra-Violetten(VUV)-Lampe möglich. Nur metastabiles Krypton kann mit zurzeit technisch zugänglichen Lasern mittels magneto-optischer Kühlung selektiert und durch die Fluoreszenz nachgewiesen werden. Insbesondere die Vereinigung der Erzeugung von metastabilen Kryptonatomen und der isotopischen Selektierung in einer Kammer ist einmalig. Das Ultrahochvakuumsystem besteht aus drei Kammern, die einzeln auf ihre spezifischen Anforderungen zugeschnitten, konstruktiv umgesetzt und gebaut wurden. Das Lasersystem bietet die Möglichkeit, die beiden seltenen Kryptonisotope gleichzeitig in einer magneto-optischen Falle zu fangen und isotopenspezifisch zählen zu können.
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Kurzfassung
Das radioaktive Edelgas-Isotop 85Kr kann als Nachweis (Tracer) zur Entdeckung von geheimer Plutoniumseparation dienen. 85Kr gelangt während der Wiederaufarbeitung in die Atmosphäre und kann dort nachgewiesen werden. Bisher wird diese Technik zur Entdeckung geheimer Produktion von waffenfähigem, spaltbarem Material nicht durch die Internationale Atomenergieorganisation (IAEO) verwendet, obwohl dies durch das Zusatzprotokoll zum Nichtverbreitungsvertrag (NVV) erlaubt wäre. Ein wesentlicher Grund hierfür ist, dass keine geeignete Messtechnik für 85Kr existiert. Des Weiteren bieten 85Kr und das Krypton-Isotop 81Kr viele Anwendungen in Geowissenschaften, Umweltphysik und Industrie. Für alle diese Anwendungen sind 85Kr und 81Kr nur eingeschränkt anwendbar, da mit der bisher etablierten Messtechnik, Low Level Counting (LLC), die als Nachweis den radioaktiven Zerfall detektiert, die im Feld zu nehmenden Proben zu groß sind. Bisher gibt es keine Messtechnik, die einen routinemäßigen Messbetrieb mit kleinen Probenvolumen erlaubt.
1999 wurde eine neue, erfolgversprechende Messtechnik zur Ultraspurenanalyse "Atom Trap Trace Analysis (ATTA)" vorgeschlagen und demonstriert. Sie basiert auf einer magneto-optischen Falle (MOT), einer etablierten Technik aus dem rasant wachsenden Forschungsgebiet der Quantenoptik. Derzeit gibt es weltweit nur wenige Forschergruppen, die an einem ATTA-Experiment arbeiten und der Durchbruch zur Analyse von kleinsten Probevolumen für Krypton ist noch nicht erreicht.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde zusammen mit M. Kohler ein neuartiges ATTA-Experiment basierend auf einer 2D+-3D-MOT-Kombination für 85Kr und 81Kr mit integrierter optischer Anregung der Krypton-Atome konzipiert. Hauptmerkmale bei der Planung der Apparatur waren die Verwendung kleiner Probenvolumen, kurze Messzeiten, Wiederverwendung der Proben und die Reduktion von systematischen Fehlern. Entscheidend für die Verwendung von kleinen Proben ist die hier geplante erstmalige Implementierung der optischen Anregung zur Produktion von metastabilen Krypton-Atomen, die mit gängiger Lasertechnologie manipulierbar sind. Hierzu wurde eine langlebige VUV-Lampe erstmals erfolgreich entwickelt und getestet. Dies stellt einen entscheidenden Schritt hin zur Verwendung von kleinen Proben dar. 85Kr und 81Kr sollen zeitgleich gefangen und detektiert werden, um die nötige Messzeit weiter zu verringern. Ein Vakuum-System für die 2D+-3D-MOT-Kombination wurde detailliert geplant, gezeichnet und in Teilen aufgebaut. Alle Komponenten wurde daraufhin optimiert die Gesamteffizienz des Systems zu steigern, wie z. B. ein möglichst großes 2D+-MOT Einfangvolumen und optisches Anregungsvolumen, eine nahezu beugungslimitierte Abbildungsoptik zum effizienten Nachweis der gefangenen Atome, ein leistungsstarkes Laser-System zum Kühlen und Fangen für 85Kr und 81Kr und einen minimalen Abstand zwischen 2D+-MOT und 3D-MOT.
