Ydinräjähde

Ydinräjähteitä on käytetty sotatoimissa kaksi kertaa historiassa USA:n hyökkäyksessä Japania vastaan. USA käytti tällöin kaksi erilaista atomipommia ja pudotti ne Japanin kaupunkeihin Hiroshima ja Nagasaki tuhoisin seurauksin. Ensimmäinen atomipommi Little Boy oli uraani-pohjainen atomipommi, jossa kriittinen massa saavutettiin ampumalla kaksi U-235 subkriittistä ydinasemateriaalista valmistettua kappaletta yhteen perinteisiä räjähteitä käyttämällä. Fat Maniss a sen sijaan ydinasemateriaali oli plutonium 90+% Pu-239. Kriittinen massa saavutettiin subkriittisessä kappaleessa käyttämällä perinteisiä räjähteitä.

Ydinräjähdettä voidaan käyttää myös rauhanomaisessa tarkoituksessa. 60-luvulla tiedettiin varsin vähän ydinräjähteen haitallisista pitkäkestoisista jälkivaikutuksista. Siksi atomipommeja käytettiin kevyemmillä perusteilla kuin nykypäivänä. Ydinräjähdys toimii neljällä eri tavalla riippuen räjähdyksen alkamisolosuhteista.

Atmosfäärinen räjäytys
Atmosfäärinen eli ilmakehässä tapahtuva räjäytys on tunnetuin tyyppi räjäytyksistä. Ilmakehässä tapahtuva ydinräjähdys on tuhovaikutukseltaan suurin muihin verrattuna, siksi sitä käytettiin ja edelleen käytetään ydinaseissa (kts. ydinräjähdyksen vaikutukset). Ilmakehässä tapahtuvan räjähdyksen tuhovoima perustuu neljään tuhovaikutukseen joista primäärejä ja välittömiä ovat säteily/lämpöaalto, paineaalto, sähkömageettinen pulssi ja sekundääri eli pitkän ajan tuhovaikutus, joka on radiologinen ympäristön saastuminen, joka tunnetaan myös nimellä ydinlaskeuma. Atmosfäärinen räjähdys pyritään toteuttamaan noin 1km korkeudella, parhaan tuhovaikutuksen saavuttamiseksi. Ydinräjähdyksessä ydinasemateriaalista tehdyn kappaleen tila ylittää kriittisen massan ja käynnistyy spontaani progressiivinen ja hallitsematon ydinreaktioiden (fissio iden) ketju, eli ydinketureaktio. Jokainen fissio tuottaa energiaa sähkömagneettisen säteilyn muodossa sekä vapautuvien neutronien liike-energiana. Säteily on pääosin (yli 95%) röntegensäteilyn aallonpituudella. Säteily etenee valonnopeudella, on ionisoivaa ja siten vaarallista elävälle kudokselle. Tuhovaikutus perustuu elävän kudoksen välittömään kuolemiseen tai vaurioitumiseen (säteilyannos) tai elottoman materian syttymiseen, palamiseen tai sulamiseen. Tuhovaikutus vaimenee etäisyyden kasvaessa räjäytyspisteestä ja riippuu ainakin räjähdyksen tehosta maastosta ja väliaineesta. Primäärisäteilyltä voi suojautua maanalaisessa bunkkerissa tai riittävän tiheastä ja paksusta materiaalista tehdyn absorbaattorin avulla.
 * 1) Primääri säteily ja lämpöaalto

2. Paineaalto

Paineaalto on toinen suuri ja merkittävä tuhotekijä. Ydinrähdyksestä vapautuva lämpö- ja sähkömagneettinen energia kuumentaa lähistöllä olevan ilmakehän kaasun, joka lämpölaajenee räjähdysmaisesti ja synnyttää paineaallon. Paineaalto etenee huomattavasti hitaammin kuin valo, mutta kuitenkin satoja metrejä sekunnissa. Ensimmäinen pääpaineaalto etenee poispäin räjähdyksen keskipisteestä, mutta toinen pienempi paineaalto kulkee kohti räjähdyspistettä, kun räjähdyspisteessä oleva kuuma ilma kohoaa ja imee pintailmaa mukanaan. Tuhovaikutus perustuu rakenteiden mekaaniseen tuhoutumiseen tai vaurioitumiseen.

