Mianem „proliferacja jądrowa” określa się zagrożenie zdobyciem broni jądrowej przez „niewłaściwe” państwa lub terrorystów. Jako zagrożenia proliferacyjne związane z energetyką jądrową najczęściej wskazywane są możliwość odzyskania plutonu z wypalonego paliwa oraz wykorzystanie cywilnych zakładów wzbogacania uranu do produkcji uranu wysokowzbogaconego. Aby odpowiedzieć na pytanie, czy powyższe obawy są uzasadnione, musimy się najpierw krótko zapoznać z działaniem oraz sposobami produkcji broni jądrowej.

Działanie broni jądrowej

Aby doprowadzić do wybuchu jądrowego, należy wytworzyć nadkrytyczną masę materiału rozszczepialnego, w której reakcja łańcuchowa nie wygasa aż do rozszczepienia znaczącej części jąder. (Do inicjacji reakcji stosuje się wewnętrzne źródło neutronów, aktywowane w momencie wytworzenia masy krytycznej.) Istnieją dwa praktyczne sposoby wytworzenia masy nadkrytycznej: metoda działa i metoda implozyjna.

Rys. 1. Schemat budowy bomby jądrowej (rysunek na licencji CC-BY-SA, pochodzi z: http://pl.wikipedia.org/wiki/Plik:Fission_bomb_assembly_methods-PL.svg )

W bombie wykorzystującej metodę działa, w kierunku podkrytycznej masy materiału rozszczepialnego zostaje wystrzelony nabój wykonany z takiego samego materiału. Tworzy się masa nadkrytyczna i następuje wybuch. Ten rodzaj bomby jest stosunkowo prosty w budowie, jednak jest podatny na predetonację (tzn. wybuch o bardzo małej sile), ponieważ wytworzenie masy krytycznej trwa kilkadziesiąt milisekund. Do jej budowy nadaje się wyłącznie uran-235, gdyż jest jedynym izotopem rozszczepialnym o wystarczająco małej częstotliwości samorzutnego rozszczepienia (wytwarza ono neutrony, które przedwcześnie inicjują reakcję łańcuchową). Całkowita masa uranu-235 wymagana do budowy tego rodzaju broni wynosi kilkadziesiąt kilogramów.

W bombie implozyjnej podkrytyczny, kulisty rdzeń otoczony jest konwencjonalnymi ładunkami wybuchowymi w precyzyjnie dobranej konfiguracji. Odpalenie ładunków powoduje wytworzenie ogromnego ciśnienia, które ściska rdzeń. Zwiększenie gęstości pod wpływem ciśnienia obniża masę krytyczną plutonu poniżej masy rdzenia, po czym następuje wybuch. Zbudowanie metody implozyjnej jest dużym wyzwaniem technologicznym. Ładunki wybuchowe wywołujące implozję muszą być wykonane i umieszczone wokół rdzenia z bardzo wysoką precyzją. Ten rodzaj broni jest mniej podatny na predetonację, gdyż masa krytyczna wytwarza się dużo szybciej. Teoretycznie można użyć każdego materiału rozszczepialnego, jednak poza kilkoma nieudanymi eksperymentami wszystkie bomby implozyjne zawierają rdzeń z plutonu-239, który ma masę krytyczną znacznie mniejszą od uranu-235. Pluton zbrojeniowy musi zawierać przynajmniej 93% ²³⁹Pu, ponieważ inne izotopy nie są rozszczepialne, a dodatkowo wychwytują część neutronów, powodując przerwanie reakcji łańcuchowej.

W obydwu przypadkach zasada działania jest dobrze znana. Nie istnieje coś takiego jak pilnie strzeżona „tajemnica bomby atomowej”. Wiele szczegółów technicznych nie jest publicznie dostępnych, jednak ich odtworzenie przez zespół ekspertów jest kwestią czasu. Zasadniczą przeszkodą na drodze do otrzymania broni jądrowej nie jest brak informacji dotyczącej jej budowy, lecz wymagane nakłady finansowe i zaplecze techniczne.

