3. СОЗДАНИЕ ПЕРВЫХ ОБРАЗЦОВ ТЕРМОЯДЕРНОГО ОРУЖИЯ
3.1. Первая информация
Работы по созданию термоядерного оружия в СССР явились важнейшей составной частью беспрецедентной по масштабам и трудностям в условиях послевоенного времени борьбы за ликвидацию монополии США в обладании ядерным оружием и достижении ядерного паритета с США.
Эти работы были начаты в 1945 году, когда в СССР стало известно о проведении в США работ по сверхбомбе (проект Super). Первые сведения о работах в США по сверхбомбе поступили в
СССР по разведывательным каналам во второй половине 1945 года из нескольких источников. Одним из этих источников был сотрудник теоретического отдела Лос-Аламосской нацио-
нальной лаборатории США член британской миссии в Лос-Аламосе Клаус Фукс. Через гражданина США Гарри Голда, сотрудничавшего с советской разведкой, он передал СССР материалы, которые включали конкретные сведения, касающиеся разработки дейтериевой сверхбомбы, какой она мыслилась в середине 1945 года. После возвращения в Англию Клаус Фукс возобновил связь с советской разведкой. С осени 1947 года по май 1949 года он шесть раз передавал сотруднику советской разведки А.С. Феклисову подробную письменную информацию, которая, в частности, включала: «...принципиальную схему водородной бомбы и теоретические выкладки по ее созданию, которые были разработаны учеными США и Англии к 1948 году».
Поступившая в 1945 году информация о работах в США по сверхбомбе не могла не волновать политических и научных руководителей советского атомного проекта. Вопрос о сверхбомбе был включен И.В. Курчатовым в перечень вопросов, с которыми сотрудник Бюро-2 Специального комитета при Совете народных комиссаров СССР, занимавшегося обработкой разведывательных материалов по атомной проблеме, Я.П. Терлецкий, обратился к Нильсу Бору, вернувшемуся из США в Данию, во время его встреч с Бором 14 и 16 ноября 1945 года в Копенгагене.
Параллельно с организацией встречи с Бором, когда сотрудники Бюро-2 еще только проводили обработку указанных выше разведывательных материалов, содержавших наряду с информацией о работах в США по сверхбомбе, новую информацию по атомным бомбам, И.В. Курчатов, повидимому, обратился к группе видных ученых-физиков СССР, среди которых были специалисты по теории детонации, И.И. Гуревичу, Я.Б. Зельдовичу, И.Я. Померанчуку и Ю.Б. Харитону, сообщив им постановку задачи и некоторые исходные данные, с предложением в остальном независимо рассмотреть вопрос о возможности осуществления с помощью взрыва атомной бомбы ядерной детонации в цилиндре из дейтерия (этому направлению создания сверхбомбы и был посвящен материал Фукса).
Необходимо вкратце остановиться на информации по проекту Super, поступившей в СССР из США. Идеи создания этой водородной бомбы основывались на предположениях:
•в цилиндре с жидким дейтерием возможен режим устойчивой термоядерной детонации в отсутствии термодинамического равновесия излучения с веществом;
•инициирование термоядерной детонации может быть осуществлено нейтронами, производимыми ядерным взрывом первичного атомного заряда (с использованием в цилинд-
ре промежуточного отсека с жидкой смесью дейтерия и трития).
Работы по этому проекту были начаты в США в 1942 году и продолжались по существу до 1950 года, когда стала очевидной невозможность реализации этой схемы водородной бомбы. Одним из инициаторов и руководителей этой работы был Эдвард Теллер.
Вконце 1945 года в СССР поступили данные по принципиальной схеме проекта Super и серия лекций Энрико Ферми о физических процессах, которые протекают в такой термоядерной системе. В этих же материалах отмечалась возможность производства трития, необходимого для переходного участка в дейтериевом цилиндре, в ядерных реакторах при захвате нейтронов на литии-6. Материалы по этим вопросам были обработаны Я.П. Терлецким.
В1946 году идеи Super были развиты в США Клаусом Фуксом и Джоном фон Нейманом. Их система была запатентована в мае 1946 года.
В этом предложении содержится три характерных идеи, входящие в состав принципа радиационной имплозии:
•первичный заряд, ядерный взрыв которого создает рентгеновское излучение;
•специальный корпус, обеспечивающий диффузионный перенос энергии излучения в требуемом направлении;
•достаточно плотный и прозрачный для излучения, хорошо ионизируемый излучением
материал, создающий высокое материальное давление.
Эта схема рассматривалась в СССР в 1948 году. Материалы включали достаточно подробное описание инициирующего отсека сверхбомбы, состоявшего из первичного атомного заряда и «ампулы» с жидкой Т-Д смесью, а также описание ряда физических процессов, происходящих при зажигании этой смеси. В целом это была исключительно важная информация, содержавшая выдающиеся идеи.
3.2. Первые исследования по водородной бомбе
И.И. Гуревич, Я.Б. Зельдович, И.Я. Померанчук и Ю.Б. Харитон подготовили доклад «Использование ядерной энергии легких элементов», который был заслушан на двенадцатом заседании Технического совета Специального Комитета при Совете Народных комиссаров СССР 17 декабря 1945 года. В 1991 году доклад И.И. Гуревича, Я.Б. Зельдовича, И.Я. Померанчука и Ю.Б. Харитона «Использование ядерной энергии легких элементов» был полностью опубликован. В докладе, сделанном Я.Б. Зельдовичем, рассматривалась возможность возбуждения термоядерной детонации в цилиндре с дейтерием в условиях неравновесного режима горения.
