hydrogenbombe

Fusjonsprosessen i bomben holdes bare ved like ved meget høye temperaturer og kalles derfor en termonukleær reaksjon. Vanlig og mest effektiv er reaksjonen hvor hydrogenisotopene deuterium, ²H, og tritium, ³H, slår seg sammen. Det dannes helium ⁴He, og nøytroner frigjøres. Med symboler skrives reaksjonen: ²H + ³H → ⁴He + n.

Som utgangsmateriale brukes av tekniske grunner ikke tritium og deuterium i ren tilstand. I bomben er deuterium bundet kjemisk til litiumisotopen ⁶Li som litiumhydrid, ⁶Li²H, mens tritium produseres under eksplosjonen ved at ⁶Li bombarderes med nøytroner så man får reaksjonen: ⁶Li + n → ³H + ⁴He. I likhet med vanlig hydrogen, ¹H, er både deuterium og tritium gasser. For å få stor nok tetthet for fusjon av disse stoffene i ren tilstand, måtte man avkjøle dem slik at de ble flytende. Det ville kreve så store kjøleanlegg at hydrogenbomben neppe kunne la seg realisere.

Anvendelsen av ⁶Li²H er derfor et viktig ledd i utviklingen av bomben. Når fusjonsprosessen mellom ²H og ³H kommer i gang, holder den seg ved like ved en temperatur på ca. 45 mill. grader. Denne temperaturen oppnås ved sprengning av en fisjonsbombe (uran- eller plutoniumbombe).

Ut fra informasjonen som er tilgjengelig om hydrogenbomben, vet vi at den kan eksplodere i to eller tre trinn. Innerst har man en primærladning, som i realiteten er en fisjonsbombe, hvor høyanriket uran av våpengrad eller plutonium er virkestoffet. Som oftest vil primærladningen være virkningsforsterket, det vil si at implosjonsladningen har noen gram med deuterium- og tritiumgass i sentrum. Når fisjonskjedereaksjonen har utviklet tilstrekkelig energi, fusjonerer denne gassblandingen. Energibidraget er ubetydelig sammenliknet med våpenets totale sprengkraft, men reaksjonen utløser en skur av svært hurtige nøytroner som framskynder kjedereaksjonen og dermed øker omsetningsgraden av fisjon av uran eller plutonium. Det gjør at primærladningen kan gjøres svært kompakt med små mengder fissilt materiale (uran eller plutonium) og tilsvarende små mengder andre bestanddeler. Virkningsforsterkede fisjonsladninger anvender altså fusjon, men regnes ikke som fullverdige termonukleære ladninger i seg selv, siden fusjonsenergien ikke er vesentlig sammenliknet med fisjonsenergien.

Den voldsomme skuren av nøytroner fra primærladningen vil så reagere med litium-6-deuterid i sekundærladningen, slik at tritium dannes i betydelige mengder gjennom prosessen ⁶LiD + n → ⁴He + T + D. I tidlige varianter brukte man flytende deuterium som fusjonsvirkestoff, men det var ikke praktisk i våpenbruk grunnet behovet for dyp kjøling. Litiumdeuterid er imidlertid et fast stoff ved romtemperatur.

Fusjonsvirkestoffet komprimeres som følge av strålingen fra primærladningen. Her er det to ulike konstruksjonsprinsipper som bestemmer hvordan sekundærladningen er anordnet i våpenet. I det såkalte «lagkakedesignet», en idé utviklet av Andrej Sakharov, er fisjonsladningen den innerste delen av en løkstruktur, hvor fusjonstrinnet ligger som et lag utenpå. Det andre hovedprinsippet ble utviklet av Edward Teller og Stanislaw Ulam og kalles «Teller-Ulam-modellen». Her er sekundærladningen fysisk atskilt fra primærladningen. Det er også et mellomtrinn som gjør at gammastrålingen fra primærladningen omdannes til røntgenstråling før den treffer sekundærladningen. Strålingstrykk og ablasjon bidrar til såkalt strålingsimplosjon av fusjonsmaterialene i sekundærladningen, slik at temperaturen og trykket kan bli stort nok til å utløse fusjon. Det er som regel også en «tennplugg» av plutonium eller høyanriket uran sentralt i sekundærtrinnet, som vil fisjonere under kompresjon og bidra ytterligere til energiutvikling og kompresjon av fusjonsmaterialene. Dersom våpenet er kapslet inn i et materiale som er spaltbart av hurtige nøytroner, som for eksempel naturlig eller utarmet uran, kan en se på det som et tredje trinn som kan bidra betydelig til den totale sprengkraften, siden fusjonen i sekundærladningen genererer en enorm skur av svært hurtige nøytroner.