Zbrojeniowe materiały rozszczepialne

Jedynym izotopem rozszczepialnym występującym w znaczących ilościach w przyrodzie jest uran-235, który stanowi 0,7% uranu naturalnego. Uran zbrojeniowy uzyskuje się z uranu naturalnego przez wzbogacenie do przynajmniej 80% ²³⁵U. Więcej informacji w artykule Konwersja i wzbogacanie. Do tego procesu możliwe jest wykorzystanie cywilnego zakładu wzbogacania uranu. Zakłady takie są nadzorowane przez Międzynarodową Agencję Energii Atomowej (IAEA). Produkcja wysokowzbogaconego uranu w ilościach wystarczających do budowy bomby jądrowej byłaby nadzwyczaj trudna do ukrycia.

Pluton występuje w przyrodzie w znikomych ilościach, wyłącznie jako efekt spontanicznych reakcji jądrowych. Naturalne reaktory pracujące 2 mld lat temu w Oklo w Gabonie również wytwarzały pewne niewielkie ilości plutonu. Na większą skalę otrzymuje się go przez naświetlenie neutronami uranu-238, stanowiącego 99,3% naturalnego uranu, w reaktorze jądrowym. Zachodzi wtedy następująca sekwencja reakcji:

1. uran-238 absorbuje neutron, tworząc uran-239
2. uran-239 ulega rozpadowi β^- z okresem półtrwania 34 minut, tworząc neptun-239
3. neptun-239 ulega rozpadowi β^- z okresem półtrwania 55 godzin, tworząc pluton-239.

Pluton-239 może absorbować kolejny neutron, tworząc pluton-240. Dla celów zbrojeniowych stanowi on niepożądane zanieczyszczenie, ponieważ ma dużą częstotliwość rozszczepienia samorzutnego. Dalsze naświetlanie wytwarza pluton-241, który jest rozszczepialny, jednak produkty jego rozpadu emitują promieniowanie gamma. Niszczy ono elektronikę, przez co zbudowanie niezawodnej bomby staje się znacznie trudniejsze.

Aby wyprodukować pluton zbrojeniowy, pręty paliworodne z uranu-238 należy często wymieniać na nowe i przetwarzać w celu odzyskania wytworzonego plutonu. Aby zawartość ²⁴⁰Pu nie przekroczyła 7%, czas naświetlania musi wynosić od 30 do 60 dni. Konieczna jest więc możliwość wymiany paliwa bez wyłączania reaktora, w przeciwnym razie zebranie wystarczającej ilości plutonu mogłoby trwać nawet kilkanaście lat. Zawartość plutonu w naświetlonych prętach nie przekracza 0,03%. Jego wydzielenie przy tak małych stężeniach stanowi kolejny poważny problem technologiczny.

Istnieje teoretyczna możliwość wzbogacenia mieszanki izotopów plutonu w pluton-239. Jest to nadzwyczaj trudne zadanie, gdyż różnica mas ²³⁹Pu i głównego zanieczyszczenia ²⁴⁰Pu to tylko 0,42%, czyli trzykrotnie mniej niż dla mieszaniny ²³⁵U + ²³⁸U (1,26%). Rozwój technik wzbogacania laserowego może w przyszłość umożliwić praktyczne wzbogacanie plutonu, jednak obecnie nie jest ono wykonalne w praktyce.

Produkcja plutonu w reaktorach energetycznych

Najczęściej używanymi reaktorami energetycznymi są reaktor wodny ciśnieniowy (PWR) i reaktor wodny wrzący (BWR). W reaktorach tych wymiana paliwa jest czasochłonną operacją, wymagającą wyłączenia reaktora i demontażu pokrywy zbiornika ciśnieniowego. Trwa ona co najmniej kilkanaście dni. Wymiana paliwa co 60 dni byłaby więc niezwykle pracochłonna i czasochłonna, a dodatkowo znacznie obniżyła produkcję energii elektrycznej. Postać paliwa, które składa się z pastylek UO₂ w szczelnych koszulkach ze stopu cyrkonu, stanowi dodatkową komplikację utrudniającą przetwarzanie. Z tych powodów reaktory PWR i BWR zupełnie nie nadają się do produkcji plutonu.