Fertiggestellt wurden die optischen Systeme. Nach Abschluss beider Promotionen wird das Vakuum-System zusammen gesetzt und das Experiment als Ganzes in Betrieb genommen.
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Das radioaktive Edelgas Krypton-85 wird während der Wiederaufbereitung abgebrannter nuklearer Brennstäbe in die Atmosphäre freigesetzt. Dieser Prozess ist auch für die Abtrennung von Plutonium notwendig. Daher kann die 85Kr Signatur von nuklearer
Wiederaufbereitung möglicherweise zur Entdeckung ungemeldeter Anlagen
verwendet werden, die kernwaffenfähiges Material herstellen. Der weltweite 85Kr Gehalt der Atmosphäre wuchs über die letzten Jahrzehnte an, da militärische und zivile Nuklearanlagen mehr 85Kr emittierten als der radioaktive Zerfall mit einer Halbwertszeit
von 10,76 kompensiert.
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Das Edelgas Xenon hat sich als sehr nützlich für die Verifikation des Kernwaffenteststopp-Vertrags (englisch Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty, CTBT) erwiesen. Das gilt besonders für die Entdeckung von unterirdischen Kernwaffentests und für die Unterscheidung zwischen nuklearen und chemischen Explosionen.
In dieser Studie wird ein Kategorisierungskonzept für Radioxenonspektren, wie sie von der CTBTO gemessen werden, weiterentwickelt und ein Algorithmus geschrieben, der diese vollautomatisch durchführt. Die Spektren geben Auskunft über die Xenonkonzentrationen in der untersuchten Luft und werden je nach ihrer Aussagekraft bezüglich nuklearer Tests kategorisiert. Um eine verlässliche Kategorisierung zu ermöglichen werden Vorabbedingungen definiert, die solche Spektren aussortieren, mit denen der Algorithmus tendenziell Probleme hat. 25,726 Spektren, die die CTBTO zwischen Juni 2007 und Juni 2010 aufgenommen hat werden nach aufnehmender Station, Xenonisotop und Xenonaktivitätskonzentration analysiert. Das Kategorisierungskonzept basiert nicht vorrangig auf absoluten Xenonkonzentrationen, sondern auf den Verhältnissen zwischen den vier relevanten Xenonisotopen Xe-133, Xe-135, Xe-133m und Xe-131m. Im Falle von Detektionen der entsprechenden Isotope werden die Verhältnisse Xe-135/Xe-133, Xe-133m/Xe-131m und Xe-133m/Xe-133 gebildet, wobei nur die beiden Ersteren für die Kategorisierung selbst herangezogen werden, während das Letztere nur als zusätzliche Information (als sogenannte flag) angegeben wird. Man spricht von einer Detektion, wenn die Aktivitätskonzentration mindestens der Konzentration entspricht, die gerade noch nachgewiesen werden kann. Diese sogenannte Minimum Detectable Concentration (MDC) wird individuell für jedes Spektrum für alle vier relevanten Xenonisotope berechnet. Nicht detektierte Isotopenkonzentrationen werden durch ihren MDC ersetzt, solange das entsprechende andere Isotop detektiert wurde, das benötigt wird, um das zu bestimmende Verhältnis zu berechnen.
Der entwickelte Algorithmus wird dann auf seine Fähigkeit unterirdische Kernwaffentests zu entdecken getestet, da diese im Allgemeinen am schwersten nachzuweisen sind. Dazu werden echte Xenonmessungen von der Nevada Test Site (NTS) benutzt, die nach unterirdischen Kernwaffentests aufgenommen wurden, bevor der CTBT verhandelt wurde. In der Annahme, dass diese gemessenen Xenonkonzentrationen identisch in der heutigen Zeit freigesetzt werden, wird ihre Ausbreitung in der Atmosphäre mit heutigen meteorologischen Daten simuliert. Die Konzentrationen, die einige bestimmte Edelgasdetektoren der CTBTO erreichen, werden auf die tatsächlich an den entsprechenden Tagen gemessenen aufaddiert und die sich so ergebenden Konzentrationen mit dem entwickelten Algorithmus kategorisiert.
