Proliferatie

Verspreiding van Kernwapens

    Bijna alle landen - behalve Israël, India, Pakistan en Noord-Korea - hebben het 1968 VN non-proliferatie-verdrag (NPT) ondertekend en geratificeerd. Daarmee verklaren ze o.a. niet mee te zullen werken aan de verspreiding van splijtbare elementen, technologiëen en hulpmiddelen  die gebruikt kunnen worden om kernwapens te maken. Het verdrag erkent 5 landen als Nuclear Weapon States (NWS): V.S., V.K., Frankrijk, China en de Russische Federatie. Het verdrag erkent ook het recht van de ondertekenende landen om nucleaire technologie voor vreedzeme doelen te gebruiken. Nu is er een historische discrepantie tussen het vreedzaam gebruik van nucleaire technologie en het maken van kernwapens. Je kunt immers met nieuwe of afgewerkte splijtstof van een kernreactor kernwapens maken. Daarom is het IAEA in het leven geroepen die allerlei zaken rondom kernsplijtstof en kernreactoren controleert en rapporteert. Maar een land kan de toegang van IAEA controleurs tot nucleaire faciliteiten makkelijk ontzeggen of die faciliteiten geheim houden, zoals bijv. in Iran is gebeurd. Als een land zelf ook beschikt over Uranium- of Thorium-ertsvoorraden binnen de eigen grenzen, dan kan een nationaal kernwapenprogramma door het IAEA niet tegengehouden worden. Dit is gebleken bij India, Noord-Korea, Pakistan en (vermoedelijk) Iran die kernwapens hebben ontwikkeld na totstandkoming en ondertekening van het NPT. Israël heeft heimelijk kernwapens sinds 1966, dus al vóór het bestaan van het NPT. Verder hebben de landen Irak, Roemenië, Spanje, Syrië, Taiwan, Myanmar (met hulp van Noord-Korea), Libië, Brazilië (samen met Argentinië) in het verleden een kernwapen-programma gestart, maar heeft dat (voor zover bekend nog) niet geleid tot daadwerkelijk inzetbare kernwapens. Zuid-Afrika heeft in 1989 haar heimelijk ontwikkelde 6 atoombommen vernietigd. Verder zijn er natuurlijk NATO-landen (waaronder Nederland) die kernwapens onder Amerikaans toezicht hebben gestationeerd. De landen Zuid-Korea en Japan hebben te kennen gegeven als tegenwicht van de Noord-Koreaanse kernwapen-dreiging te willen beschikken over kernwapens op hun grondgebied. Saoedie-Arabië heeft aangegeven dat als Iran een eerste kernproef uitvoert een eigen kernwapen-programma op te zullen starten. Daar komt bij dat de Russische Federatie en China hun kernwapenarsenaal aan het uitbreiden zijn. Hoe meer landen beschikken over kernwapens, hoe groter de drang wordt bij landen die ze niet hebben om ze óók te ontwikkelen. En dat verhoogt aanzienlijk de kans dat ze ooit gebruikt gaan worden door enig land. Het NPT voorziet ook in een ontwapenings-paragraaf. De SALT I, SALT II, START en NEW START verdragen tussen de Sovjet-unie/Russische Federatie en de V.S. zijn daar een voorbeeld van. Maar helaas zijn de Russische Federatie en China hun kernwapen-arsenaal weer druk aan het uitbreiden. Niet alleen willen steeds meer landen de beschikking hebben over kernwapens, ook terroristische groeperingen willen ze graag hebben. Dat dit geen fantasie is, getuige deze lijst van pogingen, die ongetwijfeld niet compleet is. De kracht van een kleine terroristische 10 kTon TNT kernbom is niet zozeer de explosieve kracht. De 'kracht' is  meer de compactheid van een 10 kton TNT kernbom, die ruim in een krat van 1 kubieke meter past (het volume voor een conventionele 10 kton TNT-explosief bom zou ongeveer 91 zeecontainers van 40 ft behelzen); de paniek die ontstaat; de radioactieve fall-out; de sociale, politieke en militaire impact en ook de precedent-werking. Veel non-proliferatie-deskundigen vinden  dat het NPT forse versterking nodig heeft om verdere verspreiding van kernwapens tegen te gaan.
    Een nieuwe zorg is de mogelijke ontwikkeling van kernwapens door 'rogue investors'. Dat kunnen private companies zijn of billionaires. Er zijn al ontwikkelingen gaande van billionaires die ongewenste politiek invloed aan het uitoefenen zijn. Te denken valt aan Elon Musk die met zijn 'Starlink'-programma de oorlog Rusland-Oekraïne heeft kunnen beïnvloeden. Of Marc Zuckerberg die met Facebook verkiezingen sterk negatief kan beïnvloeden en zelfs nationaal etnisch geweld sterk kan aanwakkeren. Het Pentagon heeft dat gevaar al in 2013 gesignaleerd en een onderzoek laten doen of het mogelijk zou zijn dat private companies (in eigendom van billionaires) in staat zouden zijn onopgemerkt een atoombom te maken en die zelf voor politieke doeleinden in te zetten of te verkopen aan bepaalde landen. Het geheime eindrapport bevestigde dat dat goed mogelijk was en dat de prijs ca $1 miljard zou zijn in een tijdsduur van 5 jaar, aldus een artikel in de Wall Street Journal.