Istnieją reaktory energetyczne, które mają możliwość wymiany paliwa bez ich wyłączania. Należą do nich reaktory gazowe (brytyjskie Magnox i AGR) oraz reaktory wodne kanałowe (rosyjski RBMK, kanadyjski CANDU oraz niemiecki/południowoafrykański PBMR). Reaktory AGR i PBMR nie nadają się do produkcji plutonu, pierwszy z powodu problemów technologicznych z mechanizmem wymiany paliwa, drugi ze względu na wykorzystanie paliwa w postaci kul otoczonych moderatorem, co uniemożliwia łatwe odzyskanie naświetlonego materiału. Reaktory Magnox i RBMK zostały zaprojektowane z uwzględnieniem możliwości zastosowań zbrojeniowych. Reaktor CANDU został zaprojektowany wyłącznie jako reaktor energetyczny, jednak jego budowa stwarza teoretyczną możliwość produkcji plutonu.

Ostatni reaktor typu Magnox pracuje w Wylfa w Wielkiej Brytanii, która od dawna posiada broń jądrową. Jego wyłączenie planowane jest na rok 2010, choć może zostać opóźnione ze względu na duże zapotrzebowanie na elektryczność w jego okolicy. Istnieje 11 pracujących reaktorów RBMK i jeden w budowie, wszystkie na terenie Rosji, która również posiada broń jądrową. Ostatni reaktor RBMK poza granicami Rosji (Ignalina na Litwie) wyłączono ostatniego dnia 2009 roku. Reaktory CANDU pracują w kilkunastu różnych krajach.

Kilkanaście reaktorów będących wariantami CANDU pracuje na terenie Indii, z których kilka nie znajduje się pod nadzorem IAEA. Jest prawdopodobne, że Indie wyprodukowały pewną ilość plutonu do celów zbrojeniowych w tego rodzaju reaktorach. Nie były to jednak reaktory przeznaczone do produkcji energii elektrycznej. Produkcja plutonu wymagałaby dużych zmian w trybie pracy reaktora: paliwo byłoby wymieniane częściej, a moc elektryczna uległaby znacznemu obniżeniu. Prowadzenie takich działań w reaktorze nadzorowanym przez IAEA bez wzbudzania poważnych podejrzeń jest niemożliwe. Indie posiadają broń jądrową od 1974 roku, a do jej produkcji początkowo wykorzystywany był nienadzorowany reaktor badawczy CIRUS.

Pluton w wypalonym paliwie jądrowym

Wypalone paliwo z elektrowni jądrowych zawiera pewną ilość plutonu. Jest on jednak bezużyteczny do celów zbrojeniowych ze względu na zbyt niską zawartość plutonu-239. Jak wspomniano wcześniej, nie ma obecnie możliwości rozdzielenia izotopów plutonu.

Rys. 2. Skład izotopowy wypalonego paliwa jądrowego.

Recykling paliwa jądrowego polega na chemicznym oddzieleniu plutonu i uranu z wypalonego paliwa. Pluton dodaje się do zubożonego uranu, otrzymując mieszane paliwo tlenkowe (MOX). Ponieważ pluton odzyskany z wypalonego paliwa nie przedstawia wartości zbrojeniowej, przetwarzanie paliwa jądrowego nie stwarza żadnego ryzyka proliferacyjnego. Przytaczanie faktu oddzielania czystego plutonu podczas przetwarzania jako argumentu przeciw recyklingowi paliwa świadczy o braku wiedzy o broni jądrowej.

Próbny wybuch jądrowy z wykorzystaniem „plutonu reaktorowego”

W roku 1977 Jimmy Carter, prezydent Stanów Zjednoczonych, odtajnił część dokumentów dotyczących przeprowadzonego w 1962 roku próbnego podziemnego wybuchu jądrowego. W ładunku jądrowym wykorzystano materiał, który określono jako „pluton reaktorowy”. Informacja ta została użyta przez Cartera jako uzasadnienie wprowadzenia zakazu przetwarzania paliwa na terenie USA. Pomyślny wynik tej próby jest obecnie używany jako „dowód” na to, że można zbudować bombę z wypalonego paliwa. W rzeczywistości materiał wykorzystany do tego testu nie miał wiele wspólnego z wypalonym paliwem z reaktorów energetycznych.

Po pierwsze, definicja klas jakościowych plutonu obowiązująca w USA zmieniła się w 1976 roku. Przed 1976 rokiem mianem „pluton reaktorowy” określano każdy materiał zawierający więcej niż 7% ²⁴⁰Pu, natomiast po 1976 roku nazywano tak materiał zawierający więcej niż 19% ²⁴⁰Pu. Pluton o zawartości ²⁴⁰Pu nieco większej niż 7% można z trudem wykorzystać do zbudowania ładunku jądrowego, ale ze wzrostem zawartości tego izotopu trudności narastają, a siła wybuchu bardzo szybko spada. Pluton reaktorowy według definicji przyjętej po 1976 roku jest zupełnie nieprzydatny.