Diese Studie bestätigt das Konzept, Xenonverhältnisse für die Kategorisierung von Edelgasen zu nutzen und dabei nicht detektierte Xenonkonzentrationen durch den MDC zu ersetzten. Desweiteren untersucht sie die Detektierbarkeit von historischen unterirdischen Nuklearwaffentests mit einem Teil des heutigen Überwachungsnetzwerkes (dem International Monitoring System, IMS) mit dem entwickelten Algorithmus. ...mehr
Zukünftige Rüstungskontroll- und Abrüstungsvereinbarungen könnten die Verifikation der Demontage von Sprengköpfen erfordern. Der derzeitige Forschungsstand ist äußerst unzureichend für ein solches Regime und einige Forschungsergebnisse sind nicht transparent und umfassend. In einem zukünftigen Szeanrio in dem Nichtkernwaffenstaaten in Verifikationsaktivitäten involviert sind kann Vertrauen nur dann geschaffen werden wenn die Verifikationstechnologien von allen Akteuren vollständig verstanden werden können. Ein zentraler Aspekt des nuklearen Abrüstungsprozesses ist die Authentifizierung von Sprengköpfen, die mit Messungen hinter einer Informationsbarriere durchgeführt werden kann um das Problem zu lösen, Vertrauen zu bilden ohne dabei sensitive Informationen preiszugeben. Mögliche Messtechniken sind Gammaspektroskopie und passive Neutronenmultiplizitätsmessungen für Plutoniumwaffen und aktive Neutronenmultiplizitätsmessungen für Uranwaffen. Höchstwahrscheinlich werden keine Waffendesigninformationen verfügbar sein um eine Informationsbarriere zu entwickeln - insbesondere wenn Nichtkernwaffenstaaten an der Entwicklung beteiligt sind. Ohne diese Informationen erscheint es schwierig, Waffen selbst zu authentifizieren. Die Authentifizierung von abgerüsteten Waffenkomponenten wie zum Beispiel dem spaltbaren Material hingegen erscheint erreichbarer da Charakteristika teilweise öffentlich bekannt sind. Ein Konzept welches dazu beiträgt, das lückenlose Nachvollziehen des Abrüstungsprozesses zu ermöglichen um dadurch die Identität und Integrität der Sprengköpfe zu überprüfen wird präsentiert so dass die Authentifizierung von Waffenkomponenten unter bestimmten Voraussetzungen die Waffe selbst authentifiziert und dass Möglichkeiten der Täuschung durch Änderung der Identität und Integrität der Sprengköpfe minimiert werden. Die abgerüsteten Komponenten würden wahrscheinlich in Containern gelagert. Der Einfluss dieser Container auf passive Neutronenmessungen einer 2 kg waffenfähigen Plutoniumkugel wurde mit MCNP Simulationen analysiert, denen ein Modell mit erfolgreichem Benchmarking anhand experimenteller Daten zugrunde liegt. Neutronenphysikalische Effekte von anzunehmenden Containerdesigns haben einen Einfluss, der entweder durch Kalibrierung berücksichtigt werden kann oder bereits in der Mathematik der Multiplizitätsanalyse berücksichtigt ist. ...mehr
Der technisch komplizierteste und aufwendigste Schritt auf dem Weg zu einer Nuklearwaffe ist die Produktion von spaltbarem Material. Neben hochangereichtertem Uran kommt für diesen Zweck Plutonium in Frage und wurde in der Vergangenheit von einer Reihe von Staaten in großem Umfang für militärische Zwecke produziert. Plutonium kommt nicht in der Natur vor, sondern wird ausschließlich in Nuklearreaktoren durch Neutroneneinfangreaktionen erzeugt. Da dieser Prozess zwar für die Produktion von Waffenmaterial optimiert werden kann, aber in gewissem Umfang auch in jedem zivil genutzten Reaktor vorkommt, spielt die Kontrolle und Überwachung der Produktions- und Lagerstätten im zivilen Bereich eine der wichtigsten Rollen im internationalen Nichtverbreitungsregime.
