Miksi Batman-elokuvan fuusiopommi ei voi toimia

Tämä blogaus on viihteellinen, populaaritieteellinen ja käsittelee ydinfysiikkaa ja hypoteettisia ydinaseita. Artikkelin on tilannut Venla Leppänen.

Näin jokin aika sitten Batman: The Dark Knight Rises -elokuvan vuodelta 2012, joka on suomenkieliseltä nimeltään kornisti ”Yön Ritarin Paluu”. Kommentoin elokuvaa katsoessani jo varhain, ettei fuusioreaktorista tolkullisesti voi muuntaa ydinasetta. Muut katsojat eivät olleet vakuuttuneita. Pyynnöstä siis vastaan miksi.

Tiivistelmänä totean, että elokuvassa on ikään kuin sekoitettu fuusio ja fissio keskenään, niin kuin on tapahtunut politiikassakin. Elokuvan idea fuusiopommista jättää huomiotta kokonaan sen, että fuusio ja fissio ovat ihan eri asioita (fissio on se, millä nykyiset ydinvoimalat ja käytännössä ydinaseet toimivat).

Elokuvan keskeinen juoni on se, että ilkeä ruma mies Bane järjestää iskun Gotham City:n pörssiin, käyttää pörssin tietojärjestelmiä romahduttamaan sankari Bruce Wayne:n suuryrityksen osakekurssin ostaakseen Bane:n kätyreille määräysvallan yhtiöön, ja muuntaa yhtiön omistaman prototyyppifuusioreaktorin jatkuvasti säteileväksi ydinaseeksi jolla hallita kaupunkia. SPOILER: Batman lennättää aseen merelle, jossa se räjähtää klassisen sienipilven kera.

Aloitan perusteista. Atomi on arkisesti tuntemamme aineen pienin koostumusmuoto, vaikka sen osat koostuvatkin vielä alkeishiukkasista, mutta se ei ole nyt oleellista. Atomin keskeisin osa on sen ”ydin”, joka koostuu vähintään yhdestä positiivisesti latautuneesta (+) protonista ja ’vaihtelevasta’ määrästä neutroneja. Ydintä kiertää tavallisesti protoneita vastaava lukumäärä negatiivisesti latautuneita elektroneja (-). Yksinkertaistaen, atomin protonien määrä on se, joka määrittää mikä alkuaine on kyseessä, eli suunnilleen miten atomi käyttäytyy ja miten alkuaineet eroavat toisistaan arkisilta ominaisuuksiltaan. Neutronien lukumäärä vaihtelee jonkun verran, jolloin sanotaan atomilla olevan useita eri isotooppeja. Useimpia näistä ei juuri esiinny luonnossa.

Luonnossa esiintyvät aineiden isotoopit ovat yleensä vakaita, mutta on olemassa myös isotooppeja jotka ovat epävakaita, eli ne eivät halua pysyä sellaisenaan koossa ja ajan myötä tietyllä logiikalla syrjäyttävät neutroneja ja/tai protoneja ytimestään, ja välillä myös alkeellisempia hiukkasia. Tätä kutsutaan radioaktiivisuudeksi. Yksinkertaistettuna, näitä säteinä sinkoavia ’kodittomia’ hiukkasia, jotka joskus muuttavat muotoaankin, kutsutaan tällöin ionisoivaksi säteilyksi tarkoittaen, että ne muuttavat atomien rakennetta niihin osuessaan.

Fissiovoima, jota ydinvoimaksi kutsumme, perustuu juuri tähän raskaiden alkuaineiden hajoamisreaktioon. Otamme lämpönä talteen suurten epävakaiden atomien säteilemän energian ja muunnamme sen vesihöyryturbiineilla sähköksi. Fissiovoimaloiden suunnittelun haaste liittyy siihen, että polttoaineen hajoamista ja lämmittävää vaikutusta ei voi noin vain lopettaa. Tämä oli ongelma tsunamin vuonna 2011 tuhoamassa Fukushiman vanhassa fissiovoimalassa vuodelta 1971.

Fuusio eli ”yhdistyminen” tapahtuu kun kahden atomin ytimet törmäävät suurella voimalla, joka on vahvempi kuin näiden ydinten kasassa pitävä voima. Kun kaksi rauta-atomia (₂₆Fe) pienempää ydintä (esim. vetyä) fuusioituvat, vapautuu hieman enemmän energiaa kuin törmäykseen tarvittiin. Rautaa suurempien atomien fuusio taas ”syö” ulkopuolista energiaa. Päinvastainen pätee fissioon; rautaa pienemmät alkuaineet eivät oikein tahdo hajota, mutta hyvin suuret tapaavat tehdä niin. Tässä piileekin juoni siihen, miksi elokuvan tieteiskerronta epäonnistuu.

Fuusiovoimala vaatii fuusioon aika pieniä alkuaineita, kuten vedyn (1H) isotooppeja deuteriumia ja tritiumia. Tällaiset pienet atomit eivät hajoile holtittomasti noin vain, niin kuin erittäin suuret (radioaktiiviset) atomit tekevät. Lisäksi näiden yhdistäminen, eli fuusio, vaatii huomattavaa kohdistettua ulkoista energiansyöttöä. Niin suurta ulkopuolista, jatkuvaa energian kohdistamista esim. lasereilla, että se vastaa yhden ydinvoimalan energiantuotantokapasiteettia.

