РДС-37 была первой двухступенчатой водородной бомбой Советского Союза , впервые испытанной 22 ноября 1955 года. Номинальная мощность оружия составляла около 3 мегатонн . Для испытаний в реальных условиях ее мощность была уменьшена до 1,6 мегатонн. [1]
РДС-37 стал реакцией на усилия США. Ранее Советский Союз якобы использовал многих своих шпионов в США, чтобы помочь им разработать методы и идеи для создания ядерной бомбы . Создание водородной бомбы требовало меньшего использования этого метода, хотя им все же помогали некоторые шпионы, в первую очередь Клаус Фукс .
В 1945 году Советский Союз принял решение разработать проект «супербомбы». Также в 1945 году Энрико Ферми читал лекции в Лос-Аламосе, обсуждая процесс термоядерного синтеза. В конце своей лекции он заявил, что «пока все схемы инициирования сверхспособности [являются] довольно расплывчатыми». [2]
Весной 1946 года Эдвард Теллер организовал конференцию для оценки всей известной информации о водородной бомбе. Клаус Фукс присутствовал на той же конференции. [3] В том же году Теллер выдвинул новую конструкцию водородной бомбы, которую он назвал «Будильник», в которой, как он предположил, будет использоваться дейтерид лития-6 вместо чистого дейтерия . [3]
Клаус Фукс передал Советскому Союзу информацию как о ядерной, так и о водородной бомбе. Эта информация привела к вербовке группы Игоря Тамма , работа которого помогла создать водородную бомбу. [3] Содержание, которое Фукс предоставил в 1948 году, было связано не только с водородной бомбой, но и с атомной промышленностью в целом. Он дал подробное представление о конструкции бомбы с двухступенчатым запальным блоком.
Проекты были быстро отправлены Лаврентию Берии , которого Иосиф Сталин назначил ответственным за российскую программу создания бомбы, и направили Игорю Курчатову , Борису Ванникову и Юлию Харитону для проверки и оценки этих проектов. [3] 5 мая 1948 года Ванников и Курчатов написали ответ, в котором говорилось: [3]
По материалу № 713а основные представления о роли трития в передаче взрыва от капсюля из урана-235 на дейтерий, о необходимости тщательного подбора мощности капсюля из урана, о роли частиц и фотонов в перенос взрыва на дейтерий являются новыми. Эти материалы ценны тем, что будут полезны тов. Зельдовича в работе над супербомбой, выполненной по планам операций, утвержденным Первым Главным управлением. Необходимо приложить больше усилий к исследованиям в этой области и начать работу над практическим проектом.
Ванников приступил к изучению дейтерия и его эффектов. Харитон также отправил свой ответ 5 мая 1948 года, в котором призывал Советский Союз создать конструкторскую группу.
В то время мало кто знал что-либо о конструкции водородной бомбы. Ученые в США также не до конца поняли свои собственные замыслы. Советский Союз создал группу для работы над водородной бомбой. В августе 1948 года Андрей Сахаров постулировал метод слоя , или слоеного пирога , который состоял из чередующихся слоев урана и термоядерного топлива. [3] В начале 1949 года эта конструкция слоеного пирога была изменена: в качестве термоядерного топлива использовался дейтерид лития-6.
В начале 1950 года Клаус Фукс был арестован в Великобритании и не смог продолжать свою шпионскую деятельность в пользу Советского Союза. [4]
У советских учёных возникла идея увеличить плотность дейтерия. Сахаров и его команда увидели возможность взорвать ядерную бомбу меньшего размера внутри слоеного пирога. [3] Эта идея оказалась успешной, и первая реализация была использована на РДС-6с. РДС-6 проложили путь к РДС-37. К 1952 году Советский Союз начал полностью рассматривать возможность создания двухступенчатой бомбы. Однако в 1954 году план наконец был реализован. До 1954 года считалось, что термоядерное устройство инициируется не радиацией, а ударной волной.
