2. СОЗДАНИЕ ПЕРВЫХ ОБРАЗЦОВ ЯДЕРНОГО ОРУЖИЯ
2.1. Атомные бомбы РДС-2, РДС-3
10 июля 1948 года Постановлением Совета Министров СССР план работ КБ-11 был дополнен рядом перспективных разработок. Он, в частности, предписывал провести до 1 января 1949 года теоретическую и экспериментальную проверку данных о возможности осуществления следующих конструкций РДС:
•РДС-3 – атомная бомба имплозивного типа «сплошной» конструкции с использованием
Pu-239 и U-235;
•РДС-4 – атомная бомба имплозивного типа оболочечно-ядерной конструкции (с полостью, внутри которой подвешено ядро) с Pu-239;
•РДС-5 – то же, что РДС-4 с использованием Pu-239 и U-235.
Уже в период работы над первой советской атомной бомбой РДС-1, в основу которой была положена схема американской атомной бомбы, ученым-специалистам стали видны недостатки принципиальной схемы ее конструкции.
Сферический заряд ВВ бомбы РДС-1 окружала фокусирующая система, состоящая из элементов, инициируемых одновременно детонаторами и преобразующих расходящиеся детонационные волны от детонаторов в одну сферически сходящуюся.
Работа фокусирующего элемента основана на разнице скоростей детонации его составных частей. Устройство элемента обеспечивает одинаковое время прохождения детонации от точки инициирования до любой точки его внутренней сферической поверхности, несмотря на разные пути. В качестве составных частей элемента использовались два типа ВВ с разными скоростями детонации.
Существенным недостатком фокусирующей системы РДС-1 была большая толщина и, соответственно, масса фокусирующего слоя, составлявшая около 67% от общей массы ВВ. Это было связано с малой разницей в скоростях детонации ВВ, применяемых в фокусирующих элементах.
После испытания первой атомной бомбы РДС-1 усилия разработчиков были сосредоточены на совершенствовании конструкции заряда и его технических характеристик. Принцип имплозии усовершенствовался в направлении уменьшения массы заряда и повышения его мощности. Основной вклад в развитие идеи по повышению эффективности имплозии и ее претворению в жизнь внесли Л.В. Альтшулер, Е.И. Забабахин, Я.Б. Зельдович, К.К. Крупников.
Следующие после РДС-1 испытания атомных зарядов были проведены лишь во второй половине 1951 года. Разработанным конструкциям атомного заряда были даны обозначения РДС-2, РДС-3 (различались они только составом ядерной начинки). Как отмечалось выше, решение о создании усовершенствованных вариантов атомных бомб было принято постановлением СМ СССР
еще в июне 1948 года и было подтверждено после испытания РДС-1. На это решение и на облик первых модификаций РДС определенное влияние оказала, по-видимому, информация, переданная Клаусом Фуксом в 1948 году в Лондоне.
Эта информация была связана с идеями по усилению имплозии и совместному использованию различных делящихся материалов.
Одной из них была идея оболочечно-ядерной конфигурации центральной части, в которой активное ядро размещается в полости основной оболочки, ускоряемой процессом имплозии. В США эта идея называется принципом левитации.
Левитирующие ядра начали рассматриваться в конструкциях США с июля 1945 года, а первое испытание заряда с использованием левитации было намечено на лето 1946 года. Делящийся материал обычно подвешивался внутри темпера при помощи проволоки (спицы или растяжки) так, чтобы не вносить существенных возмущений в процесс имплозии.
Техника левитации позволяла передать как можно больше энергии для сжатия делящихся материалов и тем самым увеличить энерговыделение. Сам способ взрывного ускорения массы материала после удара по нему другой массы был хорошо известен еще во время Второй мировой войны. Он позволял в несколько раз увеличить интенсивность ударной волны. Этот высокоскоростной
удар приводил в результате к лучшему сжатию делящегося ядра. Тот факт, что эта схема не использовалась в первых ядерных зарядах 1945 года, определялся стремлением уменьшить риск при проведении первых испытаний (одним из факторов риска считалось возможное возмущение симметрии имплозии).