Po drugie, w 1997 odtajniono dodatkową informację. Pluton wykorzystany w 1962 roku nie był krajowej produkcji, lecz importowany z Wielkiej Brytanii. W tym czasie działały tam tylko trzy reaktory energetyczne: Calder Hall, Chapelcross i Berkeley, wszystkie typu Magnox. Jak wspomniano wcześniej, reaktory Magnox były zaprojektowane z możliwością produkcji plutonu. Wiadomo, że reaktor w Calder Hall produkował w tym czasie wyłącznie pluton zbrojeniowy. Reaktor w Chapelcross również produkował pluton zbrojeniowy, ale nie można wykluczyć, że jedną z porcji paliwa trzymano w reaktorze dłużej niż zwykle. Reaktor w Berkeley uruchomiono w lipcu 1962 roku jako reaktor energetyczny. Wydobycie plutonu z paliwa i przygotowanie rdzenia trwa około trzech miesięcy, więc jeśli użyto paliwa z Berkeley, to nie mogło być ono naświetlane dłużej niż 3-4 miesiące. Biorąc pod uwagę powyższe fakty, nasuwa się wniosek, że pluton użyty w próbie z 1962 roku był prawie klasy zbrojeniowej. Według World Nuclear Association, nie mógł on zawierać mniej niż 85% plutonu-239. Wypalone paliwo z cywilnych reaktorów ma znacznie niższą zawartość plutonu-239, więc pomyślny wynik tej próby w żaden sposób nie dowodzi, że można skonstruować bombę z paliwa wypalonego w reaktorach energetycznych.

Likwidacja broni jądrowej dzięki elektrowniom jądrowym

Energetyka jądrowa przyczyniła się do redukcji arsenału jądrowego w większej mierze niż jakakolwiek inna dziedzina ludzkiej działalności. Dzięki wytworzeniu cywilnego popytu na materiały rozszczepialne rozbrojenie stało się bardzo korzystne finansowo.

Głowice jądrowe produkowane masowo podczas zimnej wojny zawierają znaczne ilości materiałów rozszczepialnych, które można wykorzystać w energetyce. Traktaty rozbrojeniowe podpisane między USA a Rosją zakładają redukcję arsenałów o 80%. Broń jądrowa tych dwóch państw zawiera 2000 ton wysoko wzbogaconego uranu (równowartość 12 lat światowej produkcji uranu) oraz 260 ton plutonu (około 1 rok światowej produkcji uranu). Uran wysokowzbogacony rozcieńcza się zubożonym uranem pozostałym po wzbogacaniu, aby otrzymać uran niskowzbogacony nadający się na paliwo do reaktora (3-5% zależnie od typu reaktora). Pluton również miesza się z uranem, otrzymując mieszane paliwo tlenkowe (MOX).

Materiały rozszczepialne pochodzące z broni jądrowej pokryją 13% światowego zapotrzebowania na uran w latach 2000-2013. Odpowiada to nieodwracalnemu zniszczeniu 1200 głowic jądrowych rocznie.

Polityczne ograniczenia proliferacji

Według informacji przeanalizowanych do tej pory, istnieją tylko dwie drogi prowadzące do otrzymania broni jądrowej: budowa zakładu wzbogacania uranu bądź reaktora przeznaczonego do produkcji plutonu, połączona z zakrojonym na szeroką skalę programem badawczym. Obydwie drogi wymagają ogromnych nakładów finansowych oraz udziału wielu ekspertów z różnych dziedzin. Można więc wykluczyć możliwość skonstruowania broni jądrowej przez podmioty pozapaństwowe (np. organizacje terrorystyczne).

Ochrona arsenału jądrowego przed kradzieżą traktowana jest z najwyższą powagą, przede wszystkim ze względu na możliwość wykorzystania skradzionej broni przeciwko państwu, z którego została skradziona. Do tej pory taki przypadek nigdy się nie wydarzył. Równie nieprawdopodobne jest dobrowolne przekazanie czy sprzedaż broni jądrowej terrorystom, gdyż takie działanie narusza suwerenność państwa i stwarza zagrożenie atakiem odwetowym.