1 ноября 1952 года США испытали свою первую «водородную бомбу» под кодовым названием « Айви Майк» . [5] Проект был основан на макете Теллера-Улама. Айви Майк не была пригодным оружием. Он был огромным по размеру и весил 82 тонны. 12 августа 1953 года Советы испытали свою собственную «водородную бомбу» под кодовым названием « Джо 4 », основанную на конструкции слоеного пирога. К этому времени никто не создал «настоящую» водородную бомбу. Все остальные испытания имели мощность в килотоннах.
Весной 1954 года США испытали серию из шести ядерных устройств, известную как «Операция «Касл»» , причем мощность каждого эксперимента составляла мегатонны. [5] Первым из них был взрыв «Касл Браво» , который в конечном итоге оказался самым крупным взрывом, совершенным Соединенными Штатами за всю историю.
К весне 1954 года советские ученые начали понимать возможность высвобождения радиации из спускового механизма ядерной бомбы и использования ее для инициирования термоядерной части бомбы. Эта идея аналогична конструкции Теллера-Улама, использованной при взрыве Майка. Впоследствии они отказались от конструкции одноступенчатой слоеной корки и трубки и полностью сосредоточились на проекте двухступенчатой бомбы. В отчете о деятельности теоретического сектора № 1, опубликованном в 1954 году, говорится:
Атомное сжатие исследуется теоретически совместно с сотрудниками сектора № 2. Основные проблемы, связанные с атомным сжатием, находятся в стадии разработки. Выброс радиации от атомной бомбы, использованной для сжатия основного корпуса. Расчеты показывают, что радиация выделяется очень сильно. Преобразование лучистой энергии в механическую энергию для сжатия основного тела. Эти принципы разработаны усилиями Секторов № 2 и № 1.
22 ноября 1955 года русские испытали свою первую настоящую двухступенчатую водородную бомбу мегатонной мощности — РДС-37. [6] В этом тесте реализован двухступенчатый радиационный взрыв. Это также было первое в мире испытание термоядерной бомбы, сброшенной с воздуха.
После испытания «Браво» в марте 1954 года советские учёные начали поиск способов создания эффективной термоядерной бомбы большой мощности. После долгих интенсивных исследований прошлого опыта использования этих бомб была разработана новая двухступенчатая бомба. [7]
Термоядерные заряды РДС-37 основаны на фундаментальных научных концепциях физики высоких плотностей энергии. [8] Принцип радиационной имплозии предполагает три концепции. По словам Илькаева, они таковы: «преобладающая доля энергии взрыва ядерного заряда (первичного модуля) генерируется в виде рентгеновского излучения; энергия рентгеновского излучения переносится на термоядерный синтез. модуля; имплозия термоядерного модуля с использованием энергии «доставленного» рентгеновского излучения». [8] Надежды на лучшее сжатие ядерного материала, которое можно было бы начать, обсуждались с начала 1950-х годов. [8]
Вскоре над этой теорией начали работать Яков Борисович Зельдович и Андрей Сахаров . «В январе 1954 года Я. Б. Зельдович и А. Д. Сахаров подробно рассмотрели компоновку устройства, в которой был заложен принцип двухступенчатого ядерного заряда». [8]
Многие люди с самого начала задавались вопросом, смогут ли они добиться успеха. Вопросы, касающиеся двухступенчатого ядерного заряда, разделились на две категории.
Первая группа вопросов касалась ядерного взрыва. Первый модуль, или триггер деления, инициировался «путем сжатия ядерного материала или деления и синтеза материалов в результате сферического взрыва химической взрывчатки, в котором сферическая симметрия взрыва диктовалась начальной сферически-симметричной детонацией взрывчатого вещества». [8]
Казалось, не было никакого способа, которым «гетерогенная структура, состоящая из первичного источника (или источников) и сжимаемого вторичного модуля», могла бы «поддерживать сферически-симметричный «ядерный взрыв». [8]
Ниже приводится доклад Сахарова и Романова от 6 августа под названием «Атомное сжатие». «Атомное сжатие исследуется теоретически совместно с сотрудниками сектора №2. Основные проблемы, связанные с атомным сжатием, находятся в стадии разработки.
(1) Излучение атомной бомбы, использованной для сжатия основного корпуса. Расчеты показывают, что для [удалено] излучение испускается очень сильно...