Fuusiovoiman idea on se, että vaikka fuusio itse asiassa vaatii hirveitä määriä energiaa, pienten atomien fuusio kuitenkin silti vapauttaa hieman ”ilmaista” energiaa syötetyn päälle. Ero ei vielä lähiaikoina tule olemaan suuri, mutta ehkä muutaman vuosikymmenen päästä sen verran suuri, että energiaa kannattaa syöttää takaisin uudestaan ja uudestaan, jotta ”ilmainen” ylimääräenergia voidaan syöttää sähköverkkoon. Fuusiovoima ei kuitenkaan voi suoraan vastata ”rajattoman” ja ilmaisen energian unelmiin ennen kuin jotain mullistavaa keksitään, koska reaktorilla ei ole ääretöntä kapasiteettia, hyötyfaktorit ovat todennäköisesti alle kahden ja voimalan rakentaminen on suuri investointi. Sanoinkuvaamattoman puhdas energiamuoto se toki olisi verrattuna kaikkeen nykyiseen.

Fuusiovoimalan keinotekoinen fuusioreaktio ei määritelmänmukaisesti voi lähteä käsistä kuten ydinvoimaloiden tiettyjen mallien fissioreaktiot, koska fuusioreaktio pysähtyy kuin seinään, kun sille ei syötetä valtavasti ulkopuolista energiaa tai vähintään lisäaineksia. ”Polttoaineena” mahdollisesti käytettävä deuterium ei myöskään ole ihmisille vaarallista niin kuin fissiopolttoaineet. (Tarvittava tritiumi on niin harvinaista luonnossa, että sitä on käytännössä pakko tuottaa itse reaktorissa tarvittava määrä reaktion aikana esimerkiksi litiumin avulla).

On esitetty fuusiovoimalatyyppiä, joka fuusion lisäksi hyödyntäisi fissiovoimaloiden tuottamaa jätettä (varastoinnin sijaan) tehden jätteestä huomattavasti turvallisempaa ja käyttökelvotonta ydinaseisiin. Tämäkin voimalaidea on sellainen, että sen reaktioperiaate vaatii aktiivisen energiansyötön.

Batman-elokuvan pommijuoni on siis älytön, koska:

1. fuusioreaktio tarvitsisi valtavan ulkoisen energianlähteen ja laserjärjestelmän, josta Bane tyytyväisen näköisenä pikkureaktorin poistaa, tehden siitä periaatteessa yhtä vaarallisen kuin tankillisen vettä;
2. ”pommi” elokuvassa säteilee radioaktiivisesti voimakkaasti täysin käyttämättömänä, vaikkei siinä pitänyt olla mitään radioaktiivista;
3. jos hyväntahtoisesti leikittäisiin, että paha mies Bane olisi lisännyt irralliseen pikkureaktoriin jonkinlaisen näkymättömän fissiopommin ilman merkittävää muokkaamista (mikä olisi enemmän kuin McGyver-tason askartelualkemiaa – elokuvassa väitetään fyysikon vain uudelleenohjelmoineen reaktorin tietokoneen), ja reaktorissa olisi sekä paljon deuteriumia että tritiumia tai keino synnyttää tritiumia fission avulla, hän ei silti olisi saanut millään kuviteltavalla tavalla asetta, jolla olisi voinut uhata ihmisiä 15 kilometrin säteellä täydellisellä tuholla. Käytännössä ei fuusio- tai fissioreaktoreita oikein voi mitenkään muuntaa pommeiksi, koska pommin ja voimalaitoksen rakentaminen ovat päinvastaisia lähtökohtia; niissä halutaan saavuttaa jotain ihan päinvastaista. Lisäksi koko elokuvan idea perustuu siihen, ettei Bane:llä ole pääsyä pommien fissiilimateriaaleihin.

Huomautus: Toki on kehitetty perinteisiä ydinaseita jo 1951 (ns. vetypommeja), jotka hyödyntävät fission lisäksi fuusiota osana ketjureaktiota, mutta nämä ovat kuitenkin perinteisiä ydinaseita eikä näillä ole mitään tekemistä fuusioreaktoreiden muokkaamisen tai ns. seuraavan sukupolven ydinaseiden kanssa, joita elokuva käsittelee.

No, voiko fuusiovoimalasta teoriassa tehdä pommin?

Yhdysvallat käytti vuosina 1952–1992 miljoonia dollareita yrityksessä kehittää varsinainen puhdas fuusiopommi. Mitään järkevää ei koskaan keksitty. Ongelman ydin on se, että fuusioreaktio käynnistyäkseen tarvitsee valtavasti ulkopuolista energiaa, joka määritelmänmukaisesti tekee aseesta vaikeasti liikuteltavan ja rakennettavan.

Käytännössä pommi siis vaatisi käynnistysenergiaa varten perinteisen ydinaseen viereensä, jolloin se olisi jo vanhanaikainen vetypommi. Tai – suuren ja kalliin rakennelman energiansyöttöjärjestelmineen – siis käytännössä fuusiovoimalan.

Teoreettinen puhdas fuusiopommi olisi toki siitä tehokas, että sen tuottama neutronisäteily olisi hyvin tappavaa, muttei pilaisi ympäristöä radioaktiivisuudella tai tuottaisi merkittäviä vaurioita alueen infrastruktuuriin. Idea kuitenkin kaatuu siihen, että sen rakentaminen näillä näkymin on kallista ja epäkäytännöllistä sen näennäisiin hyötyihin nähden, jos verrataan perinteisiin ydinaseisiin ja kemiallisiin aseisiin.

Sen sijaan on esitetty hypoteettinen malli yksinkertaiselle fuusioaselle, joka pystyisi tappamaan neutronisäteilyllä myrkyttämällä ihmisiä 500 metrin säteellä. Kolme tonnia painavan aseen kalliissa monimutkaisessa rakentamisessa (jos se saataisiin toimimaan) ei kuitenkaan ole erityisesti järkeä, koska sen tuhovoima vastaa oman painonsa verran TNT:tä. Se on siis painoonsa nähden ”tavallisia pommeja” huonompi.