Только в 1948 году США провели три испытания новых ядерных зарядов, вошедших в операцию Sandstone. Основными задачами этих испытаний были:
•испытание принципа левитации с целью повышения сжатия делящихся материалов;
•испытание принципа композиции делящихся материалов (одновременное использование плутония и урана-235 в ядерном заряде);
•исследование имплозивной системы на основе U-235;
•исследование поведения моделей с темперами различной толщины;
•испытание имплозивного оружия для создания приемлемого минимального боезапаса.
ВСССР аналогичная программа (кроме испытания имплозивного заряда на основе U-235) была реализована в 1951 году. Эти испытания показали, что применение принципа левитации позволяет приблизительно в два раза повысить эффективность использования делящихся материалов,
априменение композитной схемы позволяет при равном энерговыделении существенно экономить плутоний. Эти выводы были аналогичны тем, которые были сделаны в США за три года до этого по результатам испытаний операции Sandstone.
Отметим, что принцип левитации, как отмечалось выше, предоставляет весьма разнообразные возможности по выбору конфигураций размещения делящихся материалов в ядерных зарядах, и многие из них были со временем востребованы и практически реализованы. В этом плане он оказал глубокое и эффективное влияние на развитие ядерной программы СССР.
Вконструкциях РДС-2, РДС-3 был сохранен один из основных геометрических параметров заряда РДС-1 – наружный радиус основного сферического заряда ВВ и взрывчатый состав – смесь тротила с гексогеном в соотношении 1:1 – ТГ 50/50.
Исследования газодинамических процессов и отработка взрывных элементов заряда проводились группами ученых и экспериментаторов под руководством В.К. Боболева, А.Д. Захаренкова, Г.А. Цыркова. Одной из основных задач этих исследований было определение оптимальных параметров (радиуса, массы, толщины) слоев заряда. Численное решение этой задачи велось в математическом институте им. Стеклова Академии Наук СССР под руководством К.А. Семендяева.
Фокусирующая система РДС-2, РДС-3 принципиально отличалась от фокусирующей системы, применяемой в РДС-1. В ней удалось устранить недостаток, обусловленный принципом работы фокусирующего элемента на разнице в скоростях используемых ВВ, что дало возможность существенно уменьшить высоту и массу фокусирующего слоя.
Конструкция атомных зарядов РДС-2 и РДС-3 также как РДС-1, в целях безопасности предусматривала окончательную сборку, связанную с установкой узлов с делящимися материалами через канал в заряде с помощью монтажной оснастки и соответствующего контрольного инструмента. Эта операция проводилась на полигоне непосредственно перед взрывом зарядов.
Конструктивно канал был выполнен следующим образом. В сферическом заряде ВВ имелось сквозное коническое отверстие, которое в рабочем состоянии заряда закрывалось соответствующей конической пробкой из ВВ. Наружный корпус заряда, окружающий заряд ВВ и фокусирующую систему и каскад внутренних оболочек центральной части, имел соответствующих размеров люки, расположенные по оси пробки ВВ и закрываемые с помощью разъемных соединений крышками или заглушками той же толщины и того же материала, что и сами оболочки. Технология окончательной сборки заряда предусматривала последовательную установку и соответствующий контроль ядерной начинки и составных деталей и узлов сборочного канала.
Заряды РДС-2, РДС-3 были успешно испытаны 24 сентября и 18 октября 1951 года соответственно. Их диаметр и масса, по сравнению с РДС-1, уменьшились, а мощность увеличилась приблизительно в два раза. Для инициирования цепной реакции в них применялся нейтронный запал, аналогичный запалу РДС-1, расположенный в центре заряда, испускавший нейтроны при воздействии на него ударной волны.
Одним из принципиальных вопросов, возникших перед полигонными испытаниями, стал вопрос, как испытывать: на башне, как РДС-1, или путем сбрасывания бомбы с самолета?
На заседании научно-технического совета, где обсуждался вопрос проведения испытаний на Семипалатинском полигоне, мнения разделились. Разработчики зарядов во главе с Ю.Б. Харитоном считали, что испытания надо проводить на башне (по аналогии с РДС-1), с целью более точного определения мощности и получения более достоверной информации по развитию цепной реакции.
