Iran will sein Uran jetzt so weit anreichern, dass es zum Bau primitiver Atombomben geeignet wäre. Gero von Randow erklärt die Wege vom Rohstoff zur Waffe.

Irans Ankündigung, Uran bis zu 20 Prozent anzureichern, hat viele Staaten beunruhigt. Um den Grund zu verstehen, muss man ein wenig über den Bau von Atomwaffen wissen.

Der Zentralbegriff der Atombombe ist, wie sollte es anders sein, das Atom. Die Materie, mit der es der Mensch auf der Erde zu tun hat, ist aus chemischen Grundstoffen aufgebaut, die "Elemente" heißen, darunter Wasserstoff, Kohlenstoff und Uran. Und die kleinste Einheit eines Elements ist das Atom.

Natürlich besteht das Atom seinerseits aus kleineren Teilen, aber nur als Ganzes hat es die Eigenschaften des jeweiligen Elements. Atome des gleichen oder verschiedener Elemente können sich zu Molekülen zusammentun, die dann wieder ganz andere, neue Eigenschaften aufweisen können.

Das Atom besteht, vereinfacht gesagt, aus einem Kern und einer Hülle. Die Hülle dürfen wir uns als Aufenthaltsraum der Elektronen vorstellen. Das sind die elektrisch negativen Teilchen, wie sie auch durch unsere Stromleitungen fließen. Der Atomkern wiederum besteht aus zwei verschiedenen Sorten Teilchen: positiv geladenen Protonen und elektrisch neutralen Neutronen.

Protonen und Neutronen fasst man auch unter dem Begriff der Nukleonen zusammen (von lat. nucleus = der Kern). Die Anzahl der Protonen im Kern eines Atoms ist seine sogenannte Ordnungszahl, die Anzahl der Nukleonen seine Massezahl. Das chemische Verhalten eines Atoms wird durch die Anzahl seiner Protonen bestimmt, also durch die Ordnungszahl.

Es gibt Atome mit gleicher Ordnungs- und unterschiedlicher Massezahl: solche Geschwister heißen Isotope. Uran beispielsweise hat mehrere Isotope, und im Folgenden ist von zweien die Rede, die sich durch ihre Massezahl voneinander unterscheiden: Uran-235 und Uran-238, abgekürzt U-235 und U-238.

Da beide die gleiche Anzahl von Protonen aufweisen (Ordnungszahl 92), verhalten sie sich chemisch gleich, sind also chemisch nur schwer voneinander zu trennen. Aber ihre Masse ist unterschiedlich, weshalb sie sich in einer Zentrifuge unterschiedlich verhalten. Das kann man ausnutzen, wenn man beispielsweise den Anteil des atomwaffentauglichen Uran-235 im Gemisch erhöhen will (das nennt man dann "Uran-Anreicherung").

Ist ein Atom mit Ordnungs- und Massezahl beschrieben, nennt man es auch ein Nuklid. Manche Nuklide, die sogenannten Radionuklide, sind radioaktiv. Das bedeutet, dass sie sich von selbst, ohne Einwirkung von außen, in andere Nuklide verwandeln. Dabei geben sie Energie in Form unterschiedlicher Arten von Strahlung ab.

Das hat folgenden Grund: Angenommen, in einer Art Baukasten liegen Neutronen und Protonen herum, und wir wollen einen Atomkern daraus bauen. Dann stehen wir vor dem Problem, dass die Protonen, weil sie doch elektrisch gleich geladen sind, einander wechselseitig abstoßen, je mehr wir sie zusammenbringen. Es muss also Kraft aufgebracht werden, sie zusammenzuhalten: Kernkraft.

Sie ist die stärkste Kraft, die wir kennen; auch sie entsteht wegen des Energieerhaltungssatzes keineswegs aus dem Nichts, sondern nach Albert Einsteins berühmter Formel E = mc2 direkt aus der Masse der Atombausteine (E ist die Energie, m die Masse und c die Lichtgeschwindigkeit). Aus diesem Grund ist die Gesamtmasse eines Atomkerns stets kleiner als die Summe der Massen seiner Nukleonen; das Massedefizit ist der Preis für die Kernbindungsenergie.