I motsetning til uranbomben som eksploderer spontant dersom størrelsen overskrider en kritisk grense, finnes det ingen prinsipiell øvre grense for størrelsen av hydrogenbomben. Som ved konvensjonelle våpen er skadevirkningen dels knyttet til selve varmeutviklingen og varmestrålingen som forårsaker antennelser og brannskader, dels er den knyttet til sprengvirkningen, det vil si til trykkbølgen som oppstår på grunn av varmeutviklingen. Størrelsen av disse formene for skadevirkning kan måles ved den energimengde som frigjøres, og den angis vanligvis ved massen av den mengde TNT (trinitrotoluen) som har samme sprengvirkning. Man regner at 1 kg TNT tilsvarer en frigjort energimengde på 4,15 MJ (megajoule). Mens uranbomber som regel har en sprengvirkning på under 50 kilotonn TNT, lages hydrogenbombene 100–1000 ganger større. USA foretok i 1954 prøver med bomber på opptil 15 megatonn TNT, og i 1961 gjennomførte SSSR en prøveserie hvor en av bombene antas å ha hatt en sprengvirkning på over 50 megatonn. En slik bombe inneholder atskillige tonn ⁶Li²H. Fisjonsbomben i midten veier derimot bare cirka 10 kg.

Foruten skadevirkninger som direkte følger av eksplosjonen, vil man som ved andre kjernevåpen også få skader på grunn av radioaktiv stråling. Både i fisjons- og fusjonsprosessen sendes det ut nøytroner og γ-stråling med stor gjennomtrengningsevne. I store doser virker slik stråling dødelig, mens man ved svakere bestråling, for eksempel i store avstander fra eksplosjonsstedet eller når man tilsynelatende er avskjermet, kan få doser som ikke gir merkbare virkninger med det samme, men som etter en tid viser seg å være sykdomsfremkallende (kreft, blodsykdommer) eller virker forstyrrende på arveanleggene. Ved fisjon frembringes det dessuten en stor mengde radioaktive isotoper med halveringstid fra en brøkdel av et sekund til mange år. Slike stoffer slår seg ned i og omkring bombekrateret og infiserer det i tiden etter eksplosjonen. De slynges også delvis som støvpartikler eller gass opp i atmosfæren og blir opphav til radioaktive forurensninger av luften. Etter hvert brer disse forurensningene seg ut over store områder, sirkulerer omkring Jorden og føres etter en tid ned med nedbøren. Stråling fra nedfallet, særlig fra den del av det som absorberes lett i organismen, regnes som et vesentlig faremoment etter sprengning av kjernevåpen.

Men siden stoffene hovedsakelig dannes i fisjonsprosessen, vil forurensningene fra hydrogenbomben bli vesentlig mindre enn fra uran- og plutoniumbomber, sett i relasjon til bombenes sprengvirkning. Helt rene hydrogenbomber, dvs. bomber som ikke gir noen radioaktiv forurensning av atmosfæren, kan man ikke lage da man er avhengig av en fisjonsbombe for å starte prosessen. Dessuten vil nøytronene som stråler ut, til dels bli absorbert i stoffer i omgivelsene og gjøre dem radioaktive. Storparten av denne induserte aktiviteten vil forsvinne igjen etter noen dager eller uker.

Nøytronbomben, som i 1977 var blitt utviklet i USA, er en hydrogenbombe hvor nøytronene fra ²H + ³H reaksjonen bare i liten grad inngår i kjedereaksjonen. De forsvinner isteden ut av bomben med stor hastighet. Som følge av dette blir varme- og sprengvirkningen i senteret for eksplosjonen redusert, mens skadevirkningene i omgivelsene på grunn av nøytronstråling blir større. Strategisk betyr dette at man har valg mellom nøytronbomber med stor strålevirkning og mindre sprengvirkning og tradisjonelle hydrogenbomber hvor sprengvirkningen blir større om man tilstreber en bestemt strålevirkning, men hvor stråleskadene blir mindre om man tilstreber en bestemt sprengvirkning.

Allerede i 1943, mens fisjonsbomben var under utvikling, ble det konstatert at det ville være mulig å lage en hydrogenbombe. Men først etter at Sovjetunionen i 1949 hadde foretatt sin første prøvesprengning med en fisjonsbombe, ble det i USA satt i gang et prosjekt for utvikling av en slik bombe. Som hovedansvarlig for utviklingen regnes den ungarskfødte fysiker Edward Teller. Den første prøvesprengning ble foretatt 31. okt. 1952 ved Marshall Islands i Stillehavet. Tilsvarende prøver med bomber utviklet av den senere godt kjente fysiker og fredsforkjemper Andrej Sakharov, ble gjennomført av Sovjetunionen 17. august 1953. Storbritannias første prøver fant sted 1956, Kinas i 1967 og Frankrikes i 1968. Hydrogenbomben er til nå aldri brukt i aktiv krigføring.

• atomvåpen