Schending NPT door NL

    Nederland heeft in het verleden dit NPT-verdrag al eens geschonden door bewust niet te acteren op én zelfs mee te werken aan spionage en diefstal van gas-ultracentrifuge technologie van Urenco in Almelo door Abdul Q. Khan die de technologie naar Pakistan bracht en als hoofd van het Pakistaanse atoomprogramma met de technologie aan de slag ging. Zo kon een voldoende hoeveelheid Uranium 235 gemaakt worden, om daarmee eigen kernwapens te fabriceren. Dit als antwoord op de geslaagde eerste atoomproef van India in 1974. De eerste Pakistaanse geslaagde atoomproef vond plaats in 1998. Khan verkocht later als privé-persoon (!) de technologie ook aan Iran, Noord-Korea en Libië. De spionage bij Urenco vond plaats in 1975 en werd opgemerkt door zijn collega Frits Veerman, die dit meldde aan zijn werkgever. Veerman kreeg een spreekverbod en werd in zijn werk benadeeld en uiteindelijk ontslagen. De BVD en CIA waren op de hoogte van de spionage. De CIA heeft in 1975 aangegeven aan de Nederlandse autoriteiten Khan niet aan te houden maar wél te laten volgen om zo 'meer informatie te verkrijgen'. Khan keerde uiteindelijk van zijn vakantie in Pakistan in 1975 niet meer terug. Khan werd veel later nog wel vervolgd voor spionage in Nederland en bij verstek veroordeeld tot 4 jaar, maar in 1985 werd de zaak niet meer opportuun geacht door de hoge raad en volgde vrijspraak. Ook dit bleek gebeurd te zijn op voorspraak van de CIA. Naderhand is Khan nog twee maal in Nederland geweest. Het hele verhaal is te beluisteren in een uitzending van Argos VPRO. Het vermoeden is dat de V.S. de atoomdreiging die van India uitging naar Pakistan, in evenwicht gebracht moest worden door Pakistan ook een kernwapen te laten ontwikkelen. Dat de gestolen ultracentrifuge-technologie ook succesvol in Noord-Korea en Iran zou kunnen worden toegepast, heeft men klaarblijkelijk niet kunnen bedenken...

Breeder Reactoren

    Veel deskundigen vinden ook dat het bouwen en in bedrijf stellen van een snelle kweekreactor (breeder) een schending van het NPT-verdrag is als dat gebeurt door een land dat geen Nuclear Weapon State is ('snelle' refereert aan snelle neutronen i.t.t. thermische/gemodereerde neutronen in een LWR reactor zoals Borssele). Een snelle kweekreactor kweekt meer nieuw Plutonium uit Uranium 238 dan dat het versplijt. Elke snelle kweekreactor kweekt 'weapon-grade' Plutonium; Plutonium met minder dan 7% Plutonium-240 en minimaal 93% Plutonium-239/241. Dat Plutonium is niet warm of erg radioactief en dus goed handelbaar. De Plutonium-kweek gebeurt in de regel met splijtstofelementen die in de blanket (buitenste ring) opgesteld staan in de reactor en uitsluitend Uranium-238 bevatten. Na bestraling door snelle ongemodereerde neutronen ontstaat vooral Plutonium-239. Het Weapon-grade Plutonium kan met de juiste voorzorgsmaatregelen relatief eenvoudig en veilig m.b.v. het PUREX proces afgescheiden worden uit die bestraalde blanket splijtstof-elementen, die heel weinig splijtingsproducten bevatten. Nederland, Duitsland en België besloten gedrieën in 1973 een snelle kweekreactor type SNR-300 te bouwen in Kalkar, Duitsland. De oorspronkelijke bedoeling was dat het nieuw gekweekte Plutonium gebruikt zou gaan worden in nieuwe splijtstofstaven i.p.v. het gebruikelijke dure Uranium-235. Die Kalkar reactor kon dus weapon-grade Plutonium met een productie-capaciteit van ca 100 kg per jaar produceren dat net zo goed voor kernwapens valt te gebruiken. 100 kg is genoeg om ca 15 Nagasaki atoombommen (Fat Man; 21 kiloton TNT) te maken. Gelukkig is de Kalkar-reactor nooit in bedrijf gekomen. Het probleem met Plutonium-voorraden en transporten is dat ze gestolen c.q. overvallen kunnen worden en in handen kunnen komen van terroristische groeperingen. Plutonium kan ook op een heimelijke manier in handen komen van zgn. rogue state's. Naar gelang Plutonium voorraden blijven groeien in de wereld, wordt de kans op proliferatie van kernwapens steeds groter. Bezorgde wetenschappers en non-proliferatie deskundigen vinden al jaren dat Plutonium de wereld uit moet en  dat bijv alle nationale Plutonium-voorraden (weapon grade én reactor-grade) onder toezicht van het IAEA moeten komen. Dat is nu voor reactor-grade Plutonium niet het geval; vooral in de Russische Federatie (88 ton), Verenigd Koninkrijk (116 ton) en de Verenigde Staten (46 ton). Bestaande voorraden Plutonium zouden bijv. onschadelijk gemaakt kunnen worden door ze te versplijten in door IAEA intensief gecontroleerde fast plutonium-burner reactoren (dus vooral geen breeders!). Vaak wordt voorgesteld Plutonium-voorraden te 'denaturaliseren' door meer Plutonium-240 toe te voegen, maar dan gaat het om weapon-grade Plutonium dat gemengd wordt met reactor-grade Plutonium. Het hoogste niveau dat met denaturalisatie te bereiken is, is dus reactor-grade Plutonium en daar is - helaas - ook een heel goede werkende kernbom mee te maken, zoals hier verderop wordt beschreven. Theoretisch kun je zelfs met 100% Plutonium-240 een kernbom maken; de kritieke massa van Plutonium-240 is nl. maar 40 kg.

