Vässad svensk teknik avslöjar kärnvapen

Natten den nionde oktober 2006 sker en kraftig explosion djupt under marken i berget Punggye-ri i Nordkorea. Skalvet registreras av seismografer över hela världen, även i Sverige.

Men var det ett kärnvapenprov? Ja. Och svaret kom efter att mätningar gjorda av FOI på plats i Sydkorea visat på spår av radioaktivt xenon i atmosfären som kunde knytas till explosionen.

Mätningar av radioaktivt xenon kan utgöra det enda säkra beviset för att ett kärnvapenprov ägt rum.

Känsliga mätsystem, som automatiskt samlar in och mäter luftprover med avseende på denna ädelgas, är därför utplacerade över hela jorden. Sverige är ett av få länder i världen som tillverkar utrustning av det här slaget. Det svenska SAUNA-systemet (Swedish Automatic Unit for Noble gas Acquisition) är utvecklat av oss på FOI och säljs i dag av en licensierad tillverkare. Systemet är så känsligt att det räcker med 100 xenonatomer per kubikmeter luft för att instrumentet ska ge utslag. Problemet är att systemen är relativt stora – det krävs en stor container – och kostsamma. Det gör att det fortfarande är ganska glest mellan mätsystemen, och även om de är känsliga så är sannolikheten relativt stor att det missar ett xenonmoln.

Vi ställde oss därför frågan om det skulle gå att, till ungefär samma kostnad, tillverka ett flertal något mindre känsliga enheter som tillsammans, genom att de placeras ut på en större yta, ändå ger en bättre mätförmåga. Datorsimuleringar visade att ett sådant system skulle öka möjligheten att upptäcka xenon och avgöra varifrån gasen kommer. Lokaliseringen av källan sker med hjälp av modeller för luftens transport i atmosfären. Det nya konceptet skulle resultera i att fler sensorer kan träffas av samma utsläpp, vilket i sin tur minskar osäkerheten i lokaliseringen.

Arbetet från idé till färdig industriprototyp, som skett i samarbete med den licensierade tillverkaren, har tagit fyra år, och inneburit mängder av utmaningar. Det hela landade i en lösning som består av fem mätenheter sammankopplade till ett nätverk, eller en array. En enskild mätenhet i arrayen, kallad SAUNA-CUBE, har en känslighet som är ungefär 50 procent lägre än nuvarande system, men är betydligt mindre och dessutom lättare att installera och underhålla. Avståndet mellan enheterna i det system som nu byggs upp och testas i Sverige är 20–50 mil.

Provsprängningar görs för att verifiera kärnladdningens funktion, men också för att samla in data som kan användas i simuleringar eller för att studera vapnets effekter. Dessutom är en provsprängning givetvis också en politisk handling. Att kunna upptäcka provsprängningar av kärnladdningar är en viktig del i arbetet med att förhindra spridningen av kärnvapen i världen. Internationellt sker detta arbete i dag inom ramen för det fullständiga provstoppsavtalet CTBT, som de flesta stater skrivit på. CTBT har ett omfattande verifikationssystem, där vårt SAUNA-system i dag är en viktig komponent.

Vid ett underjordiskt kärnvapenprov, som vanligtvis sker hundratals meter under marken, kommer detonationen att orsaka en stötvåg som kan mätas med seismologiska instrument, ofta över hela jordklotet. Exempelvis har Nordkoreas alla kärnvapenprov uppmätts av seismografer i Sverige. I många fall går det att skilja på explosioner och jordskalv med denna metod, men det går däremot inte att säga att en explosion var ett kärnvapenprov eller om den var utförd med hjälp av konventionella sprängmedel.

Det är här detektion av radioaktivt xenon kommer in i bilden. När en kärnladdning detonerar under jord bildas en mängd radioaktiva partiklar, främst via kärnklyvning av uran eller plutonium. De flesta kommer att bindas till den omgivande berggrunden och stanna kvar under jord. Ett underjordiskt prov är därför det troligaste scenariot för ett land som vill genomföra ett hemligt prov. Men det är inte alla radioaktiva produkter som binds i fasta ämnen – en stor del är i form av gas. Ädelgasen xenon, som inte reagerar kemiskt med sin omgivning, har större sannolikhet för att läcka ut i atmosfären via sprickor i marken än vad partiklar har. Om man kan fånga in och mäta detta xenon i luften, och sedan visa att de insamlade atomerna kommer från en explosion, som exempelvis registrerats med seismologiska metoder, har man bevis för att explosionen var ett kärnladdningsprov.