(2) Преобразование лучистой энергии в механическую энергию для сжатия основного тела. Это постулируется [удалено]. Эти принципы разработаны коллективными усилиями секторов № 2 и № 1 (Я. Б. Зельдович, Ю. А. Трутнев, А. Д. Сахаров)...». [7]
Эта проблема с двухступенчатым ядерным зарядом порождает две другие проблемы. Первый: «Что сейчас является носителем взрывной энергии первоисточника?». Второй: «Как эта энергия передается во вторичный модуль?». [8]
Вторая группа вопросов касается вторичного модуля, на который воздействует ядерный взрыв триггера деления. Сначала учёные думали, что энергия ядерного инициирования триггера деления в двухступенчатом заряде будет переноситься потоком продуктов инициирования по мере распространения ударной волны по гетерогенной структуре вторичного модуля. [8] Зельдович и Сахаров «решили выбрать в качестве основного физического элемента вторичного модуля аналог внутреннего элемента заряда РДС-6с, т.е. «слоистую» сферическую конфигурацию системы». [8]
Советский Союз смог добиться некоторых результатов, аналогичных Соединенным Штатам, без помощи внешней информации. «Активный материал, вместо того чтобы изначально представлять собой твердую сферу, как в бомбе Нагасаки , будет изготовлен в виде оболочки с «левитирующей» сферой в центре. Часть дорогого плутония была заменена менее дорогим ураном. 235. Левитация увеличила выход энергии и позволила уменьшить размеры и вес взрывчатого вещества. Аналогичные достижения были достигнуты без шпионажа советскими лабораториями". [9] Первоначальный метод будильника, разработанный Теллером, был оценен Станиславом Уламом , который решил, что он будет сложнее и дороже, чем ожидалось. В это время Соединенные Штаты были сосредоточены на «Будильнике», а Советский Союз — на методе Слойки. Дилемма будильника продолжалась до 1951 года, когда Уламу пришла в голову идея сжать термоядерную вторичную обмотку гидродинамическим ударом, создаваемым первичной бомбой деления. [9] Теллер согласился с этим методом и даже изменил его, используя давление излучения первичного, а не гидродинамического удара.
После того, как Теллер наконец принял этот метод, вопрос остался. О каком термоядерном топливе будет идти речь. Тремя основными вариантами были дейтерид лития , дейтерированный аммиак и жидкий дейтерий . «У каждого из них были свои преимущества и недостатки: дейтерид лития был бы самым простым для разработки материалом, поскольку он был твердым при комнатной температуре, но для получения трития внутри бомбы из лития требовалась сложная цепочка термоядерных реакций, в которых участвовал только один из нескольких изотопов лития». [9] Дейтерированный аммиак можно было хранить в жидкой фазе при умеренном охлаждении или под небольшим давлением, но его физические свойства на тот момент еще не были хорошо известны. Проблема с жидким дейтерием заключалась в том, что технология его транспортировки и хранения в больших количествах еще не была разработана. [9] Соединенные Штаты решили выбрать жидкий дейтерий в качестве термоядерного топлива. Это было предпосылкой создания бомбы Айви Майк.
Взрыв «Айви Майка» Соединенными Штатами вызвал ответные меры Советского Союза, и Советы быстро попытались наверстать упущенное. Хотя Советский Союз взорвал свой РДС-6 примерно в то же время, РДС-6 был инициирован мощной взрывчаткой, а Айви Майк был инициирован радиационным методом. [10] Затем Советы отказались от метода слоеного пирога и сосредоточились на методе двухступенчатой бомбы.
