Vetypommi

Vetypommi (tai fuusiopommi, lämpöydinpommi) on fuusioreaktioon perustuva ydinase. Tässä fuusiossa kahden vedyn isotoopin, deuteriumin ja  tritiumin, yhdistyminen vapauttaa energiaa. Fuusiopommissakin suuri osa, joskus suurin osa, energiasta syntyy fissiossa, sillä fissiopommia tarvitaan fuusion sytyttimeksi, ja toisaalta fuusio voi käynnistää fissioreaktioita. Vetypommit voidaan luokitella fissio-fuusiopommeiksi tai fissio-fuusio-fissiopommeiksi.

Vetypommit ovat yleensä puhdasta fissiopommia voimakkaampia. 

Vetypommi sytytetään aina fissiopommilla, sillä vetypommi vaatii räjähtääkseen suuren paineen ja korkean lämpötilan. Luonnossa  samanlaista  fuusioreaktiota tapahtuu tähdissä, kuten Auringossa. Vetypommin räjähdyksen tuhovoima perustuu muun muassa paineaaltoon, kuumuuteen ja radioaktiiviseen säteilyyn. Vetypommin tuhovaikutus riippuu muun muassa pommin voimasta, etäisyydestä räjähdyskohdasta, räjähdyskorkeudesta ja räjäytyspaikan tyypistä.

Vetypommin toimintaperiaate 

Karkea kaavakuva vetypommin rakenteesta

Musta: pommin kuori, uraania tai muuta metallia
Keltainen: säteilykanava, esimerkiksi polystyreeniä
Punainen: fissiokelpoinen aine
Harmaa: tavanomainen räjähde
Turkoosi: fuusioaineen suojus
Vihreä: fuusioituva aine
Valkoinen: tyhjää
Vasemmalla puolella on fissiovaihe, oikealla fuusiovaihe. Fuusiovaiheen keskellä oleva ontto fissioituva ainesauva on ns. sytytystulppa.

Kaikkien nykyisten vetypommien rakenne on ns. Teller-Ulam-tyyppiä, jossa saman kotelon sisällä on vierekkäin fissio- ja fuusiopommi.

Fissiopommi pohjautuu fissioreaktion alkamiseen kun koossa on riittävä määrä riittävän pienessä tilavuudessa fissiokelpoista materiaalia. Jos kriittinen massa tai kriittinen tiheys saavutetaan, fissio alkaa. Fissiopommivaiheessa ontto tavanomaisesta räjähteestä koostuva pallo puristaa räjähtäessään alkujaan harvan plutoniummassan kriittiseen tiheyteen ja fissioreaktio alkaa. Tällöin vapautuu välittömästi ennen pommin hajoamista röntgensäteilyä, joka kuumentaa pommikotelon sisustan hehkuvaksi ionisoituneeksi kaasuksi.

Fissiopommin röntgensäteilyn synnyttämä erittäin kuuma kaasu puristaa kasaan suojaavalla aineella kuorrutetun litiumdeuteridilieriön, jonka ydin on fissiokelpoista materiaalia. Puristuminen perustuu suojakuoren materiaalin höyrystymiseen, joka työntää kuorta kasaan joka puolelta kuin rakettimoottori. Kun lieriö puristuu, sisustan fissiokelpoinen materiaali tulee kriittiseksi ja vapauttaa neutroneita, jotka pilkkovat litiumytimiä tritiumiksi. Tritium ja deuterium fuusioituvat keskenään korkeassa lämpötilassa ja pommi räjähtää.

Joissain pommeissa räjähdysvoimaa ja radioaktiivista laskeumaa on kasvatettu koko muuta rakennetta ympäröivällä uraanikuorella. Uraani on luonnonuraania 238U, joka ei halkea kuin fuusioreaktiossa syntyvillä nopeilla neutroneilla.

Uraanikuori tekee vetypommista ”likaisen” ja kasvattaa pommin tehoa noin kaksinkertaiseksi.

Vetypommin teho 

Vetypommin teho mitataan kilotonneissa tai megatonneissa. Kilotonni on tuhat tonnia eli miljoona kilogrammaa tavanomaista trotyyli-räjähdettä.

Tyypillisesti vetypommin räjähdysvoima on vähintään 10—20 kertaa atomipommia voimakkaampi.