Nun gibt es aber ein Phänomen, das man sich zunutze machen kann: Das Massedefizit ist nicht in allen Atomkernen gleich groß; in den mittelschweren ist es am größten. Zerspaltet man nun schwerere Atomkerne wie den des Urans in mittelschwere oder fügt man leichte Kerne wie diejenigen der Wasserstoff-Isotope Deuterium und Tritium zu etwas schwereren zusammen (Fusion), dann wird nach Einsteins Formel besonders viel Masse in Energie umgewandelt, und zwar hauptsächlich in Form von Bewegungsenergie der beteiligten Teilchen, die sich beim Abbremsen in Wärme und elektromagnetische Strahlung (zum Beispiel Licht) umwandelt. Die Fusion liegt der Wasserstoffbombe zugrunde, mit der wir uns hier jetzt nicht weiter beschäftigen, denn Iran ist von ihr ewig weit entfernt.

Wie aber spaltet man Uran, sei es für Kraftwerke, sei es für Bomben? In einem Atomkern wirken, wie gesagt, gegensätzliche Kräfte. Die positiven Protonen stoßen einander ab, werden aber von der stärkeren Kernkraft zusammengepresst. Die Lage ändert sich jedoch, wenn der Kern mit einem Neutron beschossen wird, was ihn zu Schwingungen und womöglich zur Spaltung anregt.

Vereinfacht gesagt, wird dadurch außer der Bewegungsenergie der Spaltprodukte auch Gammastrahlung freigesetzt – außerdem fliegen nun womöglich weitere Neutronen aus dem gespaltenen Kern frei umher, die ihrerseits Atome spalten können, sodass eine Kettenreaktion entsteht. Vorausgesetzt ist, dass sich dafür genügend spaltbares Material in der Nähe der Neutronen befindet und dass der Neutronenfluss nicht zu schwächlich wird.

Es gibt genau zwei Elemente, die sich für eine solche Kettenreaktion eignen: Uran und Plutonium. Uran hat, wie gesagt, die Ordnungszahl 92 und kommt vor in den Isotopen U-232 bis U-238. Plutonium hat die Ordnungszahl 94 und seine Isotope reichen von Pu-238 bis Pu-242. Allerdings sind nicht alle Isotope dieser zwei Elemente geeignetes Spaltmaterial, sondern nur die "ungeradzahligen": U-233, U-235, Pu-239, Pu-241. Am besten und am verbreitetsten sind U-235 und Pu-239.

Zu einer Kettenreaktion kommt es, wenn im Durchschnitt jeder gespaltene Kern wenigstens einen weiteren Kern spaltet. Dazu müssen genügend geeignete Kerne genügend dicht beieinander liegen – das ist es, was man unter einer kritischen Masse versteht. In einem Kernreaktor wird diese Kettenreaktion dadurch unter Kontrolle gehalten, dass der Neutronenfluss geregelt wird und, falls sich die Reaktion zu sehr beschleunigt, das Spaltmaterial sich ausdehnt, wodurch die Kettenreaktion wieder reduziert oder gar abgebrochen wird.

Zu einer explosiven Kettenreaktion wie in einer Bombe kommt es, wenn im Durchschnitt jeder gespaltene Kern mehr als einen weiteren Kern spaltet. Dafür braucht man eine superkritische Masse. Waffentechniker erreichen sie, indem sie entweder unterkritische Massen von Spaltmaterial ineinander schießen lassen (das "Kanonenkugel-Prinzip"), wodurch eine superkritische Masse entsteht oder indem sie eine Masse, die nicht dicht genug ist, mit geschickt angeordneten Explosionen komprimieren (die letztere Methode der "Implosionsanordnung" ist für Plutoniumbomben entwickelt worden).

