Näin valmistat atomipommin (pikaohje):

1. Otetaan tuhat tonnia luonnonuraania. Se muutetaan uraaniheksafluoridiksi ja käsitellään termodiffuusiolaitteessa, josta lähtöaineessa oleva 0,7 % -uraani-235:tä otetaan talteen fluoridina. Fluoridi hajoitetaan pienissä erissä.

2. Valitaan pommin muoto ja otetaan yksi hyvä atomifyysikko, joka laskee halutun pommin kriitillisen koon.

3. Uraani-235 kootaan kahdeksi kappaleeksi, jotka kumpikin erikseen ovat kriitillistä kokoa pienempiä, mutta joiden yhteenlaskettu massa ylittää kriitillisen koon.

4. Rakennetaan mekanismi, joka pystyy ampumaan uraanikappaleet yhteen ja laaditaan teräskuori, johon mekanismi ja uraanikappaleet sijoitetaan toisistaan erillään. Niin kauan kuin ne pysyvät erillään, ei mitään tapahdu, mutta kun ne laukaistaan yhteen, kiinni toisiinsa, pommi räjähtää.

Näin helppoa se on!

(Lue alta koko TM:n numerossa 15/1965 ilmestynyt perusteellinen ja edelleen ajankohtainen artikkeli aiheesta!)


Tee itse atomipommi! (TM 15/1965)

Otsikko ei juuri liioittele, sillä yksinkertaisen uraanipommin teko ei enää ole kovin vaikeaa, kun perustekniikka on jo viety läpi. Teknillisesti pystyisivät useimmat vähänkin kehittyneemmät maat – joukossa Suomi – sellaisen aikaansaamaan, jos se niille poliittisista syistä olisi mahdollista ja välttämätöntä. Tällä hetkellä kuuluvat ”ydinkerhoon” Yhdysvallat, Neuvostoliitto, Englanti, Ranska ja Kiina, mutta kiinnostus kerhon jäsenyyttä kohtaan tuntuu uhkaavasti kasvavan. Sisäänpääsyvaatimukset selviävät oheisesta diplomi-insinööri Pertti Jotunin artikkelista.

Otetaan tarpeeksi suuri kappale rikastettua uraania, jaetaan se kahteen alikriitilliseen kappaleeseen, varustetaan neutronilähteellä ja ammutaan uraanikappaleet yhteen niin, että niistä muodostuu yksi ylikriitillinen kappale. Atomipommi on valmis.

Suunnilleen tällainen ohjelma tuli mieleeni, kun Tekniikan Maailman päätoimittaja pyysi minulta kirjoitusta siitä, millainen on atomipommin valmistusresepti. Katsotaan nyt hieman lähemmin, pitääkö se paikkansa ja kuinka tarkkaan.

Mistä atomipomminsa sitten on oikeastaan kysymys? Vastaus on varsin merkillinen: osa atomipommin aineesta, sen massasta, muuttuu energiaksi.

Atomipommi on siinä suhteessa merkillinen keksintö, että kun se kerran on tehty, se vaikuttaa niin yksinkertaiselta, että voisi luulla ihmeeksi, ettei sitä ole koskaan aikaisemmin valmistettu. Mutta näin on monien tieteellisten ja teknillisten saavutusten laita: tie yksinkertaisen tuloksen saavuttamiseen on hyvin pitkä ja monimutkainen.

Atomipommi ei ole siinä suhteessa mikään poikkeus. Vaikka siis nykyään voisimmekin kirjoittaa sen valmistamiseksi periaatteessa melko yksinkertaisen reseptin, on tarvittu pitkä ja mutkainen tie ennen kuin tämän reseptin yksityiskohdat on voitu selvittää.