Руководители атомного проекта во главе с И.В. Курчатовым высказались за проведение летных испытаний атомной бомбы с бомбометанием ее с самолета по цели. В этом случае кроме определения эффективности взрыва впервые в СССР было бы проведено испытание боевой атомной бомбы.
Окончательное решение вопроса было перенесено в Первое главное управление. На этом уровне постановили провести боевое испытание с бомбометанием с самолета ТУ-4. Однако в результате дальнейших обсуждений было принято «соломоново решение»: РДС-2 с начинкой из плутония испытать на башне, а РДС-3 с комбинированной ядерной начинкой – бомбометанием с самолета. Так и поступили: РДС-2 была взорвана на башне высотой 30 м (E = 38 кт), РДС-3 – сброшена на цель с высоты 10 км и взорвана на высоте 400 м над уровнем земли (E = 42 кт). Таким образом, 18 октября 1951 года в СССР впервые была испытана атомная бомба путем бомбометания по цели.
Принципиальные отличия РДС-2, РДС-3 от РДС-1, заложенные в схему и конструкцию зарядов, легли в основу развития отечественного ядерного оружия. Ядерные боеприпасы РДС-2 и РДС- 3 были переданы в серийное производство.
2.2. Атомные заряды для первых тактических ядерных боеприпасов
Заряды РДС-2, РДС-3 создавались как боеприпас (авиабомба) для тяжелых бомбардировщиков. Планы дальнейшего совершенствования авиабомб были связаны с созданием атомной бомбы меньшего калибра и массы с целью возможности использования для бомбометания со средних реактивных бомбардировщиков ИЛ-28, базирующихся на аэродромах европейского театра военных действий.
Входе испытаний 1953 года решался ряд важных научно-технических задач по совершенствованию ядерных зарядов. Прежде всего это были работы по существенному (в 1,5 раза) уменьшению диаметра ядерного заряда и соответствующему (в 3 раза) уменьшению его массы.
По своим габаритам, массе и элементам подвески такая атомная бомба должна была соответствовать фугасной авиабомбе. В основу принципиальной схемы и конструкции этой разработки, получившей название РДС-4, был положен опыт разработки РДС-2 и РДС-3.
ВРДС-4 была использована ядерная начинка и нейтронный запал заряда РДС-2. В качестве
ВВиспользовался также состав ТГ 50/50, но объем ВВ был существенно уменьшен.
Бомба РДС-4 была успешно испытана 23 августа 1953 года на Семипалатинском полигоне сбрасыванием с самолета. Бомба подвешивалась к самолету ИЛ-28, который в сопровождении самолетадублера и двух истребителей МИГ-17 набрал высоту 11000 м и, выйдя на боевой курс, сбросил бомбу над целью. Бомба взорвалась на высоте 600 м. Энерговыделение взрыва составило 28 кт.
Вдальнейшем заряд бомбы РДС-4 был также использован в качестве боевого оснащения баллистических ракет средней дальности Р-5М.
Всоответствии с постановлением Правительства от 10 апреля 1954 года, разработка ракеты Р-5М была начата в ОКБ-1, которое возглавлял главный конструктор С.П. Королев. Максимальная дальность ракеты составляла 1200 км, что позволяло ей достигать различных целей на территории Европы. Эта система была первой БР с ядерным боевым оснащением. Она представляла собой одноступенчатую ракету на жидком топливе с моноблочной ГЧ и забрасываемым весом 1,35 тонны.
В1953 и 1954 годах проводились расчетно-теоретические исследования и конструкторские разработки, связанные с уменьшением массы дефицитного плутония в зарядах. В этот период времени еще не было произведено необходимого количества делящихся материалов.
Еще в 1949 году в процессе отработки первой атомной бомбы И.В. Сталин, заслушивая доклады руководителей основных работ о подготовке РДС-1 к испытаниям, задал вопрос Ю.Б. Харитону: «Нельзя ли вместо одной бомбы из имеющегося для заряда количества плутония сделать две, хотя и более слабые? Чтобы одна оставалась в запасе». Ю.Б. Харитон, имея в виду, что нарабо-
танное к тому времени количество плутония как раз соответствует заряду, изготавливаемому по американской схеме, и излишний риск недопустим, ответил отрицательно. Не исключено, что этот эпизод в значительной мере повлиял на развертывание исследований по минимизации в зарядах количества плутония, экспериментальному определению зависимости от него мощности, исследований других физических эффектов, возникающих при этом.