1950-luvulla räjäytettiin monia megatonnien suuruisia latauksia, ja alkeellisemmissa ohjuksissa oli suuret megatonniluokan taistelukärjet. Näitä ohjuksia ei voitu suunnata kovin tarkasti, joten suuri lataus ”sinne päin” oli käytännöllinen.

Nykyinen ohjusteknologia mahdollistaa tarkat monikärkiohjukset, jotka kuljettavat useamman pienehkön (200–600 kilotonnia) ydinkärjen tarkasti määrättyihin kohteisiin.

Teoreettista ylärajaa vetypommin voimalla ei ole, mutta suuret pommit ovat liian painavia käyttökelpoiseksi aseeksi. Pommien tuhovoimat ovat niin suuria, että niillä voidaan kerralla hävittää suurehko kaupunki. Suurin räjäytetty vetypommi, Neuvostoliiton 30. lokakuuta 1961 räjäyttämä ”Tsar-bomba” (Pommien kuningas) oli voimaltaan noin 60 megatonnia. Tsar-bomban kaltaisilla pommeilla on mahdollista tuottaa ainakin sadan megatonnin räjähdys.

Vetypommin vaikutukset 

Vetypommin tappava vaikutus perustuu lähinnä kuumuuteen, paineaaltoon, tuuliin ja niin sanottuun alkusäteilyyn sekä radioaktiiviseen laskeumaan. Muita vaikutuksia ovat muun muassa sähkömagneettinen pulssi (EMP) sekä voimakas sokaiseva valo joka on voimakkainta aivan räjähdyshetken jälkeen. Lisäksi tiheästi rakennetuilla alueilla tulimyrskyn syntyminen on todennäköistä. Pommin vaikutus on voimakkain räjähdyspaikan lähellä ja heikkenee räjähdyksestä poispäin mentäessä.

Kun pommi räjähtää, siitä vapautuva röntgensäteily synnyttää kuuman, pallomaisen ilmakuplan, tulipallon, joka huomataan sokaisevana välähdyksenä. Korkealla suoritetun vetypommiräjäytyksen tulipallo näkyy jopa tuhannen kilometrin päässä. Nopeasti laajeneva ja kohoava tulipallo säteilee lämpöä ympäristöönsä ja synnyttää itseään kylmempää ilmaa kokoon puristaessaan voimakkaan paineaallon. Tulipallo muotoutuu lopulta sisäisissä virtauksissa toruksen eli munkkirinkilän muotoiseksi. Tulipallo jättää ylös noustessaan tyhjiön, johon imeytyy pölyä, roskia ja muuta irtoainesta pilariksi, joka on ydinräjähdykselle tyypillinen sienipilven kanta. Pilvi hajoaa tuuliin ja levittää räjähdyksessä syntyneitä radioaktiivisia aineita laskeumana ympäristöön. Tulipallon lämpö sytyttää tulipaloja, jotka yhdistyvät voimakkaaksi niin sanotuksi tulimyrskyksi.

Yhden megatonnin pommi räjäytettynä noin 2,5 kilometrin korkeudessa aiheuttaa paineaallon, joka tappaa kaiken kolmen kilometrin säteellä ja puolet väestöstä noin kymmenen kilometrin säteellä. Kuumuus tappaa puolet väestöstä kahdeksan kilometrin säteellä. Ionisoiva säteily tappaa puolet välittömästi noin 2 900 metrin säteellä. Välähdys sokaisee siihen katsovat pysyvästi tai tilapäisesti vielä noin 18 kilometrin päässä, ja se nähdään aurinkoa kirkkaampana vielä 80 kilometrin päässä.

Kuumuus aiheuttaa kolmannen asteen palovammoja suojaamattomana 10–13 kilometrin päässä (iho palaa karrelle), toisen asteen vammoja 13–17 kilometrin päässä (rakkuloita) ja ensimmäisen asteen palovammoja (iho punoittaa) 17–20 kilometrin päässä. Palovammojen vakavuuteen vaikuttaa muun muassa vaatetus (niiden syttyvyys, kyky imeä säteilyä) ja sumu, joka hajottaa ja heikentää pommin säteilyä. Helposti syttyvä materiaali syttyy 14 kilometrin päässä ja maalattu puu noin seitsemän kilometrin päässä. Näin vielä 14 kilometrin päässä syttyy runsaasti tulipaloja.