Mistä atomipomminsa sitten on oikeastaan kysymys? Mitä on se atomi-energia, joka pommissa vapautuu räjähdysmäisesti ja aikaansaa suuremman räjähdysvaikutuksen kuin millään aikaisemmilla keinoilla on koskaan mahdollista saavuttaa. Vastaus on varsin merkillinen: osa atomipommin aineesta, sen massasta, muuttuu energiaksi.

Erikoisessa suhteellisuusteoriassaan päätyi kuuluisa saksalainen teoreettisen fysiikan tutkija Albert Einstein siihen tulokseen, että aine ja energia ovat tavallaan saman olennaisen kaksi erilaista ilmenemismuotoa ja että se määrä energiaa, joka saadaan, kun tietty määrä ainetta muutetaan kokonaan energiaksi, voidaan aivan tarkkaan laskea.

Kaava joka tähän laskemiseen käytetään, on vieläpä varsin yksinkertainen – jälleen osoitus siitä, kuinka pitkän ja mutkaisen tien takana oleva tieteellinen tulos voi olla muodoltaan yksinkertainen ja helppotajuinen. Einsteinin kaava on nimittäin yksinkertaisesti seuraava:

E = mc2,

jossa E = se määrä energiaa, joka saadaan massasta m, kun c merkitsee valon nopeutta. Merkintä c2 tarkoittaa lukua, joka saadaan kun valon nopeus c kerrotaan itsellään eli toisin sanoen tuloa c x c, joka matemaattisen ”pika-kirjoituskielen” merkeillä kirjoitetaan muotoon c2.

Kun sovellamme tätä kaavaamme, huomaamme, että jo hyvin pienet ainemäärät vapauttavat suunnattoman suuria energiamääriä muuttuessaan kokonaan energiaksi. Atomipomminsa eivät voima-aineena olevan uraanin atomit tosin muutu läheskään kokonaan energiaksi, mutta siitä huolimatta jo näin saatavat energiamäärät ovat uraanikiloa kohti huimaavasti paljon suurempia kuin mitkään ne energiat, joita saadaan esim. polttamalla kilo mitä hyvänsä kemiallista polttoainetta. (Tässä on muistettava, että tavalliset kemialliset räjähdysaineetkin ovat nekin tässä mielessä tavallaan vain eräänlaisia polttoaineita.)

Atomipommin pilvi Hiroshiman yllä elokuussa 1945. (Kuva George R. Caron / U.S. Army)

Mutta jos uraaniatomit eivät sitten muutu atomipommissa kokonaan energiaksi, niin mikä osa niistä muuttuu energian muotoon – ja miksi? Nämä kysymykset vaativat nyt vastausta, jotta voisimme ymmärtää atomipommin ”toimintaperiaatteita”.

Uraani on atomipainoltaan raskaimpia luonnosta tunnettuja alkuaineita. Itse asiassa sitä pidettiin kauan kaikkein raskaimpana alkuaineena. Mitä suurempia ja raskaampia alkuaineiden atomit ovat, sitä pysymättömämpiä ne myös alkavat olla. Täsmälleen näin ei asia tosin ole, mutta summittaisena ”nyrkkisääntönä” sanottu kyllä pitää paikkansa. Tallaisten alkuaineiden atomien pysymättömyys ilmenee niiden radioaktiivisuutena eli ilmiönä, jossa atomit itsestään hajaantuvat kevyempien alkuaineiden atomeiksi lähettäen samalla säteilyä ympäristöönsä.

Radioaktiivisen alkuaineen atomit muuttuvat lähinnä kevyempien alkuaineiden atomeiksi. Siten esim. ns. alfa-hajaantumisessa uraani, jonka atomipaino on 238, hajaantuu toriumiksi ja heliumytimiksi eli alfa-hiukkasiksi (alfa-säteily).

Mutta yleensä juuri radioaktiivinen säteily, jollainen ensimmäisen kerran löydettiinkin uraania tutkittaessa, on siis tavallaan omaan luonnolliseen tahtiinsa hitaasti vapautuvaa atomienergiaa. Se on atomien sisäistä energiaa, joka vapautuu, kun ne atomit, joiden koossapitämiseen se on aikaisemmin ollut sitoutuneena, hajaantuvat eivätkä sitä enää tarvitse.