3. Sähkömagneettinen pulssi

Ydinrähdyksestä vapautuva lämpö- ja sähkömagneettinen energia kuumentaa lähistöllä olevan ilmakehän kaasun niin, että se ionisoituu ja siitä syntyy plasmaa. Kun näin syntynyt positiivisesti varautunut plasma liikkuu nopeasti paineaallon mukana syntyy voimakas sähkö- ja magneettikenttä. Tämä sähkö- ja magneettikenttä voi vaurioittaa sähkölaitteita ja estää sähkömagneettisen (radio-)kommunikoinnin. Pulssi kestää niin kauan kuin ilmassa oleva kaasu on ionisoitunutta ja se liikkuu merkittävällä nopeudella.

4. Radiologinen ja ekologinen tuhovaikutus

Ydinräjähdyksessä nuklidien fissioreaktioiden seurauksena syntyy tytärnuklideja eli fissiotuotteita, jotka ovat tavallisesti voimakkaasti radioaktiivisia. Nämä ydinasemateriaalista lähteöisin olevat radioaktiisviset isotoopit voivat räjäytyksen yhteydessä kulkeutua vesikierron ja ilmakierron mukana laajalle alueelle. Näiden tarkkaa tuhovaikutusta on vaikea arvioida. Toisaalta radioaktiivisten isotooppien määrä on pieni (enintään ydinasemateriaalin massan verran), mutta toisaalta leviäminen voi tapahtua laajalle alueelle. Ekologinen tuhovaikutus perustuu niin radiologiseen kuin kemialliseen terveyshaittavaikutukseen. (kts köyhdytetty uraani). Fissiotuotteet voivat olla vaarallisen radiaktiivisia tuhansia vuosia.

Maanalainen räjäytys
thumb|Ideaalisen maanalaisen räjähdyksen vaiheet Maanalainen räjäytys on tuho- ja haittavaikutuksiltaan huomattavasti pienempi kuin atmosfäärinen räjäytys. Väliaine absorboi fissiossa vapautuvan energian tehokkaammin kuin ilma. Tavallisesti maa-aines on peruskalliota tai vastaavaa kovaa väliainetta. Ydinräjähteen teho riittää sulattamaan ja höyrystämään väliaine räjähdyskeskipisteen lähellä plasmaksi. Kaasuntunut ja plasmaksi muuttunut väliaine työntää paineella ympärillään olevaa ainetta poispäin räjähdyksen keskipisteestä niin, että seuraava kerros muuttuu hienojakoiseksi pölyksi ja uloin kerros murskautuu karkeaksi murskeeksi. Syntynyneen onkalon muoto riippuu räjäytyssyvyydestä ja koko räjäytysvoimasta. Onkalo on tavallisesti pallomainen syvällä, tai munan muotoinen niin, että soikea pää osoittaa ylöspäin, jos räjäytys tapahtuu lähellä pintaa. Pinnan lähellä väliaineen paineenvastustuskyky on verrattuna muihin suuntiin pienempi. Räjähdys aiheuttaa myös sesmisen paine-aallon, joka voidaan havaita kaukanakin räjäytyspaikasta. Primäärisäteily absorboituu tavallisesti väliaineeseen, eikä sillä ole juurikaan vaikutusta pinnalla. Huomattavaa sähkömagneettista pulssia ei synny koska ionisoitunut materiaali ei pääse liikkumaan nopeasti pitkää matkaa pitkällä aikavälillä niin kuin atmosfäärisessä räjäytyksessä. Kun kuumentunut väliainemateriaali räjähdyksen jälkeen jäähtyy se muuttuu ensin sulaksi ja lopulta jähmettyy takaisin kiveksi tai vulkaaniseksi lasiksi. Syntynyt pinta on verrattaen sileä ja tavallisesti ilmatiivis. Tällä menetelmällä rakennettiin mm. neuvostoliitossa maanalaisia kaasusäiliöitä. Jäähtyminen kestää kuitenkin ilman toimenpiteitä useita kuukausia tai jopa vuosia.

Räjähdyksen jälkeen fissiomateriaalit poistuvat onkalosta radiaktiivisen höyryn mukana. Yläpuolella oleva maa-aines suodattaa haitallisia radio-isotooppeja jonkin verran ennen kuin ne pääsevät pinnalle. Haitallisten radioisotooppien kulkeutumista pinnalle voidaan vähentää räjäytyssyvyyttä kasvattmalla. Vastaavasti, jos räjäytys tapahtuu niin, että yläpuolelle ei jää ollenkaan maa-ainetta, kaikki radioaktiiviset höyryt voivat vapautua onkalosta.