Je reiner die Spaltstoffmischung (also je höher der Anteil des U-235 oder des Pu-239), desto geringer die superkritische Masse und desto geringer das Risiko, dass die Explosion zu langsam abläuft. Die Reaktion wird beschleunigt, wenn Reflektoren aus speziellen Metallen entweichende Neutronen ins Geschehen zurückwerfen (Reflektor). Noch effizienter wird die Explosion, wenn das Auseinanderfliegen des Spaltstoffs durch schwermetallene Tamper verlangsamt wird.

In jedem Fall muss die Oberfläche der Kernsprengstoffmasse möglichst lange möglichst klein im Verhältnis zum Volumen sein, damit nicht zu viele Neutronen entweichen. Das ist insbesondere für Implosionsanordnungen wichtig. Für sie genügt es nicht, Kernsprengstoff mit chemischem Sprengstoff zu ummanteln, denn dessen Explosionswellen können einander in die Quere kommen und die Oberfläche der Kernsprengstoffmasse derart verformen, dass sie sogar größer wird als zuvor. Es muss also sorgfältig geplant werden, wann die Chemie an welcher Stelle gezündet wird, außerdem behelfen sich die Bombenbauer mit chemischen Sprengstoffen unterschiedlicher Eigenschaften.
Implosionsbomben sind extrem schwierig zu bauen, viel schwieriger als die Uranbomben des Kanonenkugel-Typs. Vor allem auf das Timing kommt es hier an; von Anfang bis Ende einer Detonation vergeht nicht mehr als eine Mikrosekunde.

Es gibt eine Vielzahl weiterer Tricks, etwa die Mehrfachkombination von Spaltungs- und Fusionsprozessen, die einander mit Röntgenstrahlen oder Neutronenschüben zünden, bis zur großen Detonation. Generell gilt: Je raffinierter die Technik, desto geringer die erforderliche Masse des Spaltmaterials. Es wird von Bomben berichtet, die bereits mit einem Kilo waffenreinem Plutonium oder mit 2,5 Kilo sehr hoch angereichertem Uran auskommen.

Die Frage ist nur: Wie kommt man an Waffenplutonium oder ausreichend hoch angereichertes Uran heran?

Uran kommt in der Natur als Mischung von Uranoxiden in großen Mengen vor, zu Wasser und zu Land, in letzterem Fall als Erz. Iran beispielsweise verfügt über einige der größten Lagerstätten von Uranerz. Der erste Schritt zur Gewinnung von Uran ist die Verarbeitung des Roherzes zu einem 70-prozentigen Konzentrat, einem Pulver namens Yellowcake, das sich in chemischen Anlagen weiterverarbeiten lässt.

Was dann folgt, ist eine ganze Kaskade von Verarbeitungsprozessen, an deren Ende ein ab 56 Grad Celsius gasförmiges Produkt namens Uran-Hexafluorid (UF6) steht. Und auf dieses Uran-Fluor-Gas kommt es an. Denn während 99,28 Prozent seiner Moleküle das nicht spaltbare U-238 enthalten, ist am Großteil des Rests ein Atom des Spaltstoffs U-235 beteiligt, und das bedeutet: die beiden Molekülsorten sind unterschiedlich schwer (die Sache wird vereinfacht dadurch, dass Fluor nur ein stabiles Isotop besitzt; der Gewichtsunterschied rührt also nur von den Uran-Isotopen her).

Die unterschiedlich schweren Moleküle lassen sich physikalisch trennen (nicht chemisch, denn U-235 und U-238 haben ja, siehe oben, dieselbe Ordnungszahl), indem das Gas in sehr schnell laufende Zentrifugen eingeleitet wird. In ihnen konzentrieren sich die leichteren Moleküle wegen der Fliehkraft an den Rändern und können dort abgesogen werden. Allerdings ist das immer noch eine Mischung, die sodann ein weiteres Mal zentrifugiert werden muss und so weiter, man benötigt eine Kaskade mehrerer Zentrifugen. Und weil die Trennleistung einer einzelnen Zentrifuge eher gering ist, muss man schon sehr viele Kaskaden gleichzeitig laufen lassen, um überhaupt auf eine nennenswerte Ausbeute zu kommen.

