Nükleer emniyette fiziksel koruma sistemi tasarımı ve analizi için yazılım geliştirilmesi
Development of a software in the context on nuclear security to design and analyze a physical protection system
Yazar: MAHSUM AKDEMİR
Danışman: DR. SENEM ŞENTÜRK LÜLE
İstanbul Teknik Üniversitesi / Enerji Enstitüsü / Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim ve Teknoloji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Enerji = Energy ; Nükleer Mühendislik = Nuclear Engineering ; Savunma ve Savunma Teknolojileri = Defense and Defense Technologies

Özet:
Nükleer fisyonun keşfi sonrası nükleer enerjinin askeri amaçlar için II. Dünya Savaşı sırasında Japonya'da kullanılması sonrasında bu silahların birçok devlet tarafından geliştirilmesi kaygısı ortaya çıkmıştır. Bu kaygılar nedeniyle Nükleer Silahların Yayılmasının Önlenmesi Anlaşması (Treaty on the Non-Proliferation of Nuclear Weapons -NPT) ülkelerin imzasına açılmış ve Uluslararası Atom Enerji Ajansı (International Atomic Energy Agency-IAEA) kurularak nükleer güvence sisteminin temelleri atılmıştır. Zaman içeresinde ülkelerin nükleer silah geliştirilmesi kaygısına bu silahların çalınması, nükleer madde ve radyoaktif maddelerin çalınması, nükleer tesislere sabotaj, nükleer maddelere taşıma sırasında sabotaj ve kirli bomba tehdidi gibi kaygılar ortaya çıkmıştır. Bu nedenlerle Nükleer Maddelerin Fiziksel Korunması Sözleşmesi (Convention on Physical Protection of Nuclear Material -CPPNM) imzaya açılmış ve nükleer emniyetin temelleri atılmıştır. 
Tezde nükleer emniyetin sağlanmasında kullanılan araçlardan biri olan fiziksel koruma sistemi için tasarım ve değerlendirme yapmak üzere kullanılabilecek yerli ve milli bir yazılım geliştirilmiştir.
Yazılım bir fiziksel koruma sisteminin nükleer emniyetin sağlanmasında ne kadar etkin olduğunun göstergesi olan "etkinlik olasılığını" hesaplamaktadır. Bu tez kapsamında açıklanan yöntemde etkinlik olasılığı, tesise giren kötü niyetli kişi veya kişiler ile müdahale gücünün karşı karşıya gelmesini ifade eden "kesişme olasılığı" ve müdahale gücünün kötü niyetli kişi veya kişileri etkisiz hale getirme olasılığı olan "etkisiz hale getirme olasılığı" değerlerinin çarpılması ile hesaplanmıştır. Sıfır (başarısızlık) ve 1 (başarı) arasında olan bu değer 1'e ne kadar yakınsa fiziksel koruma sisteminin etkinliğinin de o kadar büyük olacağı aşikârdır. Bu bağlamda yazılım sistemin en kritik yani en zayıf olduğu yerleri kullanıcıya bildirmekte ve tasarımcı sistemi revize edebilmektedir. Unutulmamalıdır ki bir fiziksel koruma sistemi en zayıf halkası kadar güçlüdür!
Tezin giriş bölümünde nükleer alandaki gelişmeleri takiben nükleer enerjinin askeri amaçlarla kullanımı, bu silahların yayılmasının önlenmesi için uluslararası arenada yapılan girişimleri ve kısaca nükleer emniyet kavramı anlatılmıştır. 
İkinci bölümde nükleer tesisler ve nükleer maddelerin korunmasını hedef alan nükleer emniyette kimlerin konuya muhatap olacağı, hiyerarşide kime ne sorumluluklar yüklendiği, bunların nasıl belirlendiği, nükleer emniyet riskinin neyi ifade ettiği, neyin, neye karşı, nasıl ve kimler tarafından korunacağı ve korumanın başarısız olması durumunda oluşacak potansiyel sonuçlar ve bunların bertarafı için yapılması gerekenler detaylı bir şekilde açıklanmıştır. Ayrıca, tüm bu başlıkların dışında tüm kurum ve kuruluşlarda olması gereken nükleer emniyet kültürü tanımı irdelenmiştir. 
Üçüncü bölümde teze temel olan fiziksel koruma sisteminin tasarım değerlendirmesi konusu ele alınmıştır. Bu bağlamda literatürde bu alanda işlevselliği bulunan analizlere değinilmiş, bu analizleri kullanırken nelerin göz ardı edilmemesi gerektiği tartışılmış ve analizlerin kendi içinde artıları eksileri de dikkate alınarak gerekli açıklamalar yapılmıştır. 