Водородная бомба в основном состоит из двух частей: ядерной бомбы, которая была первичной, и вторичной энергетической. Первая ступень водородной бомбы напоминала конструкцию слоеного пирога, с той лишь разницей, что инициирование осуществлялось ядерным устройством, а не обычным взрывчатым веществом. [10] Первоначально эта конструкция была предложена Энрико Ферми и Эдвардом Теллером в 1941 году. Теллер настаивал на том, что они должны поджечь дейтерий с помощью какого-либо оружия деления. Водородная бомба была проблемой, и она была бы более мощной и разрушительной, чем ядерная бомба. Сама по себе термоядерная ячейка была не очень мощной, ее энергия составляла около 17,6 МэВ на реакцию, [ нужны разъяснения ] , но количество водородного топлива можно увеличить, чтобы сделать оружие настолько большим, насколько хотелось бы. [5]
Андрей Сахаров внес ведущий теоретический вклад в проект РДС-37, поскольку он был первым, кто количественно оценил теоретические выгоды, которые можно было бы получить от термоядерного топлива. [7] Сахаров разработал свой собственный метод сжатия, полностью независимый от конструкции Теллера-Улама. В конструкции атомного сжатия Сахарова использовалось несколько плотно упакованных слоев либо дейтерий-дейтерий, либо дейтерий-тритий, которые инициировались внутрь, достигая атомного сжатия. Теоретически атомный инициатор должен был быть расположен в центре сферического корпуса, окруженного слоями термоядерного топлива и урана. Вся система должна была быть сжата взрывчаткой, размещенной вокруг многослойной сферы, и инициировать взрыв и окончательное инициирование атомного инициатора. [11] Эффективность этой конструкции принесла Сахарову некоторый престиж среди его коллег по ОКБ 11. Коллеги Сахарова называли эту конструкцию «Слойкой » , поскольку она напоминала традиционный русский многослойный пирог, который плотно скреплены густым кремом. Основная проблема с его идеей заключалась в том, что сечения реакций дейтерий-дейтерий и дейтерий-тритий не были известны, а были лишь теоретически обоснованы. [2] ОКБ-11 (КБ-11) представило руководству СССР идею конструкции бомбы РДС-6, используя преимущественно теоретические расчеты. Андрей Сахаров опубликовал в январе 1949 года статью, в которой отмечал, что сечения реакций дейтерий-тритий и дейтерий-дейтерий экспериментально не изучены и все оценки носят предположительный характер. [12] [3] В марте 1949 года Харитон обратился к Берии с просьбой предоставить Тамму и Компанецу доступ к разведывательным данным с разрезами Д–Т. В этом было отказано, чтобы свести к минимуму доступ к разведывательным материалам, но вместо этого 27 апреля измерения сечения D – T были отправлены Тамму и Компанеецу без указания происхождения. [13] По иронии судьбы аналогичные данные были опубликованы в выпуске Physical Review от 15 апреля 1949 года. Благодаря этой информации Сахаров и ОКБ-11 успешно реализовали атомное сжатие в испытаниях РДС-6 . [11]24 декабря 1954 года решение о реализации идеи атомного сжатия было одобрено советскими властями в новом проекте под кодовым названием РДС-37. Подготовка испытательного полигона и другие важные испытательные операции вступили в фазу подготовки в начале 1955 года. Для РДС-37 дала о себе знать новая конструктивная проблема, заключающаяся в сохранении симметричного распределения заряда от сферического взрыва. Это привело к разработке канонической системы, в которой как первичный, так и вторичный модули были помещены в один и тот же отсек для максимального направленного рассеяния рентгеновских лучей. Огромное количество энергии от первоначального атомного инициирования было передано в виде рентгеновских лучей, которые были направлены таким образом, чтобы обеспечить всю необходимую энергию для инициирования термоядерного заряда. [11] Технические характеристики конструкции бомбы были завершены к 3 февраля 1955 года, но постоянно пересматривались и совершенствовались вплоть до того, как РДС-37 был доставлен на полигон в Семипалатинске. Именно в это время в КБ-11 обнаружили, что они могут использовать литий-дейтерий в качестве термоядерного топлива для замены дейтерий-тритиевого топлива, решение о котором было принято после публикации испытаний Теллера-Улама. [3] [7]