Kun siihen kohdistuu eräs hiukkanen, ns. neutroni, se aikaansa reaktiosarjan, jonka tuloksena vapautuu jo huomattava määrä energiaa.

Radioaktiivisena säteilynä vapautuvan energian määrään ja sen vapautumisnopeuteen ei voida kuitenkaan millään ulkopuolisilla, keinotekoisilla tavoilla vaikuttaa. Se noudattaa omia järkkymättömiä sisäisiä lakejaan eikä ihminen pysty sitä tarpeitaan varten kiihdyttämään eikä lisäämään tällä tavoin saatavan energian määrää.

Atomipommia ei siis sellaisenaan voida suorastaan rakentaa turvautumalla uraanin omaan radioaktiivisuuteen. Mutta jos sallimme asiaa hieman monimutkaistettavan, alkaa näyttää siltä, ettemme sittenkään ole nyt enää kaukana atomipommin reseptistä.

Suunnilleen joka sadasneljäskymmenes luonnon uraanin atomi ei olekaan niin sanoaksemme tavallista uraania, so. sitä uraanin ns. isotooppia, jonka atomipaino on 238, vaan hieman kevyempää uraania, jonka atomipaino onkin vain 235. Ja tämä kevyempi uraani-isotooppi, ns. U-235, hajoaakin radioaktiivisesti jo toisella tavalla kuin uraani-238.

Kun siihen kohdistuu eräs hiukkanen, ns. neutroni, jolla on lähes vetyatomin massa mutta ei lainkaan sähkövarausta, se aikaansa reaktiosarjan, jonka tuloksena vapautuu jo huomattava määrä energiaa. Tälloin ei olekaan kysymys samantapaisesta hajoamisesta kuin atomin radioaktiivisessa hajaantumisessa: viimeksi mainitussa atomin paino pienenee vain vähän; esim. alfa-hajaantumisessa siitä niin sanoaksemme sinkoutuu vain vähäinen ”Iastu”, heliumydin, atomin ydin.

Alkeellisen ydinpommin rakenne ei ole enää pitkään aikaan ollut salaisuus. Hiroshima-tyyppinen tykinputkipommi, jossa kaksi alikriittistä uraani-235-palaa ammutaan yhteen, on teknisesti helppo valmistaa. (Kuva TM 21/2005 s. 55)

Neutronin pommittamana U-235:n atomi käyttäytyy toisin: se fissioituu eli halkeaa kahdeksi summittain lähes samankokoiseksi atomiksi: ksenon-nimiseksi jalokaasuksi ja strontiumiksi sekä energiaksi. Ja tässä hajaantumisessa syntyy jokaista uraani-235:n atomia kohti kaksi uutta neutronia. U-238:lla tällainen ilmiö ei tapahdu. U-235:n käyttäytymistä tutkittaessa olemme nyt päässeet klassillisen, ”vanhanaikaisen” atomipommin reseptiin käsiksi.

Sanoin edellä, että U-235 hajoaa energiaa tuottaen silloin, kun sitä pommitetaan neutronilla. Mutta jokaisessa tällaisessa hajoamisessa syntyy myös kaksi uutta neutronia, kuten niinikään todettiin. Toisin sanoen: kun saamme jonkin sopivan neutronilähteen avulla ensin U-235:n hajaantumaan, se alkaa vapauttaa lisää neutroneja, nämä aiheuttavat taas uusien U-235:n atomien hajaantumisen vapauttaan jälleen lisää neutroneja, aina kaksi neutronia jokaista hajaantuvaa U-235-atomia kohti.