Förutom att xenon är en ädelgas har den andra egenskaper som gör den lämplig för att avslöja kärnvapenprov. Flera av dess isotoper är tillräckligt långlivade för att kunna spridas långa sträckor i atmosfären (hundratals mil). Dessutom regnar de inte ner på marken som partiklar kan göra.

Men samma skäl som gör att xenon smiter från provsprängningar gör också att gasen är svår att fånga, jämfört med partiklar. När radioaktiva partiklar detekteras strömmas stora volymer luft genom ett filterpapper, vars radioaktivitet sedan mäts med hjälp av en detektor som mäter gammastrålning. För att samla in och mäta xenon krävs i stället en relativt komplicerad process i flera steg. Först måste ämnen som vatten, koldioxid och radon tas bort från den insamlade luften, och xenonet koncentreras till ett litet prov. I vår nya sensor samlas luften in i 12 timmar, och efter tre timmar har ett prov med cirka 1 ml rent xenon tagits fram.

Xenonprovet förs sedan in i en detektor som mäter både beta- och gammastrålning för att undersöka om provet innehåller någon radioaktiv komponent. Hela processen, från insamling, via provberedning till analys och rapportering, sker automatiskt.

Men även om man upptäcker radioaktivt xenon i ett luftprov så behöver det inte komma från ett kärnvapenprov. Av det radioaktiva xenonet i atmosfären är 95 procent biprodukter från tillverkning av ämnen för medicinsk diagnostik. Resten kommer framför allt från kärnkraftverk. Även om dessa utsläpp är inom tillåtna gränser, och inte utgör någon hälsofara, så störs CTBT:s mätningar. Ett arbete pågår med att få anläggningar som producerar medicinska isotoper att installera system som minskar xenonutsläppen, något som kärnkraftverken redan har, eller att få dem att rapportera utsläppen dagligen. Genom att beräkna hur utsläppen sedan transporteras med vindarna i atmosfären kan man uppskatta hur mycket xenon som borde träffa en mätstation och på så sätt minska antalet falsklarm.

Men det finns också andra sätt att särskilja xenon som bildats i en kärnvapenexplosion och andra källor. Xenonsystemen mäter nämligen förekomsten av fyra olika isotoper av xenon. Relationen mellan dessa isotoper varierar kraftigt, bland annat beroende på när och hur xenonet producerades, och när xenongasen separeras från andra radioaktiva ämnen. Xenon som bildas i en kärnladdningsexplosion och som sedan snabbt tar sig ut i atmosfären kommer därför att ha en helt annan sammansättning än xenon som släpps ut av en reaktor i rutindrift.

Att spåra radioaktivt xenon från ett kärnvapenprov är ett detektivarbete som går ut på att skaffa tillräckligt med bevis med hjälp av mätningar och analys. Det pågår ett ständigt arbete att förbättra mätsystemen och analysmetoderna. Tidigare har FOI och andra utvecklare fokuserat på att bygga så känsliga enskilda mätsystem som möjligt. Detta uppnår man genom att samla in mycket luft på kort tid, och mäta det separerade provet med en känslig detektor. På det sättet uppnår man hög detektionskänslighet för alla fyra xenonisotoper, och därmed också god förmåga att karaktärisera ett utsläpp. Om man dessutom förkortar insamlingstiden för ett luftprov kommer förmågan att lokalisera utsläppet också att öka något. Den senaste versionen av det traditionella SAUNA-systemet (SAUNA III), som just nu planeras att installeras i CTBT:s nätverk, samlar in och analyserar dubbelt så mycket luft på halva den tid det tar för den version som nu används.

Dessa mycket känsliga system fungerar mycket bra, och har bland annat sett xenon från två av Nordkoreas sex tester gjorda 2006–2017. Men ett av skälen till att vi inte har sett xenon från fler prov är att nätverket är för glest. Även om de system som står på dessa platser får ytterligare ökad känslighet finns det en gräns för hur effektivt nätverket kan bli med nuvarande antal stationer. Dessutom verkar det som att flera av Nordkoreas tester släppte ut mindre xenon än förväntat. Men skulle man då inte kunna öka antalet mätplatser? Jo, men på grund av politiska, ekonomiska och avtalstekniska skäl finns det just nu små möjligheter att göra det, inom de närmaste åren. De nu existerande och känsligare systemen kommer fortfarande att vara mycket viktiga, speciellt på vissa platser, men på många ställen skulle arrayer av den typ som just nu provas av FOI antagligen öka förmågan att upptäcka kärnvapenprov i världen.

Svaret på hur mycket har vi om ett par år när vi har testat systemet och utvecklat nya analysmetoder.

Vi siktar på att ha den första fullständiga arrayen i drift i Sverige i slutet på 2020 och ser verkligen fram emot att sätta tänderna i de unika data som kommer att produceras.