Paineaalto on voimaltaan yli 34 kilopascalia kahdeksan kilometrin päässä. Tämä riittää tuhoamaan tiilitalon ja aiheuttamaan vakavia vaurioita betonitalolle. Tuulen nopeus on tällä etäisyydellä 260 km/h. Noin neljän kilometrin päässä tuulen nopeus on noin 1 000 km/h, joka on vähintään kaksinkertainen nopeus tornadon suurimpaan teoreettiseen nopeuteen. Kaikki tuhoutuu 138 kilopascalin paineessa alle kolmen kilometrin päässä räjähdyksen maanpintakeskipisteestä. Lähes kaikki rakennukset tuhoutuvat 69 kilopascalin paineessa noin 4,5 kilometrin päässä räjähdyspisteestä. 11–13 kilometrin päässä paine aiheuttaa kohtalaisia vaurioita rakenteille, esimerkiksi väliseinät särkyvät. Ikkunoita särkyy vielä 20–30 kilometrin päässä. Vakavia vammoja ja kuolemaa kylvävät paineaallon ja tuulen mukana lentävät esineet, esimerkiksi lasinsirpaleet.

Jos megatonnin pommi räjäytetään maanpinnalla, radioaktiivinen laskeuma (”musta sade”) on tappava 150 kilometrin päässä. Annos on tällöin yhdeksän sieverttiä. Kuolema seuraa 2–14 päivän kuluttua.

Vaaraton laskeuma 0,9 Sv on vasta noin 400 kilometrin päässä.

Räjäytyksen vaikutukset riippuvat siitä missä räjähdys tapahtuu. Matalalla maan sisässä tapahtuva räjähdys aiheuttaa suuremman kraatterin kuin pintaräjähdys ja valtavat määrät maa-ainesta ja kiviä sinkoutuu räjähdyskuopasta pois. Esimerkiksi megatonnin pommi synnyttää 15 metrin syvyydessä 90 metriä syvän kraatterin, jonka halkaisija on 400 metriä. Kymmenen miljoonaa tonnia maata sinkoaa pois. Paineaalto on sitä heikompi mitä syvempänä räjähdys tapahtuu.

Räjähdyslämpö ja alkusäteily sitoutuvat maanalaisessa räjähdyksessä maahan, mutta räjähdys luo valtavasti radioaktiivista maata. Syvällä maan pinnan alla tapahtunut räjähdys aiheuttaa savupiippumaisen ontelon ja ehkä matalan sortumakraatterin. Vielä syvemmällä tapahtuva räjähdys pyöreän ontelon. Kallioisessa maaperässä tehty räjäytys aiheuttaa valtavan maanjäristyksen. Ilmassa tapahtuva räjähdys aiheuttaa pienemmän radioaktiivisen laskeuman kuin maanpintaräjähdys, koska maan pinnassa tapahtuva räjähdys höyrystää radioaktiivista maata ja muutenkin räjähdyspilveen imeytyy enemmän maata.
Hyvin korkealla ilmakehässä tapahtuva räjähdys on hyvin kirkas ja aiheuttaa silmävaurioita laajalla alueella. Matalalla (alle 60 m) veden alla tapahtuva räjähdys aiheuttaa pintaräjähdystä pienemmän tulipallon, joka huomataan ensin veden sisässä ja joka nousee räjähdyksen yllä matalalla olevaksi pilveksi, josta sataa radioaktiivista sadetta. Hyvin syvällä tapahtuva räjähdys synnyttää pintaan korkean aallon, muttei pilveä. Vesi jäähdyttää tulipallon höyrypilveksi ennen sen pintaan nousemista.