При реализации идеи атомного сжатия ОКБ-11 пришлось преодолеть несколько факторов. Основные проблемы были связаны с огромным количеством радиации, которая могла бы быть испущена в результате первоначального взрыва атомной бомбы. Рассчитанная мощность была достаточно велика, поэтому возникли большие опасения, можно ли спроектировать конструкцию, способную вместить и удерживать выбросы энергии. Следующее большое препятствие, которое нужно было преодолеть, заключалось в преобразовании огромного количества лучистой энергии в механическую энергию, которая будет использоваться для сжатия основного тела. [7] В докладе Якова Борисовича Зельдовича и Андрея Сахарова было указано, что новый принцип атомного сжатия, реализованный в РДС-37, является «ярким примером творческой совместной работы». Далее в отчете рассказывается об огромных объемах конструкторских, экспериментальных и технологических работ, выполненных под руководством главного конструктора ОКБ-11 Юлия Борисовича Харитона . [7]
РДС-37 собиралась как авиабомба и во время испытаний сбрасывалась с самолета. На начальном этапе испытаний энергетическая мощность бомбы была снижена из соображений безопасности. Термоядерная ячейка на основе дейтерида лития была модифицирована для замены части термоядерного топлива пассивным материалом. [7]
РДС-37 был взорван на Семипалатинском полигоне 22 ноября 1955 года. Несмотря на это снижение мощности, большая часть его ударной волны была неожиданно сфокусирована обратно вниз, на землю, поскольку оружие взорвалось под инверсионным слоем , в результате чего траншея обрушилась на землю. группа солдат, убивая одного. Это также привело к обрушению здания в Курчатове , расположенном в 65 км (40 милях) от него, в результате чего погибла молодая девушка. [14] Также зафиксировано, что группа из 42 человек в Курчатове получила ранения от осколков стекла, образовавшихся в результате взрыва. [15] Ученый из теоретической лаборатории Андрея Сахарова вспомнил об этом испытании в коллективной книге воспоминаний. Он стал свидетелем испытания РДС-37 со наблюдательной станции в тридцати двух километрах (20 милях) от гипоцентра. Когда обратный отсчет достиг нуля, первое впечатление, которое он испытал, «было почти невыносимым жаром, как будто [его голову] поместили в открытую духовку на несколько секунд». Ударную волну пыли и обломков, вызванную взрывом, можно было увидеть и услышать приближающуюся, и она достигла наблюдательной станции примерно через девяносто секунд после термоядерного взрыва. Все зрители были вынуждены упасть лицом вниз, выставив ноги в сторону взрыва, чтобы избежать травм от летящих обломков. После того, как ударная волна прошла, все зрители встали и начали аплодировать своему успеху, Советский Союз стал первым, кто успешно доставил в воздух двухступенчатое термоядерное оружие. [2] Измеренная энергетическая мощность устройства была эквивалентна 1,6 мегатоннам в тротиловом эквиваленте. [7]
После испытаний РДС-37 комиссия на заседании 24 ноября 1955 года отметила три вещи: «конструкция водородной бомбы, основанная на новом принципе, успешно испытана; необходимо продолжить детальные исследования процессов, протекающих при взрывах бомб этого типа; дальнейшее развитие водородных бомб должно вестись на основе широкого применения принципов, положенных в основу бомбы РДС-37». [8] Успешные испытания РДС-37 позволили начать масштабную разработку термоядерного оружия. [8] Заряд РДС-37 стал прототипом для всех последующих двухступенчатых термоядерных устройств в СССР. [8]
Устройство было намеренно взорвано высоко в воздухе, чтобы избежать местных осадков . Высота взрыва составила 1550 м (5090 футов) над землей. [16]
Оружие было сброшено с воздуха на Семипалатинский испытательный полигон в Казахстане, что сделало его первым двухступенчатым термоядерным испытанием, сброшенным с воздуха. Это был самый крупный взрыв, когда-либо проводившийся на Семипалатинском полигоне. [2] Испытание устройства РДС -6с (Джо-4) в 1953 году имело одноступенчатую конструкцию и не могло масштабироваться до мегатонного диапазона мощности. РДС-37 был сброшен с бомбардировщика Ту-16 и чаще всего использовался в конце 1950-х и 1960-х годах. Через некоторое время Советский Союз почувствовал, что термоядерная бомба мощностью 2,9 мегатонны слишком высока для некоторых задач, поэтому для некоторых миссий были готовы менее мощные 200-килотонные бомбы РП-30 и РП-32. [17] Соединенным Штатам потребовалось бы до 20 мая 1956 года, то есть около полугода, чтобы достичь тех же результатов посредством испытания ядерного оружия чероки. [18] Однако к этому времени ВВС США имели в своем арсенале несколько сотен многомегатонных бомб и более 1100 самолетов, способных их доставить. [19]