Im Jahr 2010 beliefen sich die globalen Bestände von abgetrenntem und damit direkt für Waffenzwecke verwendbarem Plutonium auf ca. 485 t. Diese Menge ist im Wesentlichen auf elf Länder verteilt und kann jeweils zur Hälfte dem zivilen wie dem militärischen Sektor zugeordnet werden. Letzterer Teil wird mittelfristig aller Voraussicht nach abnehmen, da zurzeit nur noch zwei Länder (Indien und Pakistan) in relativ geringem Umfang Waffenplutonium separieren, während die Besitzer der größten Bestände, USA und Russland, sich zur Reduktion verpflichtet haben. Im Gengensatz dazu resultieren die zivilen Bestände aus umfangreichen Wiederaufarbeitungstätigkeiten einiger weniger Länder und werden zukünftig wahrscheinlich weiter wachsen. Dazu kommen die ungleich größeren, jedoch bezüglich Proliferationsgefahren weit unbedenklicheren Bestände in bestrahlten Brennelementen aus Leistungsreaktoren.
Die vorliegende Arbeit widmet sich der Analyse der globalen Plutoniuminventare und Produktionskapazitäten des zivilen nuklearen Sektors. Ziel ist es, die zivilen Produktionskapazitäten von Plutonium für jedes Land systematisch unter Berücksichtigung aller denkbaren Produktionspfade
abzuschätzen und zukünftige Produktionsraten zu prognostizieren. Die Analyse dieser Arbeit teilt sich dabei in zwei Aspekte auf: Zum einen wird die Produktion und Separation von Plutonium aus dem zivilen Sektor der Leistungsreaktoren für die Länder untersucht, die schonheute mit größeren Mengen an separiertem Plutonium umgehen (China, Frankreich, Japan, Indien, Russland, UK, USA). Zum anderen werden die möglichen Produktionskapazitäten durchzivile Forschungsreaktoren abgeschätzt. Dieses Vorgehen wird durch die spezifischen Charakteristika beider Produktionspfade gerechtfertigt: Während ersterer den bei weitem überwiegenden Teil der Plutoniumbestände verursacht, zeigt die historische Erfahrung, dass Staaten ihr Waffenmaterial bisher nie aus Leistungsreaktoren bezogen haben, sondern immer aus relativ kleinen, zweckbestimmten Produktions- oder Forschungsreaktoren.
Für den ersten Teil werden nukleare Brennstoffkreisläufe mit dem “Nuclear Fuel Cycle Simulation System (NFCSS)” der IAEA modelliert. Da Nationen verschiedene Strategien bzgl. der Entsorgung bzw. des Recyclings von Plutonium verfolgen, werden die Berechnungen auf Basis für jeden relevanten Staat einzeln vorgenommen. Soweit historische Daten über Wiederaufarbeitung und Plutoniumrezyklierung existieren, wird auch die vergangene Entwicklung der Bestände von separiertem und nicht separiertem Plutonium reproduziert. Szenarien basierend auf Prognosen zukünftiger Entwicklung der Nuklearenergie sowie Brennstoffentsorgung werden für die Berechnung der zu erwartenden Plutoniumengen (separiert und nicht separiert) aus thermischen Reaktoren bis 2050 zu Grunde gelegt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Umsetzung der 3 zur Zeit geplanten Strategien zu einem weiteren Anstieg der Inventare von separiertem Plutonium um 54 t - 65 t bis 2020 führen. Das Inventar an nicht separiertem Plutonium der Gruppe der analysierten Länder weist zu diesem Zeitpunkt eine Wachstumsrate von 38 t/a - 49 t/a auf. Nach 2020 hängt die Entwicklung stark von der Realisierung der geplanten MOX-Kapazitäten zur Plutoniumbestrahlung ab und der zum Teil stark divergierenden Energieszenarien ab. Die Szenarien, welche die Realisierung der heutigen Pläne für den zukünftigen Nuklearenergiesektor vorsehen, prognostizieren eine Menge von 160 t - 390 t an separiertem Plutonium in 2050 (abhängig vom Energieszenario). Der Besitzer des heute größten Inventars an separiertem Plutonium, Großbritannien, wird zwar seine Bestände als MOX bis 2050 um mindestens die Hälfte reduzieren können, eine vollständige Rezyklierung bis zu diesem Datum scheint jedoch sehr unwahrscheinlich. Eine signifikante Reduzierung der Inventare scheint mittelfristig nicht in Sicht zu sein, obwohl die Berechnungen zeigen, dass genügend MOX-Kapazitäten für eine totale Eliminierung aller Bestände innerhalb einer Dekade vorhanden sind.