Räjäytys avaruudessa
Avaruudessa ei ole väliainetta, joten paineaaltoa ei synny. Vastaavasti lämpö kulkeutuu ainoastaan säteilemällä. Jos räjäytys tapahtuu kuitenkin lähellä ilmakehää eli esim. maan matalalla kiertoradalla. Voi ydinräjähdyksessä vapautuva ionisoiva säteily osua maan ilmakehän ylemmissä osissa oleviin ilmamolekyyleihin ja ionisoida ne. Vastaavasti energia lämmittää molekyylejä ja aiheuttaa liikettä. Tällä tavalla syntyy varauksellisten hiukkasten liikettä, mikä voi aiheuttaa huomattavia sähkömagneettisia kenttiä maan pinnalla. Näin voidaan aiheuttaa keinotekoinen sähkömagneettinen pulssi tietyllä alueella maanpinnalla.

Räjäytys vedessä
Räjäytys syvällä vedessä aiheuttaa vastaavasti väliaineen eli veden höyrystymisen, mutta laajemmalla alueella. Höyrystynyt ja laajentunut vesi työntää väliainetta ympäriltään pois kaikkiin suuntiin ja aiheuttaa paineaallon. Höyrystynyt vesi pyrkii pinnalle ison vesihöyrykuplan muodossa ja aiheuttaa myös ison pinta-aallon. Höyry on ylikriittistä ja osittain ionisoitunutta plasmaa. Tuhovaikutus perustuu ylikriittisen höyryn kuumuuteen ja paineaaltoon, joka synnyttää suurehkon pinta-aallon. Höyryplasma aiheuttaa tuhoa ainoastaan pinta-alukselle sen sijaan pinta-aalto voi eiheuttaa tuhoa myös rannalla. Tuhovaikutus on verrattavissa pienimuotoisen tsunamin tuhovaikutukseen. Ionisoitunut plasma aiheuttaa vastaavasti sähkömagneettisen kentän eli sähkömagneettisen pulssin kulkeutuessaan kohti pintaa. Vesi absorboi hyvin primäärisäteilyn, eikä se etene kovin pitkälle. Radiaktiiviset fissiotuotteet kulkeutuvat pääosin pinnalle kaasumaisessa muodossa.

Räjäytys merenpohjassa
Merenpohjassa voidaan toteutettaa ydinräjäytys, jonka tarkoitus on destabilisoida mannerlaatta, ja aiheuttaa mannerlaatan tektoninen liikahdus ja maanjäristys. Räjähteen paikka on valittava tarkkaan. Tälläinen keinotekoisesti aiheutettu mannerlaatan liikahdus ja maanjäristys voi aiheuttaa suuren pinta-aallon meressä eli tsunamin. Tuhovaikutus perustuu suuren tsunamin aikaansaamiseen ja ranta-alueiden mekaaniseen tuhoamiseen. Näin syntyneen pinta-aallon eli tsunamin teho voi riittää kiertämään maapallon useammin kuin kerran. Tsunamilla ei kuitenkaan ole suurta tuhovaikutusta sisämaassa.

Ydinräjähteiden rauhanomainen käyttö
Ydinräjähteiden käyttöä siviilitarkoituksiin, kuten esimerkiksi suurien maamassojen poistamiseen kanaalien tai satamien rakentamisessa, on tutkittu sekä entisessä Neuvostoliitossa että USAssa. Paitsi suuret maanrakennushankkeet, joitakin mahdollisia ydinräjähteiden käyttötarkoituksia voisi olla maanalaisten onkaloiden kaivaminen kaasun tai öljyn varastointiin, maata uhkaavien asteroidien hajottaminen tai suurten öljykenttäpalojen sammuttaminen. Neuvostoliitto on käyttänyt ydinräjähteitä Kazakstanissa patotyömaalla sekä kolme vuotta palaneen kaasulähteen sammuttamiseen.