Räjähdyksestä lähtee poispäin hyökyaalto. Paineaalto näkyy vedessä vaaleana. Räjähdyspilven juurelle syntyy muutaman sadan metrin korkuinen radioaktiivinen tyvikuohu, joka liikkuu kaksi kilometriä minuutissa 4–5 minuutin ajan. Koska tyvikuohu on hyvin radioaktiivinen, se on erittäin vaarallinen kilometrien säteellä 5–10 minuutin ajan, ja vaara heikkenee 30 minuutin kuluessa. Vedenalainen räjähdys siirtää suuren lämpömäärän ja 90 prosenttia radioaktiivisuudesta veteen. Vedenalaisessa räjähdyksessä palovammojen ja alkusäteilyn riski on pieni. Sadasosakin megatonnin pommista höyrystää noin 4 000 tonnia maata tai 20 000 tonnia vettä tehden ne radioaktiivisiksi. Todellisuudessa megatonni höyrystää miljoona tonnia maata. Lisäksi tulipallo imee itseensä lisää maata tai vettä tehden ne radioaktiivisiksi.

Vetypommin historia 

Vetypommin ajatuksen esitti jo Enrico Fermi 1941, mutta sen pohjalla oleva idea - fuusioituvaa materiaalia atomipommin rinnalla - osoittautui kelvottomaksi ajatukseksi. Yhdysvaltain presidentti Harry S. Truman antoi käskyn kehittää vetypommi 31. tammikuuta 1950, kun Neuvostoliitto oli saanut atomipomminsa pääasiassa vakoilemalla länsimaita. USA:ssa vetypommia kehittivät muun muassa Edward Teller ja Stanislaw Ulam.

Kylmän sodan alettua vetypommin isä Edward Teller perusti Lawrence Livermore National Laboratoryn toiseksi ydinaseita kehittäväksi laboratorioksi Kaliforniaan, joka kehitti vetypommin. Kolmas on Sandia National Laboratory Uudessa Meksikossa, se on erikoistunut sytyttimiin ja pommien turvalaitteisiin. Ensimmäinen oli Los Alamosin tutkimuskeskus.

Perusidea ”Superpommiin” syntyi 1951. Vuonna 1951 toteutettu 225 kilotonnin voimakkuuksinen koe Greenhouse George jossa käytettiin lieriömäistä imploosiosysteemiä jonka sisässä fuusioituvaa materiaalia, ei tuottanut kuin ehkä prosentin parannuksen räjähdystehoon. Fissiopommin käytännön yläraja lienee 500 kt.

Samana vuonna 1951 räjäytettiin ensimmäinen niin sanottu kiihdytetty fissiopommi (boosted fission), jossa on fissiokelpoisen materiaalin keskellä tritiumia. Tällä tavoin pommin räjähdysteho kasvoi vain kaksinkertaiseksi. Pieni fuusioreaktio synnyttää pommin ytimessä nopeita neutroneita, jotka halkovat luonnonuraaniytimiä. Itse fuusio tehostaa pommin räjähdysvoimaa vain hiukan.

Ensimmäinen todella onnistunut vetypommin koeräjäytys Mike koelaitteistolla Eniwetokin atollilla suoritettiin 1. marraskuuta 1952. Räjäytyksen voimakkuus oli 10,4 megatonnia josta vain 2,4 megatonnia tuli fuusiosta. Mike oli niin raskas, ettei se soveltunut sota-aseeksi, sillä pommi painoi noin 82 tonnia ja sen sisustassa oleva fuusioituva aine oli nestemäistä, jäähdytettyä deuteriumia suuressa termospullossa. Laitetta sanottiin myös ”makkaraksi” (”Sausage”) sillä se oli lieriö jonka päät olivat puolipallon muotoiset. Termospullon keskellä oli plutoniumsytytin ja ympärillä uraanikuori. Päissä olivat sytyttiminä toimivat fissiopommit. Alkeellisuudestaan huolimatta pommi oli ensimmäinen aito kaksivaihevetypommi. Koska pommia ei voitu kuljettaa, se räjäytettiin Elugelab-nimisellä saarella. Pommin räjähdyksessä syntyi valtava sienipilvi, joka kohosi lopulta stratosfääriin 35 km:n korkeuteen ja levisi puolessa tunnissa 100 km:n läpimittaiseksi. Syntyneen räjähdyskraatterin läpimitta oli 1,9 kilometriä ja syvyys 50 metriä.