Wpadnięcie broni jądrowej w niepowołane ręce w wyniku przewrotu lub niestabilności politycznej jest wątpliwe ze względu na przesłanki historyczne. W latach 1966-1976 w Chinach trwała Rewolucja Kulturalna, która stanowiła próbę wprowadzenia autorytarnej struktury władzy podlegającej Mao Zedongowi i obalenia partii komunistycznej. Wywołało to zupełny rozpad porządku społecznego oraz głęboki kryzys ekonomiczny. Zniszczona lub zrabowana została większość zabytków i dzieł sztuki. Mimo tego Chiny nie utraciły kontroli nad swoim arsenałem jądrowym. Inny przykład stanowi rozpad Związku Radzieckiego. Nowo powstałe państwa: Ukraina, Białoruś i Kazachstan odziedziczyły w spadku znaczną ilość głowic jądrowych ZSRR. Do 1996 roku wszystkie zostały przekazane Rosji. Nie ma przekonujących przesłanek, że którakolwiek wpadła w niepowołane ręce.

Skutki proliferacji jądrowej

Większość dyskusji o proliferacji odbywa się w kontekście niepisanego założenia, że rozprzestrzenianie się broni jądrowej nieuchronnie prowadzi do wojny jądrowej, która może doprowadzić do zniszczenia cywilizacji. Niektóre fakty historyczne wydają się zaprzeczać temu założeniu. Po pierwsze, mimo otwartej wrogości między Stanami Zjednoczonymi a ZSRR w czasie zimnej wojny, nigdy nie doszło do bezpośredniego konfliktu zbrojnego między nimi. Rywalizacja między mocarstwami wywołała jednak „wojny pośrednicze” w państwach nie posiadających broni jądrowej, np. w Wietnamie i Korei. Po drugie, wieloletni konflikt zbrojny między Indiami a Pakistanem zmniejszył natężenie do lokalnych starć o Kaszmir, kiedy obydwa państwa weszły w posiadanie broni jądrowej.

Podsumowanie

• Budowa nowych reaktorów nie ułatwia produkcji broni jądrowej. Potwierdza to fakt, że żadne państwo posiadające broń jądrową nie użyło reaktorów energetycznych do jej otrzymania.
• Przetwarzanie wypalonego paliwa jądrowego nie ułatwia produkcji broni jądrowej, ponieważ odzyskany pluton nie nadaje się do jej budowy.
• Budowa broni jądrowej przy pomocy cywilnych instalacji nadzorowanych przez IAEA w tajemnicy przed społecznością międzynarodową jest praktycznie niemożliwa, przez co wpływ energetyki jądrowej na proliferację jest żaden.
• Energetyka jądrowa sprawia, że redukcja arsenału jądrowego jest wysoce korzystna finansowo, przyczyniając się do rozbrojenia.
• Jest bardzo mało prawdopodobne, by terroryści mogli kiedykolwiek zdobyć i wykorzystać broń jądrową do zamachu terrorystycznego, jednak organizacje międzynarodowe jak np. IAEA (International Atomic Energy Agency - Międzynarodowa Agencja Energii Atomowej) uwzględniają takie ryzyko i prowadzą działania mające na celu jego całkowite wyeliminowanie.
• Najskuteczniejszym sposobem zmniejszenia ryzyka proliferacji są działania dyplomatyczne. W ten sposób nakłoniono Republikę Południowej Afryki do rezygnacji z broni jądrowej w 1989 r. i jej zniszczenia pod kontrolą inspektorów międzynarodowych.
• Nie jest pewne, czy proliferacja prowadzi do wojny jądrowej, czy też jej zapobiega.

Źródła

• Grzegorz Jezierski „Energia jądrowa wczoraj i dziś”, WNT, Warszawa 2005
• World Nuclear Association: Plutonium
  http://www.world-nuclear.org/info/inf15.html
• Plutonium Isotopics – Non-Profileration And Safeguards Issues http://www.fas.org/nuke/intro/nuke/O_9705.htm
• Additional Information Concerning Underground Nuclear Weapon Test of Reactor-Grade Plutonium
  http://permanent.access.gpo.gov/websites/osti.gov/www.osti.gov/html/osti/opennet/document/press/pc29.html

autor: Krzysztof Kosiński (Uniwersytet Warszawski)