Nyt näemme, että tarvitsee siis vain saada U-235:n hajaantuminen alkuun sopivissa olosuhteissa pienellä neutronisuihkulla, ja se alkaa itse huolehtia omasta fissioitumisestaan vapauttamalla tähän tarvittavia neutroneja. Ja tahti on kiihtyvä, koska jokainen hajaantuva U-235:n atomi aiheuttaa aina kahden uuden neutronin vapautumisen, joista kumpikin riittää yhden uuden U-235:n atomin hajoittamiseen. Näin syntyy ns. ketjureaktio, joka, koska jokaisessa hajaantumisessa vapautuu myös energiaa, johtaa lopulta räjähdykseen. Atomipommin resepti on valmis.

Mutta kaikki tämä edellyttää kuitenkin, kuten sanotusta jo ilmenee, että kysymys on puhtaasta U-235-stä.

Niin, tältä ehkä todella näyttää. Mutta aivan näin yksinkertainen ei asia sentään ole. U-235:ttä oli vain noin 0,7 % koko luonnonuraanin määrästä. Jos pommitatte luonnonuraania neutroneilla käy vain varsin harvoin niin, että neutronisuihkun yksittäiset neutronit osuisivat juuri U-235:n atomeihin, paljon useammin ne osuvat luonnonuraanin pääisotoopin, U-238:n ytimiin, jotka eivät alakaan fissioitua neutronien vaikutuksesta.

Ja lisäksi: silloinkin, kun neutroni asuu U-235:n atomin ytimeen ja saa sen hajoamaan, on hyvin epätodennäköistä, että tällöin vapautuvat kaksi uutta neutronia osuisivat juuri U-235:n toisiin atomeihin, paljon useammin ne puhtaasti todennäköisyyslakien mukaan osuvat muihin, ”tehottomiin” atomeihin. Pulma ei siis vielä ratkennutkaan.

Tilanne on tavallaan varsin samanlainen, kuin jos pommitamme hyvin pientä U-235:stä tehtyä kappaletta neutroneilla. Jos se on liian pieni, pääsevät atomien hajaantumisessa vapautuvat neutronit helposti karkuun kappaleen ulkopuolelle sen pinnan kautta, koska pienellä kappaleella on aina paljon enemmän ulkopintaa painoyksikköä kohti kuin samasta aineesta tehdyllä isolla kappaleella.

Etsiessänne käyttötarkoituksia luuri valmistuneelle atomipommillenne, voimme suositella mm. kaavio-kuvamme osoittamaa tapaa. jossa pienellä ydinräjäytyksellä nostetaan öljyä pintaan. Kokeilkaa esimerkiksi takapihallanne! (Kuva TM 15/1965 s. 18)

On olemassa ns. kriitillinen koko eli pienin sellainen U-235-kappaleen koko, jolla neutronit jäävät riittävän tehokkaasti uraanikappaleeseen eivätkä karkaa siitä ja siten pystyvät todella aiheuttamaan ketjureaktion jatkumisen ja esim. uraanin räjähtämisen. [Nykytermi on ”kriittinen massa”. -Toim. v. 2017 huom.] Tätä suurempia ovat ylikriitilliset koot. Jos uraanikappaleen koko on pienempi kuin kriitillinen, (ns. alikriitillinen) ei räjähdystä pääse tapahtumaan.

Mutta kaikki tämä edellyttää kuitenkin, kuten sanotusta jo ilmenee, että kysymys on puhtaasta U-235-stä. Ja siksipä juuri sen eristäminen luonnonuraanista olikin ensimmäisen atomipommin teknillisen toteuttamisen ja sen aikaansaamisen tiellä olleita vaikeuksia. Tamä tapahtui lopulta ns. tennodiffuusiona; uraani muutettiin haihtuvaksi fluoridikseen ja käyttämällä hyväksi sitä tosiseikkaa, että atomipainoltaan hieman kevyempi U-235 siirtyi nopeammin kuin sitä raskaampi U-238 putkessa, johon aikaansaatiin lämpötilaero, tämä rikastus vihdoin onnistui. Neutronilähteenä lienee ensimmäisessä atomipommissa käytetty berylliumia.