Das Gas läuft nun also durch diese parallel und seriell geschaltete Anordnung, bis der U-235-Anteil so weit aufkonzentriert ist, dass sich aus dem Gas ein technisch nutzbarer Feststoff herstellen lässt; in Kernkraftwerken ist dies meistens ein Uranoxid, in Waffen metallisches Uran. Für Kernkraftwerke eignet sich bereits ein Anreicherungsgrad von 3,5 Prozent U-235, für Bomben genügen 20 Prozent, wirklich praktisch wird es aber erst ab 80 Prozent.

Die Prozentzahlen täuschen aber, denn die ersten paar Prozent Anreicherung erfordern den Löwenanteil der Trennarbeit, der Rest ist nur noch ein bisschen Fortsetzung und Wiederholung. Wer also eine zivile Anreicherungsanlage besitzt, der kann auch Bombenstoff produzieren. Iran verfügt in Natanz über eine solche Anlage.

Es existieren weitere Methoden zur Uran-Anreicherung, etwa diejenige mittels Laser. Ihr Prinzip besteht darin, dass die Frequenz von Laserlicht exakt auf Uran-Hexafluorid-Gasmoleküle mit U-235-Anteil oder auf U-235-Atome eines Urandampfes so abgestimmt wird, dass die Lichtenergie die gesuchten Partikel selektiv anregt; sie können dann mit physikalischen Methoden getrennt werden.

Diese Technik verspricht auf längere Sicht weitaus kostengünstigere Anreicherung als die Zentrifugentechnik. Derzeit ist die Laseranreicherung, die sich noch im Entwicklungsstadium befindet, vergleichsweise teuer, verspricht aber einen politischen Vorteil: Ihre Anlagen nehmen weitaus weniger Platz ein als die Zentrifugenkaskaden; eine Laseranlage, die in ein normales Labor passt, könnte 25 Kilogramm bombentaugliches Uran pro Jahr herstellen, und damit den Sprengstoff für eine Atombombe. So etwas ließe sich sehr wohl vor der Wiener Atomenergiebehörde (IAEA) verstecken.

Es gibt einen zweiten Weg zu einer auf Kernspaltung beruhenden Atombombe: Plutonium. Dieser Stoff entsteht regelmäßig in Kernkraftwerken, und zwar dadurch, dass U-238-Atome Neutronen einfangen. Für Atombomben eignet sich Pu-239, allerdings fallen im Reaktor auch die anderen Plutonium-Isotope an, insbesondere das Isotop Pu-240, das schnell zerfällt und eine starke Neutronenquelle ist.

Das wiederum bedeutet, dass Plutoniumbomben nicht von dem simplen Konstruktionstyp sein können, der im Falle von Uranbomben darauf beruht, dass zwei Massen zu einer kritischen Masse zusammengeschossen werden: Das Pu-240 würde in diesem Fall die Kettenreaktion zu früh in Gang setzen und es käme zu keiner starken Explosion. Eine Isotopentrennung wie bei U-235 und U-238 wiederum wäre viel zu aufwändig, denn der Gewichtsunterschied zwischen Pu-239 und Pu-240 ist zu gering (dreimal geringer als im Uranfall, wie ersichtlich). Deshalb können Plutoniumbomben nur als hoch komplizierte Implosionsbomben konstruiert werden, also als solche, die durch das Zusammenpressen extrem präzise gesteuerter Chemie und Elektronik gezündet werden. Das ist der große Nachteil des Plutoniums für Bombenbauer.

Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass Brennelemente im Atomkraftwerk, aus denen man Waffenplutonium gewinnen will (also solches mit relativ günstiger Verteilung von Pu-239 und Pu-240), nur kurze Zeit bestrahlt werden dürfen. In einem international überwachten Reaktor muss man schon ziemlichen Aufwand zur Täuschung und Tarnung aufwenden, damit die verkürzte Einsatzzeit eines Brennelements (wenige Wochen anstelle vieler Monate) nicht auffällt.

