Videnskaben bag søgningen efter hemmelige atomanlæg

Vil den nylige amerikanske tilbagetrækning fra en aftale fra 2015, der satte restriktioner på Irans atomprogram, gøre det lettere for Iran at forfølge bomben i hemmelighed? Ikke sandsynligt, ifølge Scott Kemp, en lektor i nuklear videnskab og teknik ved MIT.

"Den mest magtfulde indsigt i Irans atomprogram kommer fra traditionel efterretningstjeneste, ikke fra inspektioner fra Det Internationale Atomenergiagentur, " siger Kemp, som i denne uge udgav en kommentarartikel i Natur om samspillet mellem politik og videnskab i Nordkorea.

Men hemmelige atomvåbenprogrammer, om i Iran, Nordkorea, eller andre steder i verden, er et stort uløst problem, ifølge Kemp. Han forklarede for nylig de tekniske udfordringer, der er involveret i jagten på hemmelige steder. Og han kom med en mulig løsning.

Hvad inspektører kigger efter

Inspektører vil lede efter den hemmelige produktion af plutonium eller højt beriget uran, siger Kemp. Fremstilling af en egentlig eksplosiv enhed kan udføres hurtigt og diskret, når en af ​​disse ingredienser er sikret i tilstrækkelig mængde. "Montagearbejdet kan udføres i en kontorbygning, underjordisk anlæg, eller endda i et stort køkken. Det er næsten umuligt at opdage, når programmet når dette punkt. "

Den gode nyhed, relativt set, er, at fremstilling af disse eksplosive materialer kan give afslørende spor.

"Alle internationale bestræbelser på at forhindre nuklear spredning fokuserer på at forhindre produktion af plutonium og højt beriget uran, " siger Kemp. "Håbet er at stoppe materialet fra nogensinde at blive produceret i første omgang, eller i det mindste i tilstrækkelige mængder til at lave en atombombe."

Hvad er tegn på hemmelig produktion?

"Produktionen af ​​enten plutonium eller højt beriget uran er en stor operation, der kræver mennesker og tid, " siger Kemp. Inddragelsen af ​​mange mennesker betyder, at traditionel intelligens har en vis chance for at finde programmet. Men traditionel intelligens kan være upålidelig, især i lukkede samfund som Nordkorea. Tekniske mekanismer ville give et nyttigt overlay.

Detektering af plutoniumproduktion, Kemp siger, er nemmere end at påvise produktion af beriget uran af flere årsager. Det første spor er varmesignaturen. "Næsten al plutoniumproduktion foregår i atomreaktorer, og de producerer åbenbart meget varme, " siger han. "Der er smarte ting et land kunne gøre for at skjule varmesignaturen, men de er ikke simple. Infrarøde satellitter kan søge efter spildvarme, der forlader bygninger, eller blive pumpet ud i floder eller oceaner.

Et andet spor kommer fra kemiske signaturer. Bearbejdningen af ​​reaktorbrændsel til udvinding af plutonium skaber kemisk spildevand, hvilket kunne være endnu en lovende detektionsvej. "Ud over plutonium, atomreaktoren vil også producere en blanding af andre radionuklider - og mens de fleste er fanget i reaktoren, nogle få siver ud til miljøet, " siger Kemp, "især ædelgasserne, såsom radioaktive isotoper af xenon og krypton."

Forskere kan muligvis opdage disse isotoper-xenon-131, xenon-135, og krypton-85 - når de siver ind i miljøet. "Regeringer bruger allerede detektorer til at lede efter de små signaturer af operationen, " siger han. "Men et land kunne gøre alle mulige smarte ting, som at fryse afgangsgassen, at fjerne den kemiske signatur, hvis de ville. Så vi kan måske finde tegn på plutoniumproduktion på denne måde. "

Og hvad med uranberigelse? "Det producerer også en tydelig kemisk signatur, " siger Kemp, som opstår, når uranhexafluorid (UF6) gas siver ud i atmosfæren. Sandsynligheden for en lækage er meget lille, men det sker. Når gassen slipper ud i fri luft, vanddamp får det til at nedbrydes til flussyre og en bestemt slags støvlignende aerosol. Flussyren er ikke nyttig med hensyn til detektion. Det er for reaktivt og forsvinder, når det rører snavs, eller en bygning, eller et træ. "Du vil ikke opdage det på nogen meningsfuld afstand, " siger Kemp. Men det andet biprodukt, den støvlignende aerosol, er en anden historie.

En ny måde at spore hemmelig atomaktivitet

Støvet fra uranberigelse er en aerosol kaldet uranylfluorid (UO2F2), og den har en kemisk form, der er unik for uranbehandlingsoperationer, siger. Kemp. Han er interesseret i at arbejde sammen med sine kolleger på ingeniørfakultetet om at udvikle detektorer, der kan identificere molekylets karakteristiske kemiske bindinger. "Der er mange teknikker til at identificere molekyler, men den nødvendige følsomhed i dette tilfælde er overordentlig høj, og aerosolformen giver en række andre udfordringer, " han siger.

"Hvis vi kunne finde ekstremt følsomme detektorer, der er billige nok til at komme rundt i et land uden meget fancy udstyr eller vedligeholdelse, vi ville gøre et betydeligt indhug i problemet med at opdage hemmelige uranberigelsesprogrammer." Forestil dig, han siger, noget i retning af små vejrstationer med en solcelledrevet boks, der har en manipulationssikker forsegling på. Den har en lille blæser, der blæser luft over en sensor, der søger efter den afslørende U-F-binding, og sender derefter et alarmsignal, hvis molekylet detekteres.

"Efter en lokal detektering, du kunne bruge vejrdata til at projicere baglæns og estimere de mest sandsynlige steder, dette molekyle kom fra. Hvis du til sidst kunne indsnævre det til et par bygninger eller et par byblokke, så ville det være muligt for internationale inspektører at anmode om adgang under eksisterende lovbestemmelser for at se, hvad der er indeni."

En tilbagevenden til politik

Den igangværende tilstedeværelse af International Atomic Energy Agency, som overvåger Teherans mest følsomme fabrikker og forskningslaboratorier, er fastsat i den længe etablerede traktat om ikke-spredning af atomvåben, eller NPT, som Iran næppe vil trække sig tilbage fra, siger Kemp. Det betyder, at inspektionshold kan fortsætte med at kontrollere kendte nukleare anlæg som hidtil.

Imidlertid, en særlig bestemmelse, kaldet tillægsprotokollen, har givet IAEA mulighed for at have bred adgang i løbet af de sidste tre år, herunder retten til at vove sig ud for at undersøge tip om mistænkelige websteder. Denne bestemmelse tillader også IAEA at anvende miljøsensorer af den slags, Kemp ønsker at bygge. Det er disse ekstra privilegier, der ville være i fare, hvis Iran trækker sig fra 2015-aftalen, siger Kemp. IAEA har brugt disse privilegier til at foretage mindst 60 besøg på faciliteter, der ikke er en del af Irans erklærede atomprogram.

"Men politik driver i sidste ende dette i sidste ende, " tilføjer han. "Hvis inspektørerne lærte noget, hvad enten det er fra intelligens eller sensorer, men blev nægtet den yderligere adgang, der var nødvendig for at følge op på leadet, så ville det internationale samfund formentlig antage det værste. Det ville derfor stadig være i Irans interesse at give opfølgende adgang, selvom de teknisk set ikke var nødt til det – dvs. medmindre de virkelig skjulte noget."