Nyt ymmärrämme myös miksi atomipommissa oli kaksi alikriitillistä uraanikappaletta ammuttava yhteen yhdeksi ylikriitilliseksi kappaleeksi. Sitä ennen ei räjähdys olisi ollut mahdollinen (alikriitillinen varmistus).

Atomipommin tarina on laaja ja mielenkiintoinen eikä yhdessä lyhyessä artikkelissa voida edes sivuta kaikkia tärkeitäkään sen synnyttämiseen liittyneitä pulmia eikä keskeisiäkään käsityksiä. Niistä riittäisi aihetta kokonaiseen sarjaan kirjoituksia. Vain kaikkein keskeisimpiä pääpiirteitä miten ensimmäisen atomipommin valmistusohje aikoinaan luotiin, on edellisessä esitetty.

Atomipommin ”resepti”

Entä sitten ”resepti” mahdollisesti halukkaalle atomipommin valmistajalle? Koskapa hän tai he eivät voisi pitää seuraavaa keittokirjan tyylistä näytettä yksityiskohdissaan niin riittävänä kuin ovat tämänmuotoiset ohjeet yleensä, voisi resepti kuulua esim. seuraavasti:

”Otetaan tuhat tonnia luonnonuraania. Se muutetaan uraaniheksafluoridiksi ja käsitellään termodiffuusiolaitteessa, josta lähtöaineessa oleva 0,7 % -uraani-235:tä otetaan talteen fluoridina. Fluoridi hajoitetaan pienissä erissä. Valitaan pommin muoto ja otetaan yksi hyvä atomifyysikko, joka laskee halutun pommin kriitillisen koon. Uraani-235 kootaan kahdeksi kappaleeksi, jotka kumpikin erikseen ovat kriitillistä kokoa pienempiä, mutta joiden yhteenlaskettu massa ylittää kriitillisen koon. Rakennetaan mekanismi, joka pystyy ampumaan uraanikappaleet yhteen ja laaditaan teräskuori, johon mekanismi ja uraanikappaleet sijoitetaan toisistaan erillään. Niin kauan kuin ne pysyvät erillään, ei mitään tapahdu, mutta kun ne laukaistaan yhteen, kiinni toisiinsa, pommi räjähtää.”

Miksi atomipommeja?

Näin yksinkertainen on siis periaatteessa yksinkertaisimman mahdollisen atomipommin resepti. Miksi siis kesti niin kauan, yli puoli vuosisataa radioaktiivisuuden keksimisen jälkeen, ennen kuin sen valmistuksessa onnistuttiin – tai täsmällisemmin sanottuna – ennen kuin sitä edes vakavissaan yritettiinkään?

Arvoituksen ratkaisu on monitahoinen ja piilee osittain varsin mielenkiintoisessa seikassa, joka kätkeytyy yllä olevan reseptin rivien väliin. Ei yksinkertaisesti ollut koskaan tarvittu mihinkään sellaisia määriä puhdasta uraania, puhumattakaan sen isotoopista 235, että käytettävissä olleiden teknisten resurssien puitteissa koko asia olisi ollut taloudellisesti mielekäs tai mahdollinen. Tarvittiin hyvin vakava ja pakottava syy – sota osoittautui sellaiseksi – ennen kuin edes tähän tarvittavat taloudelliset voimavarat voitiin irroittaa.

Mutta jälleen on tässä kysymys pulmasta, joka 1940-luvun alussa oli fyysikkojen mielissä jättiläismäinen ja silti ehkä käytännössä mahdoton.