Der zweite Teil widmet sich der Proliferationsrelevanz aller existierender und im Bau befindlicher ziviler Forschungsreaktoren in den durch den Nichtverbreitungsvertrag definierten Nicht- Nuklearwaffenstaaten, deren Kapazität für militärische Plutoniumproduktion eingesetzt werden könnte. Die reaktorphysikalischen Berechnungen erfolgen für zwei repräsentative Reaktorkonfigurationen (ein Leichtwasser- und ein Schwerwasserreaktor) mit dem Monte-Carlo Code Keno V.a und Origen-S, die beide in dem modularen System Scale-6 enthalten sind. Es werden Abbrandrechnungen durchgeführt um belastbare, effektive Produktionsraten für Brennstoff und Bestrahlungstargets zu ermitteln. Die Ergebnisse gestatten einen Überblick über potentielle Proliferationsgefahren des globalen Parks an Forschungsreaktoren und ihrer regionalen Verteilung. Im Falle von LWRs im Normalbetrieb werden Produktionsraten über 1 kg/a demnach nur von zwei Reaktoren in den Niederlanden und Japan erreicht, der Median der Verteilung der Produktionsraten pro Reaktor liegt jedoch nur bei ca. 140 g/a. Im Falle eines “Break-out” Szenarios in dem die zivilen Reaktoren für die Produktion von waffengrädigem Plutonium eingesetzt werden, verschiebt sich dieser Median nur leicht (180 g/a). Schwerwasserreaktoren weisen im Gegensatz dazu wesentlich höhere Potential auf: Im Normalbetrieb produzieren die Summe der so analysierten Reaktoren 33,6 kg/a (Median bei 940 g/a pro Reaktor). Der Median wird drastisch zu 6,9 kg/a (pro Reaktor) angehoben, wenn der Betreiber tatsächlich waffengrädiges Plutonium mit Brennstoff aus Natururan in solchen Reaktoren erzeugen möchte.
Bei Interesse an der vollständigen Arbeit wenden Sie sich gerne an Jochen Ahlswede (jochen.ahlswede(at)physnet.uni-hamburg.de).
Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde die Abnahme der VUV-Leistung von zwei am ZNF entwickelten VUV-Kryptonplasmalampen untersucht. Das Ziel dieser Untersuchung war es, die Verwendbarkeit der Lampen für das ATTA-Experiment zu überprüfen. Dazu wurde ein Laser mit einer Wellenlänge von 819 nm verwendet, der in Verbindung mit der VUV-Strahlung der Plasmalampen mit einer Wellenlänge von 123,6 nm Kryptonatome in ein metastabiles Niveau überführen kann. Beim Erreichen dieses metastabilen Niveaus entsteht Fluorezenzstrahlung mit einer Wellenlänge von 760 nm, deren Abnahme für beide Lampen über einen Zeitraum von mehreren hundert Stunden gemessen wurde. Durch diese Messungen zeigte sich, dass möglichst wenig Mikrowellenleistung für den Betrieb der Lampen verwendet werden sollte. Sobald das Plasma stabil ist, führt eine weitere Erhöhung der Mikrowellenleistung zu einer schnelleren Abnahme der VUV-Leistung und einer deutlichen Reduktion der Lebensdauer der Plasmalampen. Des Weiteren wurden große Teile der geplanten Anlagenüberwachung aufgebaut und im Laufe des zweiten Plasmalampentests verwendet, um die Lampe auch unbeaufsichtigt und über Nacht laufen lassen zu können. Die Anlagenüberwachung verhinderte dabei mehrmals eine Beschädigung der Mikrowellenquelle durch zu viel zurück reflektierte Mikrowellenleistung. Die Überwachung basiert auf einem LabVIEW-Programm, welches derzeit die reflektierte Mikrowellenleistung, die Lampentemperatur und die Funktion der Kühlmittelversorgung überwacht. ...mehr
Carbon Leakage ist die Zunahme von CO2 Emissionen außerhalb von Ländern
mit Emissionsbeschränkung geteilt durch die Emissionsreduzierung
in restringierten Ländern, bewirkt durch eine Klimapolitik in restringierten
Ländern. Es kann als ein Maß für die Effektivität von unilateraler Klimapolitik
verstanden werden. Internationale Klimaabkommen, wie das Kyoto
Protocol beruhen auf dem Prinzip von gemeinsamen aber differenzierten
Verantwortlichkeiten. Das hat zur Folge, dass nicht allen Ländern
verbindliche Emissionsbeschränkungen auferlegt werden und Klimapolitik
nur in einigen Ländern implementiert wird.