Wer diesen Aufwand nicht treiben kann oder will, muss sich mit Plutoniummischungen zufriedengeben, aus denen sich nur schwächere Bomben herstellen lassen – und das bei größerem technischen Aufwand, den Explosionsstoff schnell genug zu komprimieren und nach der Zündung einigermaßen beieinander zu halten, damit die Detonation nicht verpufft.

Es gibt Reaktoren, die sich deutlich besser als die weltweit derzeit üblichen "Leichtwassereaktoren" zur Herstellung von Plutonium eignen: Schnelle Brüter und Schwerwasserreaktoren. In beiden Reaktortypen ist der Umwandlungsprozess von U-238 in Pu-239 keine Nebensache, sondern gehört zu deren tragenden Prinzipien. In militärischen Atomprogrammen, die auf Plutonium gründen, werden daher vorzugsweise diese beiden Typen verwendet. Iran baut einen Schwerwasserreaktor.

Zu bedenken ist freilich, dass militärisch nutzbares Plutonium keineswegs fix und fertig aus Kernreaktoren gleich welchen Designs kommt; vielmehr muss nach der Bestrahlung der Brennelemente noch ein chemischer Prozess angeworfen werden, um das Plutonium aus dem Gemisch der radioaktiven Materialien herauszutrennen. Zwar gibt es Designstudien aus Amerika, die nahelegen, dass eine solche Wiederaufarbeitungsanlage für militärische Zwecke keineswegs ein gigantisches Industriegebäude füllen muss – dennoch, sie heimlich einzurichten ist schwierig, und sie zu betreiben erst recht, wegen ihrer charakteristischen Emissionen in die Umwelt.

Letztlich ist der Weg zur Bombe über das angereicherte Uran der einfachere. Immerhin ist es ein Weg, für den kein Atomreaktor vonnöten ist – das wusste auch Iraks Diktator Saddam Hussein, als er sich nach der Zerstörung seines Kernreaktors "Osirak" durch die Israelis daran machte, anstelle mit Plutonium sein Waffenprogramm mittels Urananreicherung fortzuführen. Überdies muss eine Uranwaffe des "Kanonenkugel-Typs" nicht mehr getestet werden: Man weiß einfach, dass sie funktioniert.

Womit nicht gesagt werden soll, dass ihre Herstellung ein Kinderspiel sei. Denn selbst in dem Fall, dass die Anreicherungstechnik qualitativ und quantitativ ausreicht, dermaßen große Mengen Waffenurans herzustellen, dass ein simples Design genügt, selbst dann ist erhebliches Know-how vonnöten, noch dazu eines, das nicht aus Lehrbüchern oder Anleitungen oder Konstruktionszeichnungen abgeleitet werden kann.

Das fertigungstechnische Wissen von den Feinheiten der Metallurgie und der Handhabung ist typischerweise das, was Wissenschaftstheoretiker tacit knowledge nennen, "schweigendes Wissen" also, das aus Erfahrung besteht und sich selten nur im Kopf eines Einzelnen befindet, sondern vielmehr ein auf ganze, oft größere Kollektive verteiltes Handlungswissen.

Ohne eine weit gefächerte nationale Wissensbasis kann es eine iranische Bombe nicht geben, es sei denn, man kauft sie sich fix und fertig woanders ein (das wäre die Option, die den schwerreichen Saudis offen steht, sollte es in der Region zu einem nuklearen Wettrüsten kommen).

Mehr noch: Sämtliche Atomwaffenprogramme, das amerikanische, russische, chinesische, britische, französische, indische, pakistanische, brasilianische, südafrikanische oder sogar das nordkoreanische, sind bisher in Wahrheit internationale gewesen – die Ausnahme ist das deutsche Atomwaffenprogramm, das bekanntlich nichts Nennenswertes zustande brachte.

Dieser Artikel ist in ähnlicher Form am 24.07.2005 auf ZEIT ONLINE erschienen