Испытания РДС-37 на Семипалатинском полигоне вернули Советский Союз в гонку вооружений с Соединенными Штатами. Во многом это произошло благодаря тому, что Советский Союз был первой страной, успешно применившей литий-дейтерий в качестве термоядерного топлива. Еще одним важным фактором, который следует учитывать, была точность, с которой Советы могли предсказать энергетическую мощность своих бомб. Прогнозы для тестов RDS-6 были точными до 30%, а для тестов RDS-37 - с точностью до 10%, тогда как прогнозы выхода энергии американского аналога в тесте Castle Bravo отклонялись в два с половиной раза . [20] Советы также предоставили готовую к использованию конструкцию РДС-37. С американской стороны гонки вооружений испытываемые бомбы взорвались дистанционно. «Испытание стало кульминацией многолетнего труда, триумфом, открывшим путь к разработке целого ряда устройств с разнообразными высокопроизводительными характеристиками». [7] В отчете о РДС-37, написанном Зельдовичем и Сахаровым, говорилось, что новый принцип атомного сжатия, реализованный в РДС-37, является «ярким примером творческой совместной работы». В отчете рассказывалось об огромных объемах конструкторских, экспериментальных и технологических работ, выполненных под руководством главного конструктора ОКБ-11 Харитона. [7]
Успешный взрыв первого двухступенчатого термоядерного оружия стал важным моментом в программе создания ядерного оружия Советского Союза и помог определить путь этой программы. [7] Это показало, что разрыв между Соединенными Штатами и Советским Союзом сокращается. Что еще более важно, разрыв в ядерной мощности был устранен. Теперь между странами шла гонка за совершенствование бомбы, делая ее легче, надежнее и компактнее. Теперь, 22 ноября 1955 года, ознаменовалось датой, когда Советский Союз обладал оружием, способным уничтожить любую цель на территории Соединенных Штатов. [17]
Гонка термоядерных вооружений между Соединенными Штатами и Советским Союзом превзошла все ожидания, поставленные перед принявшими в ней участие учеными. Две страны, создавшие термоядерное оружие с такой мощностью энергии с помощью двух разных методов проектирования, оказались высшим достижением науки в 1950-х годах [ нужны разъяснения ] . Конечно, успешная и многообещающая работа как Соединенных Штатов, так и Советского Союза только подтолкнула каждую страну к созданию более мощного оружия, поскольку шлюзы потенциала термоядерного оружия были открыты. [7] Конечно, в то время это было вполне нормой, учитывая, что холодная война была в самом разгаре. Осознание того, что физики, инженеры, ученые и великие умы Советского Союза смогли не только конкурировать с американцами, но и превзойти их в некоторых ключевых областях развития вооружений и технологий, значительно повысило моральный дух Советского Союза.
Программа РДС породила гениальность Андрея Сахарова, который, несомненно, был движущей силой советской программы создания термоядерного оружия. Во время работы в ОКБ-11 Сахаров сформулировал наиболее важные идеи развития советских термоядерных проектов. РДС-37 обеспечил Сахарову большой авторитет и авторитет среди коллег и начальства. После своего успеха ему было предоставлено больше автономии в своих исследованиях, и он внес значительный вклад в сферу ядерного оружия (и промышленности). Его исследования и теории магнитного удержания плазмы и магнитного термоядерного реактора в конечном итоге привели к созданию больших электромагнитных импульсных устройств и лазерного синтеза . Многие из работ и идей, предложенных Сахаровым во время его работы над проектами RDS, продолжаются и сегодня. [11]
Видео, демонстрирующее взрыв РДС-37, часто путают с видео Царь-бомбы , хотя они могут быть весьма похожи. На видео РДС-37 детонация находится в центре, а на видео «Царь-бомба» детонация — справа (кроме видео с грибовидным облаком, которое находится в центре ) . Кроме того, испытания РДС-37 происходили на Семипалатинском полигоне, а часть видео видно через крыши секретного города Курчатов , он же Семипалатинск-16. Царь произошел над южной половиной арктического полярного пустынного острова Новая Земля , где в то время в радиусе сотен километров не было подобных населенных пунктов .