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A cascaded acousto-optic modulator (AOM) system was built up to create the cooling frequencies
of the 3D-MOT for Kr81 and Kr85. The system was optimized concerning its diffraction
efficiency. Both 110 MHz-AOMs producing the cooling frequencies have diffraction
efficiencies of 82 %.
The existing doublepass-AOM-system for creating the cooling frequencies of the 2D+-MOT
for Kr81 and Kr85 was characterised and partially rebuilt to improve the superposition of the
ejected beams with the input beams of the doublepass-AOM-systems.
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Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurden verschiedene Untersuchungen zur optischen Anregung von Kryptonatomen in einen metastabilen Zustand durchgeführt. Ziel hierbei ist die Realisierung einer magneto-optischen Falle (MOT) für Krypton.
Um den metastabilen Zustand zu erreichen, werden die Atome zunächst mit Hilfe einer Plasma-Lampe in einen Zwischenzustand angeregt. Aus diesem werden sie dann mit einem Umpumper-Laser in einen weiteren Zustand angeregt, aus dem sie mit hoher Wahrscheinlichkeit in den metastabilen Zustand zerfallen.
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Aufgabenstellung dieser Diplomarbeit war es, sich in das komplexe Prognosesystem LOGICAL einzuarbeiten und diese für verschiedene Zwecke zu nutzen. LOGICAL ist ein im Großen und Ganzen analytisches System, um wirtschaftliche und soziale Entwicklungen mathematisch zu modellieren und daraus Emissionen von Klimagasen und (in einfacher Form) Veränderungen im Klima selbst vorherzusagen. Es basiert auf einer Lösung der Euler-Lagrange Gleichungen für eine Nutzen- und Produktivitätsfunktion. Näheres findet sich im Kapitel 2. Dort ist auch eine ausführliche Darlegung über die Wurzeln der wachstumstheoretischen Aspekte von LOGICAL enthalten. Die Vorgehensweise wird erläutert und Ergebnisse der Simulationen dargestellt, zusammen mit einer ersten Fehlerbetrachtung.
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Radioaktive Isotope von Krypton und Xenon spielen eine wichtige Rolle im Rahmen der Verifikation von Nicht-Verbreitungs-Vertrag und Kernwaffenteststopp-Vertrag. Einerseits werden Luftprobennahmen von radioaktiven Xenon Isotopen im Rahmen der Verifikation des Kernwaffenteststopp-Vertrags zum Zweck der Entdeckung von Kernwaffentests eingesetzt. Andererseits sind Krypton-85 Luftprobennahmen eine vielversprechende Methode zur Entdeckung geheimer Wiederaufbereitungsanlagen. In diesem Kontext sind Rückhaltetechniken für die Edelgase Krypton und Xenon von hohem Interesse.
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Ausbreitungsrechnungen mit Euler-Modellen werden durch die künstliche Anfangsverdünnung des emittierten Stoffes sowie durch die numerische Diffusion des verwendeten Advektionsverfahrens beeinflusst. In dieser Arbeit wird der Einfluss der Anfangsverdünnung und der numerischen Diffusion auf Ausbreitungsrechnungen unter idealisierten meteorologischen Bedingungen in dem Eulerschen mesoskaligen Atmosphärenmodell METRAS bestimmt. Für die Diskretisierung des horizontalen Advektionsterms beim Stofftransport stehen in METRAS die positiv definiten Gegenstromdifferenzen sowie die nicht positiv definiten Gegenstromdifferenzen 2. Ordnung zur Verfügung.
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Die vorliegende Diplomarbeit wurde im Rahmen des ATTA-Experimentes (Atom Trap Trace
Analysis = ATTA) am Carl Friedrich von Weizsäcker-Zentrum für Naturwissenschaft und
Friedensforschung (ZNF) durchgeführt. In der folgenden Einleitung werden die Hintergründe
des Experimentes erläutert sowie die Einbindung dieser Diplomarbeit in das am ZNF durchgef
ührte ATTA-Experiment.