Входе полигонных испытаний 1953 и 1954 годов были получены важные результаты для дальнейших проработок и оптимизации массы плутония и энерговыделения заряда на принципе имплозии. Результаты этих полигонных испытаний были положены в основу разработки модификации атомной бомбы РДС-4 с меньшей по массе ядерной начинкой и, соответственно, меньшей мощности – варианта РДС-4М.
В1953 и 1954 годах началась разработка атомного заряда для торпеды Т-5. Торпеда имела стандартный калибр 533 мм. По сравнению с предыдущими разработками заряда серии РДС-4, необходимо было существенно сократить диаметр заряда.
Конструктивное решение проблемы заключалось в уменьшении радиуса, а, следовательно, и массы ВВ, что приводило к снижению мощности заряда. Это потребовало кардинально изменить конструкцию и приблизить корпус заряда к внутренней поверхности корпуса боевого отсека торпеды. Подход к конструкции заряда остался таким же, как и у ранее разработанных зарядов серии РДС, однако, в качестве ВВ был применен более мощный по сравнению с ТГ 50/50 состав с другим соотношением составляющих компонентов.
Теоретическая разработка заряда велась Е.И. Забабахиным, М.Н. Нечаевым, конструкторская – в отделе В.Ф. Гречишникова, газодинамическая под общим руководством В.К. Боболева.
Испытание заряда состоялось 19 октября 1954 года на Семипалатинском полигоне и оказалось неудачным: атомного взрыва не произошло. Это был первый отказ в истории разработок ядерных зарядов в СССР. Для проведения этого первого испытания атомного заряда для торпеды была воздвигнута башня высотой 15 м.
При взрыве в месте установки испытуемого заряда было отмечено появление небольшого облака, которое быстро рассеялось ветром. Признаков, характерных для взрывов атомных бомб, при
подрыве не наблюдалось. Последующие измерения α-активности на почве показали, что произошло диспергирование ядерной начинки и радиоактивное загрязнение местности.
По распоряжению Министра МСМ В.А. Малышева для расследования причин отказа заряда была создана специальная комиссия под председательством И.В. Курчатова В результате работы комиссии был сделан вывод о том, что в «настоящее время причину отказа атомного взрыва с достаточной степенью достоверности установить не представляется возможным».
Был выдвинут ряд версий причин отказа. Эти версии легли в основу проведения соответствующих экспериментов в лабораторных условиях. Исследования были проведены, но не дали однозначного ответа о причине отказа. Результаты этих исследований, которые могли способствовать повышению общей надежности, были использованы при разработке последующих вариантов зарядов.
К полигонным испытаниям 1955 года были подготовлены несколько вариантов заряда для торпеды, отличающиеся конструкцией, количеством делящихся материалов, способами нейтронного инициирования. В новых вариантах была также реализована возможность раздельного хранения центральной части и обжимающего заряда нового ВВ.
В течение июля-августа 1955 года на Семипалатинском полигоне были успешно осуществлены три атомных взрыва, позволившие выбрать наиболее эффективную конструкцию заряда для торпеды Т-5. В двух из них было осуществлено сравнение эффективности систем внутреннего и внешнего нейтронного инициирования.
Экспериментально было подтверждено преимущество внешнего импульсного нейтронного источника, выдающего нейтронный импульс в оптимальный момент. С этого времени существенно активизируется развитие, совершенствование и использование внешнего импульсного нейтронного источника, как эффективного средства инициирования цепной реакции атомных зарядов.
Этот заряд был также испытан в составе торпеды Т-5 в подводном (на глубине 12 м) атомном взрыве на Северном полигоне 21 сентября 1955 года. Энерговыделение взрыва составило 3,5 кт.
Испытание торпеды Т-5 явилось первым атомным взрывом на Северном полигоне. Испытание было обусловлено необходимостью исследований воздействия атомного подводного взрыва на