Reprocessing SNF en MOX-SNF in Frankrijk

    Onder president MACRON is het nationale kernenergie-programma nieuw leven ingeblazen. Het investerings-programma 'France 2030', gepresenteerd in 2021, voorziet in totaal € 54 miljard aan subsidies tot 2030 en daarvan is € 8 miljard bestemd voor de energiesector. En van die € 8 miljard is weer het belangrijkste doel om innovatieve SMR's te ontwikkelen met een beter 'waste-management'. Met een beter waste-management wordt bedoeld alle splijtbare (fissile) en tot splijtbaar te transformeren (fertile) isotopen uit het Spent Nuclear Fuel (SNF) af te scheiden en opnieuw te versplijten in kernreactoren. Dit noemt men 'closing the fuel-cycle'. Eerdere dure (!) pogingen van Frankrijk in de vorige eeuw met de Natrium-gekoelde snelle kweekreactoren Phénix en Superphénix om hetzelfde te bereiken, zijn jammerlijk mislukt, waarna men overgegaan is op MOX-splijtstof (ge-reprocessed LEU SNF). Maar MOX SNF valt helaas niet verder te reprocessen en te versplijten, vanwege het hoge percentage niet-splijtbare (en onderling niet te scheiden) Plutonium isotopen.
  Frankrijk heeft grote voorraden LEU-SNF, MOX-SNF en ook een behoorlijke (groeiende) voorraad Plutonium. Het verkoopt soms Reprocessed Uranium (RepU) afkomstig uit in Frankrijk ge-reprocessed SNF aan Rusland. Daarbij blijft het radioactieve Plutonium en de radioactieve Minor Actinides (MA, Americium, Neptunium en Curium) over en verdwijnen in de opslag in afwachting van nieuwe MOX die gefabriceerd moet worden. De (ca. 300 jaar) radioactieve splijtingsproducten worden gescheiden van het SNF en gevitrificeerd en komen uiteindelijk in interim storage in afwachting van een geologische eindberging. Ongeveer de helft van Frankrijk's reactorpark draait voor 30% op MOX. Dat betekent dat de Plutonium en MA voorraad al tientallen jaren toeneemt. Daar komt ook de enorme vooraad Depleted Uranium (DU) bij afkomstig uit de Uranium-verrijkings-fabrieken. Frankrijk wil van al die voorraden af door ze niet in een dure eindberging op te slaan, maar door ze te versplijten in kernreactoren.
Het 'France 2030' investerings-programma investeert dus in startup's van nieuwe SMR-ontwerpen (zgn. waste-burners) die dat zeggen te kunnen. Het zijn Molten Salt Reactoren (MSR's) met een fast neutron spectrum. Het veelal gebruikte splijtingszout is een gezuiverd Plutonium-chloride (PuCl3) en Natrium-choride (NaCl) eventueel in combinatie met chlorides van Minor Actinides. Fluoride-zouten werken niet in MSR's met een fast neutron spectrum omdat Fluor neutronen modereert. Fluoride-zouten worden dus alleen gebruikt in MSR's met een thermisch neutronen spectrum. Een gezuiverd chloride wil hier zeggen: een zout dat alleen bestaat uit de Chloor-37 isotoop. Natuurlijk voorkomend Chloor bestaat voor 75% uit de Chloor-35 isotoop en voor 25% uit Chloor-37. Chloor-35 kan in de reactor een neutron invangen en wordt dan het langlevend radioactieve (beta-straler) Chloor-36. Er ontstaat dan (opnieuw!) langlevend (300.000 jaar) radioactief afval en omdat Chloor-zouten goed oplossen in water kan dit problemen geven bij de verwerking en berging van  afval uit de reactor. Chloor-35 dient dus verwijderd te worden vóórdat men het PuCl3 zout voor de MSR-reactor maakt omdat het in de reactor een neutron kan invangen en zo Chloor-36 kan doen ontstaan. Daar moet dus een (duur) Chloor-37 verrijkingsproces met gascentrifuges voor ontwikkeld worden.
    In februari 2024 verkondigde de Conseil de Politique Nucléaire dat Frankrijk's closed nuclear fuel cycle strategy gecontinuëerd zou worden. Begin maart 2024 kondigde de Franse minister van economie, financiën en industrie aan de levensduur van de recycling/reprocessing-fabrieken in La Hague en Melox te verlengen ná 2040. Maar ook werd een studie aangekondigd voor de bouw van een nieuwe MOX-fabriek in La Hague en een studie voor de bouw van een nieuwe  SNF-verwerkings fabriek, beide in 2045-2050. Inmiddels hebben ook 5 MSR startup's en 3 Natrium gekoelde ontwerpen (alle fast neutron spectrum) een subsidie van gemiddeld € 10 miljoen ontvangen, om hun ontwerpen verder te ontwikkelen. Het gaat hier om www.stellaria-energy.com (MSR), www.thorizon.com (MSR), www.newcleo.com (MSR), www.naarea.fr (MSR), www.jimmy-energy.eu (MSR), www.hexana.fr (Natrium gekoeld), www.otrera-energy.fr (Natrium gekoeld), www.bc.technology (Natrium gekoeld, TRISO). Al deze SMR ontwerpen hebben een klein vermogen van max. 100 MWe en draaien grotendeels op Plutonium (en voor een heel klein percentage op Minor Actinides). Dat betekent dat er in Frankrijk nog véél meer gesleept gaat worden met Plutonium-splijtstof voor die kleine waste-burner SMR's, terwijl Frankrijk al héél veel Plutonium in MOX-splijtstof transporteert voor het bestaande PWR reactorpark. Vanuit proliferatie-standpunt gezien is dat een zeer ongewenste situatie. 