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Spätestens seit dem 11. September 2001 sind die Diskussionen über eine „schmutzige Bombe“ - eine mit radioaktiven Material versehene konventionelle Bombe - oder auch über andere Möglichkeiten zur Freisetzung von Radioaktivität in der Öffentlichkeit vermehrt in den Medien zu finden. Obwohl bisher keine Bombe mit radioaktivem Material verwendet wurde, gibt es verstärkte Anstrengungen, terroristische Gruppen oder Individuen ausfindig zu machen, die sich eine solche Waffe beschaffen wollen. Für den Bau einer schmutzigen Bombe benötigt man, im Gegensatz zur Atombombe, radioaktive Materialien, die nicht not- wendigerweise spaltbar sind. Da diese in der Industrie und auch in der Medizin Anwendung finden, liegt die Vermutung nahe, dass diese radioaktiven Materialien leichter zu beschaffen sind. ...mehr (PDF)
Die vorliegende Arbeit schließt an die Studie zur „Evaluation von Dialogen und Gesprächen über Nuklearwaffen“ von Blum (2008) an, die am Carl Friedrich von Weizsäcker-Zentrum für Naturwissenschaft und Friedensforschung der Universität Hamburg (ZNF) durchgeführt wurde. Evaluiert wurden „Dialoge der Internationalen Ärzte zur Verhütung des Atomkrieges (IPPNW), in denen Ärzte politische Entscheidungsträger über die medizinischen Folgen eines Atomkrieges aufklären und anschließend über die Möglichkeiten zur Nuklearen Abrüstung diskutieren“ (Blum 2008, S. 3). ...mehr (PDF)
Am 16. Juli 1945 wurde in Alamogorda, New Mexiko USA, die erste Atombombe ("Trinity")
getestet. Seitdem fanden auf der Welt insgesamt 2154 nukleare Detonationen statt, wovon 518 in der Atmosphäre, 1628 unterirdisch und acht unter Wasser gezündet wurden. Insgesamt testeten offiziell acht Länder nukleare Sprengkörper, wobei die meisten Tests von den USA (1123) und der ehemaligen Sowjetunion (728) durchgeführt wurden. Neben diesen
Ländern testeten Großbritannien, Frankreich, China, Indien, Pakistan und Nordkorea Nuklearsprengkörper (rdss, 2009)...
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Die im Rahmen dieser Diplomarbeit behandelten Themen stehen in Zusammenhang mit
dem Aufbau eines Experimentes zur Spurengasanalyse von Kryptonisotopen mit einer magneto-optischen Atomfalle (Atom Trap Trace Analysis, ATTA), welches sich am Carl Friedrich von Weizsäcker-Zentrum für Naturwissenschaft und Friedensforschung der Universität
Hamburg im Aufbau befindet. Ziel des Experimentes ist es, anhand von Luftproben die atmosphärische Konzentration des Isotops 85Kr zu bestimmen, welches in geringen Mengen als Spaltprodukt in Kernreaktoren entsteht und insbesondere bei der
Wiederaufbereitung von Kernbrennstäben an die Umgebungsluft abgegeben wird.
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Im Rahmen dieser Diplomarbeit werden 85Kr Quellterme für verschiedene Plutoniumproduktionsszenarien bestimmt.
Dabei stellt sich im Bezug auf den nuklearen Nichtverbreitungsvertrag (NVV) die Frage, welches Signal ein Inspektor zu erwarten hat, wenn ein Proliferator heimlich waffenfähiges Material produziert und seine 85Kr Menge minimiert.
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Die meisten Internetbenutzer kennen das Google-Earth Produkt und haben sicherlich bereits unzählige Stunden damit verbracht die Satellitenbilder anzusehen. Satellitenbilder bieten, neben dem einfachen Betrachten, die Möglichkeit, eine Vielzahl an Thematiken zu untersuchen... ...mehr (PDF)
Diese Diplomarbeit behandelt die natürliche Konzentration von Spaltgasen in Boden und Gestein, speziell die der Xenonisotope 131mXe, 133Xe, 133mXe und 135Xe. Dies geschieht vor
dem Hintergrund der Edelgasmessungen zur Verifikation des Umfassenden Kernwaffenteststoppvertrages (Comprehensive Nuclear Test Ban Treaty, CTBT).