Ydinräjähteen köyttö suuren rakennuksen purussa
thumb|Maanalaisen latauksen käyttö purussa Ydinräjähteitä ei voida tavallisesti käyttää rakenneusten purussa. Ydinräjähteen mahdollinen käyttö purussa on otettava huomioon jo rakentamisen alussa. Erikoiskohteeseen voidaan rakentaa sisään ns. sisäänrakennettu ydinräjähdettä soveltava purkumekanismi tai sen infrastruktuuri. Purkumekanismi mahdollistaa rakennuksen nopean purun. Tälläinen tilanne voi syntyä jos suuri rakennus pitää purkaa nopeasti ilman, että on aikaa asettaa siihen tavallisia räjähteitä, esimerkiksi hätä- tai vaaratilanteessa. Ydinräjähteen teho ja paikka lasketaan tarkasti riippuen rakennuksen koosta ja materiaaleista. Ydinräjähde asetetaan rakennuksen alle, keskelle rakennusta niin, että rakennuksen keskiosa vajoaa/tipahtaa ydinräjähdyksen seurauksena syntyneeseen onkaloon. Tämä estää rakennusta kaatumasta sivulle ja aiheuttamasta vahinkoa ympäröiville rakennuksille. Koko rakennus tuhoutuu tavallisesti vain yhdellä ydinräjähteellä. thumb|Seisminen paineaalto Ydinräjähde vaatii tavallisesti huoltoa radioaktiivisten aineiden hajoamisesta johtuen ja sen käyttöikä on rajallinen ilman huoltoa. Tästä syystä purkumekanismin infrastruktuuri yleensä sisältää mahdollisuuden kuljettaa ydinlataus säilytys- ja huoltopaikasta käyttöpaikkaan. Ydinräjähteen käyttö purkutarkoituksessa on välttämätön sellaisissa teräsrakenteissa, jossa muunlainen räjähde olisi tehoton tai sen vaadittava määrä epäkäytännöllisen suuri.

Ydinräjähteen tuhovaikutus perustuu kahteen ilmiöön. Ensimmäisenä maanalaisen ydinlatauksen aiheuttama seisminen paineaalto kulkeutuu rakennuksen sisällä kiinteissä ja jatkuvissa rakenteissa, kuten kantavat terästukirakenteet, aiheuttaen materiaalin vaurioitumisen ja heikkenemisen, murskautumisen ja jauhoutumisen muodossa. Paineaalto ei välttämättä kulje huokoisessa tai huonosti ääntä välittävässä aineessa. Seisminen paineaalto kulkee samalla nopeudella kuin ääni metallissa eli noin 6 km/s. Toinen tuhovaikutus perustuu maan pettämiseen rakennuksen alla. Rakennus sortuu/tipahtaa/vajoaa kokonaan tai osittain syntyneeseen onkaloon gravitaation johdosta. Sortuminen/putoaminen onkaloon alkaa vapaapudotuksen kiihtyvyydellä. Itse "räjähdys" ts. primääri paineaalto ja lämpöaalto ei sinäänsä kosketa rakennusta.

Rauhanomaisten ydinräjähteiden käyttöä valvoo kansainvälinen ydinassosiaatio. PNE-Sopimuksessa (Peaceful nuclear Explosions-treaty) määritellään yhden latauksen maksimikooksi 150kt. 150kt lataus peruskalliossa aiheuttaa kokonaisonkalon halkaisijaltaan noin 100m.

Ydinräjähteen suurin haittavaikutus on radioaktiivisen höyryn pääseminen onkalosta maanpinnalle. Radiaktiivisen höyryn hengittäminen tai radioaktiivisen aineen nieleminen voi aiheuttaa akuutin tai kroonisen säteilymyrkytyksen, kohentuneen syöpäriskin ja DNA:n vaurioitumisen. (Vast. Köyhdytetty uraani)

Dmitri Khalezov, entinen Neuvostoliiton armeijan upseeri, joka toimi ydinasevalvontaan erikoistuneessa osastossa, kertoo kirjassaan, että hänellä ja Neuvostoliiton armeijalla oli tieto WTC torneihin sisäänrakennetusta ydinräjähdettä soveltavasta purkumekanismista myös ennen Syyskuun 9. päivän terrori-iskuja. Dmitri Khalezov kertoo, että on valmis antamaan todistajan lausuntonsa Syyskuun 9. terrori-iskuihin liittyvässä oikeudenkäynnissä, mutta sellaista oikeudenkäyntiä ei ole vielä pidetty. Dmitri postuloi, että kaikki 3 tornia (WTC 1, 2 ja 7) tuhottiin käyttämällä sisäänrakennettua dekommissio-infrastrutuuria ja että lentokoneiden aiheuttama vahinko torneille oli marginaalinen, tai sitä ei ollut lainkaan. Dmitri kertoo, että myös muissa USA:n torneissa voi olla sisäänrakennettu purkumekanismi, kuten Chicagon Sears-tornissa, joka myös evakuoitiin Syyskuun 9. 2001.

Aiheesta muualla

 * The Production and Dissolution of Nuclear Explosive Melt. Glasses at Underground Test Sites in the Pacific Region. International Atomic Energy Agency.