MOX in Nederland

De door Nederland uitgesproken intentie in de 10e NPT conferentie in Augustus 2022 voor een ban op het produceren van splijtbare materialen m.b.t. de onderhandelingen over het FCMT (Fissile Material Cut-off Treaty), strookt eigenlijk niet met het huidige gebruik van MOX in de kerncentrale Borssele. Het gebruik van MOX stimuleert namelijk de Plutonium-productie en voorraad bij de MOX-producent (Orano, Frankrijk). MOX (mixed Oxide) wordt geproduceerd door van SNF het Plutonium en Uranium te scheiden van de rest en dat te hergebruiken voor nieuwe splijtstof-elementen. De MOX splijtstof die kerncentrale Borssele gebruikt, bestaat uit 5,41% Plutonium-239/-241, 2,6 % Plutonium-240, 0,25% Uranium-235 en ca. 92% Uranium-238. In totaal dus ca 8% Plutonium. Het SNF van MOX-spijtstof wordt door de Borssele óók afgevoerd naar Orano, maar door Orano vanwege de hoge extra kosten niet meer verwerkt tot  nieuwe (2e generatie) MOX. Bovendien is het gehalte Plutonium-238/240/242 veel te hoog geworden, waardoor ander Plutonium uit de eigen Orano-voorraad bijgemengd zou moeten worden om een acceptabel niveau te krijgen dat geschikt is voor gebruik in een LWR reactor. Het MOX-SNF wordt door Orano opgeslagen in de hoop dat er in de toekomst waste-burner reactoren beschikbaar komen, waarin het hergebruikt kan worden. Het gebruik van MOX door Borssele is het gevolg van de beslissing dat Nederland geen eigen Plutonium-voorraad wil opbouwen en Frankrijk geen Plutonium afkomstig uit het buitenland wil toevoegen aan de eigen vooraad. Er is dus een soort 'Plutonium-balans' tussen Frankrijk en Nederland die zich bevindt tussen de nieuwe én de verwerkte MOX-splijtstof en gelijk wordt gehouden. Bovendien is het langdurige splijtstof-opwerkingscontract tussen Borssele en Orano, dat alleen tegen een hoge afkoopsom beëindigd kan worden, een verzekering geworden voor de verlengde tijd (t/m 2033) dat Borssele in bedrijf mag blijven. Het uitgebreide verhaal van het gebruik van MOX in Borssele valt te lezen in het boek van Kuperman. Voor een uiteenzetting van de proliferatie-risico's van MOX zie hieronder de paragraaf straling.