Dördüncü bölümde bu çalışmanın ürünü olan yazılım oluşturulurken faydalanılan yazılım programları (Python ve MySQL) ve diğer aplikasyonların (PyCharm) kısaca tanıtımı yapılmış ve devamında yazılımın ardındaki mantık anlatılarak yazılım tanıtılmıştır. Yazılımın istenilen hesapları yapıp yapmadığı ile ilgili testler çeşitli senaryolar denenerek yapılmış ve yazılım doğrulanmıştır. Bu bölümde ayrıca uluslararası eğitimlerde kullanılan sanal bir tesis ile yazılımın performansı değerlendirilmiştir.
Beşinci ve son bölümde ise yapılan çalışma özetlenmiş, yazılımın eksik kaldığı yönler ele alınmış ve yazılımın geliştirilmesi için yapılabilecekler tartışılmıştır.
Nükleer emniyet kapsamında nükleer tesislerin ve nükleer maddelerin korumasına destek olmayı hedefleyen yazılım, herhangi bir işletmenin fiziksel koruma sistemi tasarım ve değerlendirilmesinde temel analizleri yapmakta kullanılabilir. Ayrıca, özellikle Türkçe olarak hazırlandığından Türkiye'de yapılacak nükleer emniyet kurslarında fiziksel koruma sistemi tasarım değerlendirilmesi konusunun anlaşılmasında önemli bir araç olarak kullanılabilir. Yazılım daha da geliştirilerek gerçek bir nükleer tesisin fiziksel korumasının değerlendirilmesinde yerli ve milli bir kaynak olarak düzenleyici kuruluş tarafından kullanılabilir.  
Yazılım mevcut durumda sadece 6 bölgeye ayrılabilen bir fiziksel koruma sistemi için analize olanak vermekte, ögelere atanan atlama özelliği sadece bir bölgeyi atlamaya izin vermektedir. Bunların dışında yazılımın görselliği noktasında düzeltmeler yapılabilir ve kullanımı daha kolay bir ara yüz geliştirilebilir. Yazılımın geliştirilmesi aşamasında kullanıcıya kolaylık sağlama ve istediği tespit/geciktirme ögesini seçmesine olanak verecek şekilde bir veri tabanı oluşturulması düşünülmektedir. Böylece, kullanıcıya tesisini tasarlarken veya analizini yaparken listeden en uygun ögeyi seçerek pek çok deneme yapma şansı verilebilir.  Ayrıca, yazılımın İngilizce sürümü de yapılabilir.

Abstract:
Following the discovery of fission, nuclear energy had been used for military purposes on Japan during World War II. This event resulted in a big concern among all countries due to the possibility of development of this lethal weapon by many countries. In order to eliminate this concern, many steps were taken at the international arena. The most important ones being the signature of the Treaty of Non-Proliferation of Nuclear Weapons (NPT) and the formation of International Atomic Energy Agency (IAEA). As a result, nuclear safeguards was established. In time, additional concerns such as theft of nuclear weapons, nuclear materials, and radioactive materials, sabotage of nuclear facilities, sabotage of nuclear materials during transport, and dirty bomb appeared. As a result of these concerns, the Convention on the Physical Protection of Nuclear Materials and its Amendments (CPPNM) was proposed and foundation of nuclear security was established. 
An indigenous software that can be used for the design and analysis of a physical protection system was developed during this thesis study. 
The software calculates the "effectiveness probability" of physical protection system. With the method described within the thesis, effectiveness probability was calculated by multiplying the values of "interruption probability" that is a measure of interruption of adversary before completing his/her task by response force and "neutralization probability" that is a measure of response force's ability to neutralize the adversary. Its value is between 0 (failure) and 1 (success) therefore the closer the effectiveness probability to 1, the better the physical protection system. In this respect, developed software provides information about the weakest link of the physical protection system to designer. As a result, the system designer implement improvements. It should never be forgotten that a physical protection system is strong as much as its weakest link!
In the introduction part of the thesis, the use of nuclear energy for military purposes following the developments in the nuclear field, the attempts made in the international arena to prevent the proliferation of these weapons and briefly the concept of nuclear security were explained.
