Ydinase
Fissiopommin toiminta > Imploosioperiaatteinen plutoniumpommi

Plutoniumpommi on tykkityyppistä uraanipommia huomattavasti vaikeampi valmistaa, koska tykkityyppisessä plutoniumpommissa ketjureaktio pyrkii alkamaan liian aikaisin ja tuottamaan vain pienen räjähdyksen. Ketjureaktion alku johtuu fissiokelpoisen Pu-239:n seassa olevan Pu-240:n ja muiden plutoniumin isotooppien itsestään tapahtuvasta fissiosta. Pu-240 on siis niin epävakaa, että se pystyy fissioitumaan ilman neutronipommitusta. Tämä neutronintuotanto on ongelma tehokkaan plutoniumpommin suunnittelijalle.
Tykkityyppinen rakenne plutoniumpommissa on teoriassa mahdollinen, mutta silloin pommi kasvaa liian suureksi ja raskaaksi, jotta se soveltuisi käytännön aseeksi.
Plutoniumpommissa kutistetaan ontto plutoniumpallo räjäyttämällä niin pieneksi ja tiheäksi, että ketjureaktio alkaa. Tällä menetelmällä kriittinen massa saavutetaan 1/10:llä siitä ajasta, jonka tykkityyppinen pommi vaatii. Plutoniumpommi räjähtää aluksi "sisään”, eli siinä tapahtuu ns. imploosio (eli eksploosion eli räjähdyksen vastakohta).
Imploosiomenetelmässä on käytännön ongelmana se, että plutoniumkappaleen kutistavan sokkiaallon on oltava tarkoin pallomainen, joten pommi on koottava alle millimetrin tarkkuudella. Räjähde on sytytettävä useista kohdin täysin samanaikaisesti.
Koska pommissa on useita sytyttimiä, syntyy monta erillistä toistensa kanssa ristiin menevää sokkiaaltoa.
Eri sytytyspaikoista lähtevät sokkiaallot on siis yhdistettävä. Tämä tapahtuu käyttämällä kahta räjähdysainetta. Toisessa sokkiaalto etenee nopeasti, toisessa hitaasti. Hidas räjähdysaine on sisempänä ja nopea räjähde, jossa sytytys tapahtuu, ulompana. Näistä kahdesta kootaan pallon osa, ”linssi”.
Hidas aine on karkeasti ulospäin osoittava pehmeä kartio. Näiden rajapinta taittaa sokkiaaltoa rajapintaa vastaan kohtisuorassa olevaan suuntaan, normaaliin päin. Kun rajapinta on muotoiltu oikein, sokkiaalto saadaan keskitettyä kuten valonsäteet linssillä menemään pommin keskusta kohti. Eri imploosiorakenteissa on vaihteleva määrä linssejä. Linssien sisällä on vielä ohuehko nopean räjähteen kerros, vahvistin.
Linssien jälkeen on oltava yleensä sokkiaaltoa vahvistava nopean räjähteen pallomainen kerros tai toinen linssikerros.
Teoriassa imploosio on yksinkertainen, mutta sen toteuttaminen käytännössä vaikeaa. Yhdysvallat käytti vuosina 1944–1945 imploosiomenetelmän kehittämiseen tuhansia henkilötyövuosia. Nykyään tehtävä on helpompi, imploosiota voi simuloida supertietokoneilla.
Räjähdysaine on sytytettävä monilla eri puolilla tarkoin yhtäaikaisesti. Plutoniumydintä ympäröi räjähdysaaltoa (sokkiaaltoa) tasaava aine, ja sen keskellä on neutronilähde.
Imploosiomenetelmää voidaan tietysti käyttää myös uraanipommin tekemisessä. Yleensä atomipommia kehittelevä maa joutuu testaamaan imploosiota laboratoriossa. Alamogordossa räjäytetty koelataus ja Nagasakin pommi ”Fat Man” pohjautuivat imploosioon. Imploosio toteutetaan yleensä eri ”räjähdysainelinsseillä”, joissa on kaksi räjähdysainetta.
Imploosiopommi on oikein tehtynä voimakkaampi kuin tykkityyppinen pommi, koska siinä fissioituvan aineen tiheys kasvaa suuremmaksi kuin tykkityyppisessä. Huonosti tehty imploosiopommi on pienitehoinen, sen voima voi olla muutamista tonneista yhteen kilotonniin.
Plutoniumpommin pohjamateriaali on myrkyllistä ja kemiallisesti reaktiivista ja siksikin vaikeaa käsitellä. Plutoniumiin lisätään yleensä galliumia, jotta se säilyisi sopivassa metallin allotrooppisessa muodossa, delta-faasissa, ja se kuorrutetaan sopivalla aineella, esimerkiksi kullalla, jottei gallium reagoisi ympäristön kanssa. Plutonium-240:n itsestään tapahtuva eli spontaani hajoaminen lämmittää plutoniumia. Lämpeneminen voi olla pommia rakentavalle ongelma, jos lämpöä ei johdeta pois.
Imploosiopommeissa on onton plutoniumpallon välissä kaksi kerrosta: sisempänä alumiini-, beryllium- tai alumiiniberylliumseoskerros ja luonnonuraanikerros. Sisempi kerros on pienitiheyksistä, ulompi suuritiheyksistä. Sisempi heijastaa sokkiaaltoa takaisin ja pienentää sen jälkeen tapahtuvaa paineen laskua, ulompi pitää pommia koossa ketjureaktion alkaessa. Näin pommin voima kasvaa.
Räjähdekerros koostuu räjähdelinsseistä, jotka on liitetty yhteen jalkapallomaisesti: esimerkiksi 20 kuusikulmiota, 12 viisikulmiota. Linssissä on hitaan räjähteen kartio, joka osoittaa ulospäin, ja sisäänpäin osoittava nopean räjähteen kartiomainen kolo, joka sopii hitaaseen räjähteeseen saumattomasti. Linssejä saattaa olla kaksi kerrosta päällekkäin. Sytytys tapahtuu esimerkiksi voimakkaalla virralla räjähtävällä langalla. Sytyttiminä käytetään krytroneja, jotka pystyvät kytkemään 4 000 voltin voimakasvirtaisen pulssin muutamassa sekunnin miljardisosassa. Parhaaksi pommin kuorimateriaaliksi on todettu luja alumiiniseos duralumiini (dural).
Pallomaisen plutoniumpommin (esimerkkinä Fat Man) rakenne on seuraava:
neutronilähde, esimerkiksi beryllium/polonium 1 cm, 7 g
ontto plutoniumpallo 4,5 cm, 6,2 kg
neutroniheijastin: alumiini ja boori 11,5 cm, 120 kg
tehostin: luonnonuraani 23 cm, 120 g
paksu räjähdekerros sytyttimineen 65 cm, 2 500 kg.
Atomipommi on toteutettu myös muuttamalla räjähteellä soikean plutoniumkappaleen muoto räjähdyksellä pallomaiseksi. Plutonium on tässä lieriömäisen räjähdekappaleen sisällä. Tämä ratkaisu on verraten harvinainen.
Atomipommin räjähtäessä vain pieni osa kriittistä massaa vastaavasta määrästä vapauttaa energiaa haljetessaan. Fat Manille tämä oli vain 1,4 % ja parhaimmille pommeille 20 %. Koska on vaikeaa pitää suurta määrää fissioituvaa ainetta pienessä tilavuudessa, atomipommin käytännön raja räjähdysvoimalle on muutamia satoja kilotonneja.