Highly Enriched Uranium (HEU) en High-Assay Low-Enriched Uranium (HALEU)

    HEU (Uranium-235 gehalte is 20% of meer) wordt vooral gebruikt in kernreactoren voor onderzoek en kan vaak wel een Uranium-235 gehalte hebben van 85% of hoger. Met die splijtstof kun je snel een gun-type kernbom maken. Je hebt er echter wel 56 kg voor nodig. Met neutronen-reflectoren en/of een zware tamper kan de kritische massa lager worden. Zelfs met HEU 20% Uranium-235 valt een gun-type-kernbom te maken, maar dan heb je er wel ca 400 kg van nodig en dat gewicht maakt de bom moeilijk hanteerbaar. Het proliferatie-risico van HEU is erg groot. Terroristische groeperingen kunnen het stelen. Onder initiatief van president Obama is met 4 Nuclear Security Summit's (2010-2016) een campagne opgezet om o.a. het civiel gebruik van HEU zoveel mogelijk uit te bannen. Dat is aardig gelukt. Als een land zelf Uranium heimelijk wil verrijken, valt dat meestal op omdat je er een grote energie-slurpende ultra-centrifuge fabriek voor nodig hebt.  Inmiddels zijn er laser-technieken ontwikkeld zoals bijv. SILEX en AVLIX waarmee Uranium isotopen (maar ook Plutonium isotopen!) te scheiden zijn van andere elementen of isotopen met ca. eenderde van de energiekosten van de gebruikelijke ultracentrifuge-techniek. Zo'n SILEX- of AVLIX-installatie is ook veel kleiner en daarom veel moeilijker te ontdekken door bijv. satellieten. Uiterst interessant dus voor dictators met een geheim kernwapenprogramma of terroristen.
    Tot en met 2005 gebruikte de hogefluxreactor in Petten HEU als brandstof, met een gehalte van ongeveer 90% splijtbaar Uranium-235. In 2005 en 2006 is de reactor overgeschakeld op het gebruik van HEU (20% Uranium-235) als brandstof. Vanaf mei 2006 gebruikt de reactor alleen nog LEU. Het Reactor Instituut Delft gebruikte ook tot 2005 HEU van 93%, daarna HEU 20% Uranium-235.
    HALEU is splijtstof met tussen de 5 en 19,75% verrijkt Uranium-235. Het gaat vooral gebruikt worden voor Small Modular Reactors en Gen IV snelle reactoren, die nu nog op de tekentafel liggen. Maar het relatief hoge Uranium-235 gehalte van 19,75% maakt deze verse splijtstof ook erg interessant voor terroristen om te stelen of voor autocratieën om het voor 'andere' doeleinden te gebruiken. Verrijking van Uranium is een non-lineair proces. Je hebt steeds minder centrifuges nodig om in een bepaalde tijdsspanne de uranium 235 concentratie hoger te maken. Bijvoorbeeld 3.936 centrifuges voor verrijking tot 4 procent, 1.312 centrifuges voor verrijking van 4 tot 20 procent, 546 centrifuges voor verrijking van 20 tot 60 procent en slechts 128 centrifuges voor verrijking van 60 tot 90 procent – de concentratie die nodig is voor een bom. Natuurlijk uraniumerts bevat ongeveer 140 atomen van de zware (U-238) isotoop voor elke lichte (U-235) isotoop. Tegen de tijd dat het verrijkingsproces 4 procent heeft bereikt, is het gelukt zo'n 115 van elke 141 zware atomen te verwijderen. Om van daar naar 20 procent te gaan hoeven de centrifuges nog maar 20 van elke 141 zware atomen te verwijderen. En vanaf daar is het nóg gemakkelijker om naar 90 procent te springen, de bomkwaliteit, door nog iets minder dan 5 zware atomen van elke 141 te verwijderen. Het bij leken onbekende gevaar is dus, dat kwaadwillenden 20% verrijkt HALEU splijtstof met een heel beperkt aantal ultra-centrifuges verder kunnen verrijken naar weapon-grade uranium (90% Uranium-235). En met 56 kilo 90% Uranium-235 is een hele simpele gun-type bom te maken.

Reactor-Grade Plutonium (RG-Pu)

Als een soort urban myth heeft heel lang (en nog steeds)  het verhaal gecirculeerd dat met reactor-grade Plutonium geen betrouwbare kernbom te maken zou zijn. Dat verhaal hoor je nog steeds vaak van kernenergie-apologisten, die niet van de hoed en de rand weten. Ook zou het heel erg moeilijk en kostbaar zijn om Plutonium af te scheiden uit gebruikte splijtsof elementen, terwijl al in 1977 in een studie is aangetoond door Floyd Culler (ORNL) dat dat heel goed kan op een quick and dirty manier. Reactor-grade Plutonium is volgens de algemene 1976-definitie Plutonium met meer dan 19% Plutonium-240. Het gaat dan om het Plutonium dat in volledig verbruikte splijtstofelementen (SNF - Spent Nuclear Fuel) zit als het de reactor uitkomt na gemiddeld 3 of 4 jaar. Ongeveer 1,15% van de verbruikte splijtstof uit een commerciële LWR-reactor (met een burn-up van 42 GWd/t)  is Plutonium. Dat bestaat uit ongeveer 53% Pu-239, 25% Pu-240, 15% Pu-241, 5% Pu-242 en 2% Pu-238. Plutonium-238 is de belangrijkste bron van warmte (1) en radioactiviteit (2) en zou de handling van het reactor-grade Plutonium zeer gevaarlijk maken. De predetonation probability (3) van een reactor-grade plutonium-bom zou met het 25% Plutonium-240-gehalte te hoog worden en de bom onbetrouwbaar maken. Die argumenten zijn niet waar en/of eenvoudig te omzeilen, zo blijkt:

• (1) Warmte In  14% van de gevallen splijt de isotoop Uranium-235 niet na het invangen van een neutron, maar ontstaat via een aantal transmutaties en verval-stappen de isotoop Plutonium-238 (U-235->U-236->U-237->Np-237->Np-238->Pu-238). Plutonium-238 vervalt naar Uranium-234 onder uitstraling van een alfa-deeltje. Daarbij komt ook behoorlijk wat warmte vrij, maar doordat het aandeel van Plutonium-238 in de totale Plutonium compositie van het SNF maar 2,7% is, zou dat in een hypothetische reactor-grade Plutonium-bom van bijv. 13 kg maar een aandeel hebben van 351 gram en gelijk staan aan een warmte-productie van max. 197 Watt (15 Watt/kg). Vergelijkbaar dus met twee gloeilampen van 100 Watt. Die warmte is niet voldoende om de conventionele explosieven, die nodig zijn om de critical mass te bereiken via implosie,  in een Plutonium-bom te doen ontleden. Een andere zorg was dat temperatuur-verhoging van het Plutonium er voor kan zorgen dat de allotropie-fase van het metaal aanmerkelijk kan verlagen en daarmee de dichtheid en daarmee de effectiviteit van het wapen. Maar door het Plutonium te legeren met 1% Gallium blijft het stabiel in de delta-fase tussen -75 en  475 graden Celsius. Een hogere temperatuur dan 475 C kan zo nooit bereikt worden, bovendien zou voor alle zekerheid de warmte van het Plutonium-238 eenvoudig afgevoerd kunnen worden via een aluminium thermal bridge.

• (2) R.A. Straling In de tabel met eigenschappen van Plutonium isotopen hierboven is te zien dat de afgegeven radioactieve straling ervan vooral alfa-straling is en dat de beta-(electronen) en gamma-straling(fotonen) gering is. Alfa-straling (helium-kernen) is normaal ongevaarlijk, het wordt al tegengehouden door het laagje dode huidcellen, die zich bevinden aan de oppervlakte van de levende huid van elk mens. Het is wél héél gevaarlijk bij inademing of inname. Adembescherming en handschoenen zijn noodzakelijk bij handling van Plutonium. Het Plutonium scheiden van het SNF is een klus die strenge voorzorgsmaatregelen vergt. De splijtings-producten en actiniden (zie figuur hierboven) die zich óók in het SNF bevinden, zijn behoorlijk radioactief door gammastraling. Een zgn. glove-box is dan ook noodzakelijk om met het welbekende en beschreven chemische PUREX-proces het Plutonium af te scheiden, nadat een robot in een afgesloten ruimte eerst de splijtstof elementen in stukjes heeft geknipt. Het PUREX-proces was oorspronkelijk ontworpen om Plutonium af te scheiden voor gebruik in kernwapens, maar het proces wordt nu gebruikt in alle splijtstof-opwerkingsfabrieken. Die stap in het PUREX-proces die het Plutonium isoleert, maakt het proces dus ook proliferatie gevoelig. Het zuivere Plutonium wordt onvermijdelijk enige tijd opgeslagen in de opwerkingsfabriek en is daardoor kwetsbaarder voor diefstal of verduistering. De drie belangrijkste chemicalieën die in het proces gebruikt worden zijn salpeterzuur, tributylfosfaat (TBP) en hydrazine. Dit zijn weliswaar gevaarlijke stoffen, maar wel zonder grote problemen verkrijgbaar.
  Voor nucleaire terroristen die SNF gestolen hebben is de afscheiding van Plutonium een vrij ingrijpende klus, maar zeker niet onmogelijk met een goede voorbereiding, zoals de Culler-studie uit 1977 al bewijst. Bovendien kunnen ze zich veroorloven wat minder stringent te werk te gaan als het gaat om stralingsbescherming. Het stelen van SNF is daarentegen iets gemakkelijker. SNF-transporten zijn (ook in Nederland!) niet beveiligd met zwaar gewapende escortes omdat men er (onterecht) van uitgaat dat de SNF-container en de radioactiviteit van het SNF, het transport voldoende beveiligen. In de V.S. bevinden zich op het terrein van kerncentrales vaak tientallen zgn. dry storage casks met SNF in de open lucht, die daar jaren staan af te koelen. Die dry cask's kunnen eenvoudig gestolen worden om elders open gemaakt te worden en de inhoud te verspreiden als 'vuile bom'. Maar ze kunnen door professionele nucleaire terroristen ook naar een geheim lab gebracht worden om daar het Plutonium eruit te halen.
  Als het de nucleaire terroristen om het Plutonium te doen is, dan is het simpeler om een transport met verse MOX-splijtstof te overvallen en beroven. De verse MOX voor kerncentrale Borssele bevat 5,41% Plutonium en natuurlijk geen radioactieve actiniden of splijtingsproducten, want die splijtstof-elementen zijn nog vers. De handling ervan is dus heel veel simpeler en makkelijker. Een transport met verse MOX splijtstof voor de jaarlijkse splijtstofwissel in Borssele bevat 12 MOX- (van 330 kg) en 18 LEU-splijtstofelementen. De 12 MOX-splijtstofelementen bevatten in totaal 214 kg Plutonium. Dat is voldoende voor ca 30 Plutonium kernbommen type Nagasaki van 21 kTon TNT. De transporten van verse MOX in Nederland naar Borssele worden begeleid met politie; geen speciale anti-terreur-eenheid uitgerust met automatische wapens.