Der CTBT ist ein internationales Vertragswerk, das ein Verbot jeder Form einer Kernwaffenexplosion vorsieht, sei sie atmosphärisch, unterirdisch oder unter Wasser. Es soll nach Inkrafttreten durch ein weltweites Messnetz verifiziert werden, das in der Lage sein muss,
eine nukleare Explosion an jedem Ort der Welt mit hoher Wahrscheinlichkeit ausfindig zu
machen.
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Die vorliegende Diplomarbeit wurde im Rahmen eines Experiments durchgeführt, das auf die Detektion von einzelnen Atomen der Edelgasisotope Krypton-85 (85Kr) und Krypton- 81 (81Kr) mittels einer Atomfalle abzielt. In diesem Kapitel werden die Hintergründe des Gesamtexperiments erläutert, die Verifikation der Nichtverbreitung nuklearer Waffen. Zudem wird das Gesamtexperiment der Atomfalle für 85Kr und 81Kr vorgestellt sowie die Einbindung der vorliegenden Diplomarbeit in dieses Experiment. ...mehr (PDF)
Die Arbeit befasst sich mit den Grundlagen der Modellierung des Transportes von Spaltgasen, die nach unterirdischer nuklearer Explosion in das umgebende Gestein eingebracht wurden. Zyklische Änderungen des Luftdruckes erzeugen ein Pumpeffekt, der diese in weitaus kürzeren Zeitskalen entlang von Wegsamkeiten wie Klüften oder Verwerfungszonen an die Erdoberfläche bringen können als diffusionsgetriebene Transportprozesse es vermögen, die eine Transportdauer von mehreren hundert Jahren umfassen können. ...mehr (PDF)
Viele Jahre ist es ruhig um die Entwicklung von Kernwaffen gewesen. Die Weiterverbreitung schien durch den Atomwaffensperrvertrag eingedämmt und zwischen den beiden größten Atommächten wurden nukleare Abrüstungsabkommen geschlossen. ...mehr (PDF)
Zum besseren Verständnis atmosphärischer, geologischer und ozeanographischer Umweltprozesse spielen Spurengase eine wichtige Rolle. Bei Spurengasen (so genannten Tracern) handelt es sich um Gase, die nur einen sehr kleinen Anteil an der Luft ausmachen, insbesondere eignen sich Radioisotope. Die Analyse der Konzentration, vor allem aber des zeitlichen Transport- und Mischverhaltens von Spurengasen, erlaubt u.a. Rückschlüsse auf die gasproduzierenden Prozesse. ...mehr (PDF)
Die Republik Namibia steht mit etwa 3258 Tonnen Uranoxid an fünfter Stelle der uranexportierenden Staaten und baut sein Exportpotential weiter aus. Dabei entstehen durch die Uranerzminen sowohl Umweltprobleme als auch Spannungen und Konflikte in der Bevölkerung. So werden ethnische Minderheiten, die rund um die Minen leben, oft in den Entscheidungen der Regierung übergangen. Diese Masterarbeit geht der Frage nach, ob und inwieweit sich der Uranbergbau in Namibia auf die Bevölkerung auswirkt und ob der Uranbergbau mit Konflikten in Zusammenhang steht. ...mehr (PDF)
In dieser Arbeit wird der Frage nachgegangen, (1) ob es ethischen Normen für eine zukünftigen Generationen gegenüber moralisch vertretbare (End-)Lagerung hochradioaktiver Abfälle gibt, (2) wenn ja, welche dies sind, und (3) wie diese zur Prüfung von (End-)Lagerkonzepten herangezogen werden können. Um an die aktuelle Debatte anzuknüpfen wird diese Frage insbesondere mit Bezug auf das traditionelle international favorisierte Konzept der (End-)Lagerung hochradioaktiver Abfälle diskutiert, das auch in Deutschland von offizieller Seite verfolgt wird. ...mehr (PDF)
The proliferation of weapons of mass destruction is one of the biggest challenges for the international community and international security today. With the end of the cold war, the likelihood of a global nuclear war decreased, but new nuclear weapons states emerged and some states strengthened their efforts to get into the group of nuclear weapons possessors. As a consequence, new international binding treaties were created and old agreements were strengthened to increase the efficiency of controlling their compliance.
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