In the second chapter, several questions were asked and answered to explain the nuclear security that deals with the physical protection of nuclear facilities and nuclear materials. These questions are who will deal with nuclear security, who has what responsibilities in the hierarchy, how they are determined, what the nuclear security risk means, what is going to be protected and against who, how, and by whom, and if the protection fails what could be the potential consequences and what are the actions for mitigation. In addition, besides all these topics, the definition of security culture that should exists in all institutions and organizations had been discussed.
The responsibility of the nuclear security is with the State. State must define the nuclear security regime and assign a regulatory authority to execute the regulations. It also needs to make sure that regulatory authority is independent and has required competence. The regulatory authority implements the regulations and must have access to systems of accounting and control of nuclear material. It must perform nuclear security inspections. The regulatory authority issues a license as well. The license holder is responsible of the physical protection of nuclear facilities and nuclear material that it owns. The physical protection requirements are defined by design basis threat which is the threat defined by the State. The motivation, capability, intent, finances, equipment, and vehicles of the threat must be considered during preparation of design basis threat. The facilities and materials need to be protected are defined in NSS-13 document of IAEA. Mainly, nuclear facilities and materials that can be used for the manufacture of nuclear explosive devices must be protected from theft or sabotage. Although there are many ways to provide nuclear security, the burden is on the physical protection system. It is the complete set of equipment, procedures, and behaviors. Its effectiveness must be tested and approved by the regulatory authority. The physical protection system is based on detection, delay, and response. If security fails in case of theft or sabotage, there can be different consequences therefore mitigation strategies differ. Security and contingency plans must cover all possibilities and corresponding counter actions.
In the third chapter, the design evaluation of a physical protection system, which is the basis of this thesis, was discussed. In this context, different approaches in the literature in this field were mentioned and necessary explanations were made by considering what should not be ignored while using these analyzes, and the pros and cons of these approaches. 
In "Path Interruption Analysis", the analyst determines the path that can be used by adversary by determining delay times and detection probability of each component along the path. Then the probability of interruption (PI) would be calculated. On the other hand, "Adversary Sequence Diagram" is applied to figure out all possible adversary paths. These paths for theft cases are assumed being bi-directional since adversary is expected to leave the facility with nuclear material while the sabotage is being one-way. By "Multipath Analysis", it is possible to figure out all adversary paths with their probability of interruption (PI). "Neutralization Analysis" is applied to determine probability of neutralization (PN) which is one of the components of calculation of physical protection system effectiveness probability (PE). "Scenario Analysis" makes it possible to calculate PE directly without calculating PN and PI. The main issue for this analysis is handling credible, suitable scenario to calculate PN of facility's physical protection system. The "Insider Analysis" comes forward because of insider threat.
In the fourth chapter, the softwares (Python and MySQL) and other applications (PyCharm) used while creating the software that is the product of this study were briefly introduced, and then the logic behind the software was explained and the software was introduced. Tests on whether the software performs the desired calculations were made by trying various scenarios. The results showed that the software was verified. In addition, the performance of the software for a fictitious facility used in international trainings was evaluated.
The software asks the user the detection probability and delay times of the regions around the target in the facility and the items used in detection and/or delay at the boundaries of these region together with response force time to calculate the probability of interruption and the number of response force staff and adversary to calculate the probability of neutralization. At the end, the probability of effectiveness is calculated by multiplication of these two probabilities. The developed software calculates the most critical path that the adversary will use to reach his goal and the critical detection point on this path. All these parameters are reported to the user. The software is tested against theft and sabotage with 26 scenarios each.
In the fifth and last chapter, the work done was summarized, the drawbacks of the software and what can be done to improve the software were discussed. To summarize some of these short-comings it can be said that the software is not functional for facilities with more than six regions. In addition, the jump feature only works for one region jump but in practice jump to more than one region is possible. However, algorithm can be redesigned accordingly if needed.
The software, which aims to support the physical protection of nuclear facilities and nuclear materials within the scope of nuclear security, can be used to make basic analyzes for the design and evaluation of the physical protection system of any enterprise. Since the language of software is Turkish, it can be used as an important tool in understanding the topic of physical protection system design and evaluation for nuclear security courses to be held in Turkey. In addition, if developed further, the indigenous software can be used by the regulatory authority to evaluate the physical protection system of real facilities.
The software currently only allows analysis for a physical protection system that can be divided into 6 zones, while the jump feature assigned to the items allows only one zone to be bypassed. Apart from these, modifications can be made in the visuality of the software and an easier-to-use interface can be developed. As a future work, it is considered to create a database for physical protection system equipment to allow users to select the desired detection/delay item from the database. Thus, the user will be given a chance to design or analyze a facility with many options. In addition, English version of the software can be made as well.