• (3) Predetonation Probability Predetonation probability is de waarschijnlijkheid waarmee een te vroege sub-optimale ontsteking van een kernbom kan plaatsvinden. Daarmee wordt niet bedoeld de waarschijnlijkheid dat een kernbom met een subkritische massa Plutonium op een willekeurig moment ongecontroleerd ergens zou kunnen ontploffen waar het niet de bedoeling is.
  
  De ontsteking van een implosion-type Plutoniumbom gebeurt door allereerst de conventionele explosieven die zich in een bolvorm om de Plutonium-pit (de bolvormige kern van Plutonium-metaal)  bevinden gelijktijdig te laten ontploffen waardoor de sub-kritische Plutonium-pit sterk in elkaar geperst wordt en de dichtheid ervan toeneemt. Daardoor wordt de Plutonium-pit  eerst kritisch en vervolgens superkritisch, waarna de kettingreactie zich voltrekt. De tijd tussen het moment van ontploffing van de conventionele explosieven en het bereiken van super-kriticaliteit van de Plutonium-pit noemt men assemby-time.

Maar om die kettingreactie effectief in gang te zetten zijn er veel neutronen nodig die precies op het moment van super-kriticaliteit in de Plutonium-pit terecht komen. De conventionele manier om dat te doen is door een initiator in de holle ruimte van de Plutonium-pit te plaatsen (tegenwoordig gebruikt men een nauwkeurigere elektrische neutron generator). Die initiator bestaat uit twee elementen die van elkaar gescheiden zijn door een dunne coating die precies dun genoeg is om alfadeeltjes tegen te houden. Het ene element straalt alfa-deeltjes uit en het andere element stoot een neutron uit als de kern ervan een alfa-deeltje opneemt. Als alfa-straler wordt meestal Polinium-208, Polonium-210 of Actinium-227 gebruikt; als neutronen-leverancier Beryllium-9. Actinium-227 is verkrijgbaar als medische isotoop, Beryllium-9 is algemeen verkrijgbaar. De kracht van de implosie zorgt ervoor dat de twee elementen samenkomen en er een forse neutronenflux ontstaat die de kettingreactie in de superkritische Plutonium-pit opstart. Predetonatie betekent nu, dat de kettingreactie in de Plutonium-pit in de assembly-time start vóórdat de super-kriticaliteit bereikt is. Als dat gebeurt wordt de kracht van de Plutonium-kernbom een stuk minder en wordt dan een fizzle genoemd. 

Predetonatie kan veroorzaakt worden door Plutonium-240 dat in de Plutonium-pit aanwezig is. Hoe groter het gehalte, hoe groter de probability wordt. Zoals in de tabel hierboven te zien is, is het gehalte Plutonium-240 in reactor-grade Plutonium ca 25%. Plutonium-240 heeft namelijk de eigenschap spontaan te kunnen splijten. Bij elke spontane splijting komen gemiddeld 2,84 neutronen vrij. Het aantal neutronen dat per seconde en per gram vrij komt is 910, dat als een hoge waarde geldt (maar niet genoeg om bij een subkritische massa een kettingreactie te veroorzaken). De predetonation probability van reactor-grade Plutonium wordt hierdoor heel veel groter, nl. 90%. Een 20 kton TNT Plutonium kernbom zou dan nog maar een effect van 2 kton TNT hebben. Maar een 2 kton TNT explosie is nog steeds enorm, zie bijv de RTL Nieuws-video van de 2700 ton ammoniumnitraat (gelijk aan 1,1 kton TNT) explosie in de haven van Beiroet in 2020. 