Mutta tämäkin oli vain pintailmiö: todelliset syyt atomipommin ”myöhäiseen” syntyyn olivat vielä paljon syvemmällä. Koko se atomifysiikan teoreettinen tietämys ja ilmiöiden tieteellinen hallitseminen, joka oli atomipommin perustana, oli suurelta osalta saavutettu vasta 1930-luvulla. Se – vaikka se, kuten kaikki tiede – nojautui samalla aikaisemmille saavutuksille olikin siis itse asiassa varsin uutta.

Eivät edes kaikki tiedemiehet olleet varmoja siitä, että atomien energian vapauttaminen voisi koskaan olla mahdollista. Tätä asiaa on meidän atomikauden ihmisten ehkä hieman vaikea tajuta. mutta esim. tämän kirjoittaja, joka Hirošiman vuonna oli luonnontieteistä kiinnostunut teini-ikäinen, muistaa aivan hyvin, kuinka suuren vaikutuksen teki se, että vanhojen kemiallisten energialähteiden ”ohi” oli murtauduttu. Kysymys oli siis myös suuresti asenteista.

Ja vihdoinkin teknilliset vaikeudet. On hyvin yksinkertaista sanoa, että uraanin isotoopit erotetaan toisistaan termodiffuusiolaitteella eli sen seikan avulla, että uraani-238:n ja uraani-235:n atomien massojen pieni ero on tarpeeksi suuri, jotta ne voidaan erottaa toisistaan asettamalla niistä valmistetut kaasumaiset uraanifluoridit alttiiksi lämpötilaeroille. Talloin nimittäin pienempimassaisista atomeista – so. uraani-235:n fluoridista – koostuva kaasu esim. tihkuu väliseinän läpi – sen ”kylmältä” puolelta ”lämpimälle” – nopeammin kuin raskaampimolekyylinen.

Mutta jälleen on tässä kysymys pulmasta, joka 1940-luvun alussa oli fyysikkojen mielissä jättiläismäinen ja silti ehkä käytännössä mahdoton. Eri alkuaineiden eri isotoopit oli kyllä opittu toteamaan ja tuntemaan, mutta saada ne erilleen toisistaan, kun niiden kemialliset ominaisuudet ovat samat, näytti ylipääsemättömältä. Avuksi tuli niiden pieneen massaeroon perustuva ilmiö, joka oli toistettava tuhansia kertoja ennen kuin se johti todelliseen uraani-235:n rikastumiseen. Moni lieneekin uskonut, että tämä pieneltä näyttävä ”reseptiteknillinen” pulma kaataisi koko ajatuksen toteuttamisen.

Entä nykyhetki

”Ydinkerhoon”, so. atomipommin omistavien maiden joukkoon kuuluvat tällä hetkellä USA, Neuvostoliitto, Englanti, Ranska ja Kiina. Indonesia on ilmoittanut pyrkivänsä samaan päämäärään. Herää kysymys, mitä teknillisiä mahdollisuuksia eri mailla on valmistaa atomipommi.

Missään tapauksessa se ei ole sen enempää taloudellisesti kuin teknillisestikään vähäinen suoritus, kaikkea muuta. Mutta jos ajattelemme, että poliittiset tai muut syyt tekevät aiheelliseksi vapauttaa siihen tarvittavat voimavarat, on sanottava, ettei se ole mahdottomuus teknillisesti pitkälle kehittyneelle maalle.

Eri asia on sitten se, että maailmanpoliittinen kehitys näyttää suosivan ydinvapaiden vyöhykkeiden muodostumista, alueiden, joiden piiriin kuuluvissa maissa tämän voimakeinon kehittämisestä pidättäydytään. Ratkaisut ovat sittenkin enemmän poliitikkojen kuin tiedemiesten, fyysikoiden ja insinöörien käsissä.

Teksti on alkuperäisessä asussaan mutta sen järjestystä ja jäsentelyä sekä kuvitusta on hieman muutettu. Alkuperäisen artikkelin voit lukea TM-näköislehdestä >>.