Vasta vuonna 1954 Yhdysvallat kokeili kevyempää vetypommia Bravoa Bikinin atollilla. Tämä pommi oli ensimmäinen vakiotyyppinen Teller-Ulam-rakenteinen systeemi, jossa fuusioituva aine on kiinteätä litiumdeuteridia. Bravon räjähdys oli odotettua voimakkaampi, noin 15 megatonnia. Bravon laskeuma aiheutti vakavaa säteilysairautta laivassa olleille japanilaisille kalastajille ja 60:lle erään saaren asukkaille. 23 henkeä kalastaja-aluksen miehistöstä joutui sairaalaan, ja näistä kuoli yksi saman vuoden syksyllä. Tapahtuma toi radioaktiivisen laskeuman laajalti tunnetuksi.

Tämän jälkeen suoritettiin useita suuria kokeita joilla vetypommia kehitettiin edelleen, räjäytettiin muun muassa rikastamattomalla litiumdeuteridilla toimiva pommi. Pyrkimys oli keventää pommeja, jotta niitä voitaisiin helpommin kuljettaa lentokoneilla ja ohjuksilla. Maassa ja ilmakehässä suoritettujen vetypommikokeiden radioaktiivinen laskeuma nousi keskustelujen aiheeksi jo 1950-luvulla ja johti lopulta maassa ja ilmakehässä tapahtuvien kokeiden kieltoon supervaltojen välillä vuonna 1962. Ranska ja Kiina kuitenkin jatkoivat omia kokeitaan siitä huolimatta.

Neuvostoliitto kokeili vetypommia 12. elokuuta 1953. On kiistanalaista, kuinka paljon saavutus nojasi maan omaan tutkimukseen ja kuinka paljon vakoiluun.  Neuvostoliiton ensimmäinen vetypommi oli toisenlainen kuin Mike, se pohjautui ns. ”sloika” - kerroskakkurakenteeseen, jossa on fissiokelpoisen materiaalin ympärillä fuusioituva aine (litiumdeuteridi) ja uraanikerros, joka oli pääasiassa U-238:ta. Fuusioreaktiossa syntyvät nopeat neutronit kuitenkin kykenevät halkomaan muuten ”halkeamatonta” U-238:aa. Tämän pommin (”Joe-4”) primäärivaihe tuotti noin 40 kilotonnin räjähdyksen ja koko pommi 200–400 kilotonnia. Neuvostoliiton ensimmäinen vetypommi oli käytännöllisempi kuin USA:n, sillä siinä ei käytetty suurta kylmyyttä vaativaa fuusioainetta. Suurin osa tämän pommin räjähdysenergiasta tuli kuitenkin fissiosta, ei fuusiosta, sillä se oli fissio-fuusio-fissio-tyyppinen ase. Sloika-rakenteella ei voitu kasvattaa pommin räjähdystehoa niin suureksi, kuin USA pystyi. Sloika-rakenne tuottanee käytännössä korkeintaan 1 Mt.

Neuvostoliitto räjäytti ensimmäisen Teller-Ulam-tyyppisen vetypommin vasta 22. marraskuuta 1955. Neuvostoliitossa vetypommia kehitti muun muassa Andrei Saharov, josta tuli myöhemmin neuvostojärjestelmää kritisoiva kuuluisa toisinajattelija. Teller-Ulam-rakenne oli neuvostoprojektissa ns. kolmas idea. Ensimmäinen oli sloika ja toinen V. Ginzburgin ajatus litiumdeuteridin käytöstä. 

1950-luvulla vetypommikokeita jatkettiin, mutta radioaktiivisen laskeuman takia Yhdysvallat, Neuvostoliitto ja Iso-Britannia lupasivat pysäyttää ydinkokeet 1958 maalla, merellä ja ilmakehässä. Vielä 1960-luvun alussa molemmat supervallat kokeilivat räjäytyksiä. 23. lokakuuta räjähti Novaja Zemljalla maan pinnalla 25 megatonnin vetypommi ja 30. lokakuuta arviolta 57 megatonnin jättiräjähde, Tsar-bomba ilmakehässä. Tästä huolimatta Ranska jatkoi kokeitaan hyvin pitkälle tämän jälkeen.

Vetypommin ovat kehittäneet myös Iso-Britannia, Ranska, Kiina ja mahdollisesti myös Intia. Kiina räjäytti ensimmäisen vetypomminsa 9. toukokuuta 1966.

Lähteet

Aiheesta muualla 

Ydinaseet
Seulonnan keskeiset artikkelit