Plutonium-239, dat meer dan 50% uitmaakt van Reactor Grade Plutonium, genereert veel alfa-deeltjes die met onzuiverheden in het afgescheiden Plutonium kunnen transmuteren. Daarbij komen neutronen vrij. In weapon-grade Plutonium is het gehalte Plutonium-239 zelfs ca 93% en dat zorgt vanzelfsprekend voor meer alfa-deeltjes en neutronen. Die neutronen kunnen in een gun-type weapon-grade Plutonium bom zorgen voor vroege kettingreacties en leiden tot sterk verminderde effectiviteit (een fizzle), omdat de assembly-time veel langer wordt in vergelijking tot een implosion-type bom. Bij een implosion-type bom wordt de Plutonium-pit veel sneller verdicht, doordat de samendrukkende krachten van alle kanten komen. De loop van een gun-type waepon-grade Plutonium-bom zou lang (5,5 m) en zwaar moeten zijn om de bullet voldoende snelheid (910 m/s) te kunnen geven zodat een fizzle voorkomen kan worden. In Los Alamos heeft men  in 1943 een dergelijke kernbom ontworpen genaamd Thin Man. Het bleek moeilijk te zijn om een geschikt vliegtuig te vinden dat Thin Man kon dragen. Daarom heeft men uiteindelijk gekozen voor het implosion-type (Fat Man). Reactor-grade Plutonium bevat ca. 25% Plutonium-240 dat neutronen kan genereren door spontane splijting. In een gun-type reactor-grade Plutonium bom zou de predetonation prabability nog veel groter zijn dan bij weapons-grade Plutonium en de loop zou een lengte moeten hebben langer dan die van een bommenwerper.

Er zijn een paar relatief simpele maatregelen te nemen waardoor die hoge predetonation probability van reactor-grade Plutonium in een implosion-type kernbom terug te brengen zijn tot die van weapons-grade Plutonium:

• Door de hoeveelheid Plutonium te verminderen (!), neemt de kans dat in de sub-kritische en kritische fase te vroege kettingreacties ontstaan en voor een fizzle zorgen (predetonation probability) aanmerkelijk af en wordt zelfs die van weapon-grade Plutonium bereikt. Immers, hoe minder massa de Plutonium-pit heeft, hoe minder neutronen uit spontane splijting van Plutonium-240 ontstaan zullen in de totale massa van die pit, bij gelijkblijvend Plutonium-240-gehalte. De (niet-neutron-gereflecteerde) kritische massa van Plutonium-239 in alpha-fase is 10 kg, van weapon-grade Plutonium in delta-fase 16,9 kg en van reactor-grade Plutonium in delta-fase 19,3 kg. Er is te berekenen dat met reactor-grade Plutonium een implosion-type kernbom te maken is met een kracht van 5 tot 13 kTon die een predetonation probability heeft die zelf iets kleiner (!) is dan van weapons-grade.

• Het gebruiken van een levitated design voor de implosion-type bom. Dat wil zeggen dat zich  een luchtspleet bevindt tussen de Plutonium-pit en de omringende explosieven. Die spleet zorgt ervoor dat de schokgolf van de explosieven sterker kan worden en dus de plutonium-pit met meer kracht kan raken. Een spijker sla je effectiever in een houten plank als je er met een hamer op slaat dan als je er met een hamer op duwt.

• Het gebruik van een booster. De Plutonium-pit krijgt een holte, waarin net vóór detonatie een kleine hoeveelheid van een Deuterium/Tritium-gasmengsel wordt geïnjecteerd. Door de hoge druk en warmte van de kettingreactie in het reactor-grade Plutonium zal in dit D/T-gasmengsel een kernfusie plaatsvinden dat veel zeer snelle neutronen het reactor-grade Plutonium inschiet en de hele kettingreactie van het Plutonium veel effectiever doen verlopen. Het gebruik van een booster maakt de implosion-type Plutoniumbom immuun voor predetonation probability.

Referenties:

1962 - Operatie Storax Nevada - Succesvolle bovengrondse 20 Kiloton kernproef met reactor-grade Plutonium (Het Plutonium-240 gehalte is (om veligheidsredenen) nooit bekend gemaakt, maar volgens Gregory Jones lag het tussen de 20 en 23%.

1980 - Nature - Armory B. Lovins - Nuclear weapons and power-reactor plutonium

1993 - Science & Global Security - J.C. Mark et al. - Explosive Properties of Reactor-grade Plutonium

1998 - Richard L. Garwin - Reliable Nuclear Weapons with RG-Pu 

2015 - Gregory S. Jones - Fissile Material Conversion Times, Wastage and Significant Quantities

2017 - Victor Gilinsky et al. - A Fresh Examination of the Proliferation Dangers of LWR's

2018 - Gregory S. Jones - Reactor-Grade Plutonium and Nuclear Weapons: Exploding the Myths

2019 - Gregory S. Jones - Reactor-Grade Plutonium and Nuclear Weapons: Ending the Debate

2018 - Prof. Dr. Alan J. Kuperman - Plutonium for Energy Explaining the Global Decline of MOX