Представляет интерес решение Технического совета по докладу – первое официальное решение, касающееся работ в СССР по водородной бомбе:
«1. Считать необходимым провести систематические измерения эффективности сечений в ядрах легких элементов, использовав для этого высоковольтный электростатический генератор Харьковского физико-технического института.
2. Поручить профессору Я.Б. Зельдовичу в трехдневный срок подготовить задание по изучению реакций в ядрах легких элементов и представить их на рассмотрение Технического совета».
Обращает на себя внимание тот факт, что решение Технического совета касается только базы исходных экспериментальных данных и не содержит поручений, относящихся к организации и проведению расчетно-теоретических работ по исследованию возможности создания сверхбомбы.
С июня 1946 года теоретические исследования возможности использования ядерной энергии легких элементов начали проводиться в Москве в Институте химической физики группой в составе С.П. Дьякова и А.С. Компанейца под руководством Я.Б. Зельдовича. Первые итоги работы этой группы были обсуждены на заседании Научно-технического совета Первого главного управления, состоявшемся 3 ноября 1947 года.
К заседанию НТС ПГУ был представлен отчет С.П. Дьякова, Я.Б. Зельдовича и А.С. Компанейца «К вопросу об использовании внутриатомной энергии легких элементов», а доклад на его основе был сделан Я.Б. Зельдовичем.
Основы подхода в отчете С.П. Дьякова, Я.Б. Зельдовича и А.С. Компанейца те же, что и в докладе И.И. Гуревича, Я.Б. Зельдовича, И.Я. Померанчука и Ю.Б. Харитона 1945 года – выяснение условий, при которых может оказаться возможной ядерная детонация в среде из легких ядер, распространяющаяся в результате прохождения ударной волны в условиях отсутствия теплового равновесия между веществом и излучением. Рассматривалась возможность осуществления подобной детонации как в среде из дейтерия, так и в среде из дейтерида лития-7.
Сделать какие-либо определенные выводы о практической возможности использования ядерной энергии легких элементов без дополнительных теоретических расчетов и экспериментальных исследований не представлялось возможным. В случае положительного ответа на вопрос о возможности детонации необходимо развить теорию инициирования детонации.
В решении НТС ПГУ от 3 ноября 1947 года отмечена важность проводимой в Институте химической физики АН СССР работы по исследованию возможности использования энергии легких
элементов для развития ядерной физики и, в случае положительного решения этой задачи, для практических целей. Указана необходимость продолжения этих работ и, в первую очередь, изучение условий для осуществления реакций в легких элементах с использованием явления детонации при инициировании атомным взрывом.
23 апреля 1948 года Л.П. Берия поручил Б.Л. Ванникову, И.В. Курчатову и Ю.Б. Харитону тщательно проанализировать материалы по системе Фукса-фон Неймана, переданные Клаусом Фуксом, и дать предложения по организации необходимых исследований и работ в связи с получением новых материалов. Заключения по новым материалам Фукса были представлены Ю.Б. Харитоном, Б.Л. Ванниковым и И.В. Курчатовым 5 мая 1948 года.
Эти материалы дали новый импульс развитию исследований в СССР по проблеме водородной бомбы, которая получила индекс РДС-6.
Применительно к проблеме возможности создания РДС-6, Постановлением от 10 июня 1948 года, в частности, предусматривались:
•определение предельного диаметра, необходимого для обеспечения горения чистого дейтерия или смеси дейтерия и трития;
•анализ влияния различных количеств трития в смеси с дейтерием на скорость реакции;
•исследование зажигания дейтерия от смеси дейтерия и трития;
•исследование влияния энерговыделения первичного ядерного заряда на процесс зажигания;
•исследование влияния физических свойств оболочки РДС-2 на процесс зажигания;
•исследование особенностей действия излучения, нейтронов и заряженных частиц в процессе зажигания.
Эти работы КБ-11 должно было проводить с участием Физического института АН СССР. Для проведения этих работ в Физическом институте было предписано создать специальную теоретическую группу под руководством И.Е. Тамма и С.З. Беленького. В состав группы вошли также А.Д. Сахаров, В.Л. Гинзбург и Ю.А. Романов. Для координации теоретических и расчетных работ и контроля за выполнением заданий было предписано создать при Лаборатории № 2 специальный закрытый семинар под руководством С.Л. Соболева (Л.Д. Ландау, И.Г. Петровский, С.Л. Соболев, В.А. Фок, Я.Б. Зельдович, И.Е. Тамм, А.Н. Тихонов, Ю.Б. Харитон, К.И. Щёлкин).
Первоначально сотрудники группы И.Е. Тамма в соответствии с предусмотренным планом работ по водородной бомбе знакомились в Институте химической физики с расчетами группы Я.Б. Зельдовича и проверяли эти расчеты.
Через несколько месяцев после начала работ группы И.Е. Тамма по специальной тематике А.Д. Сахаров начал рассмотрение возможности решения проблемы создания водородной бомбы на пути возбуждения атомным взрывом ядерной детонации в гетерогенной системе с чередующимися слоями термоядерного горючего и урана-238. Основой такого подхода была идея о том, что при температурах в десятки миллионов градусов, реализующихся при ядерном взрыве, слои термоядерного горючего, размещенные между слоями урана, в результате выравнивания давлений в термоядерном горючем и уране в процессе ионизации вещества приобретают высокую плотность, в результате чего заметно увеличивается скорость термоядерных реакций.
С этого времени работы над водородной бомбой в СССР фактически проходили уже по двум различным направлениям: группа, руководимая Я.Б. Зельдовичем, по-прежнему рассматривала возможность осуществления ядерной детонации в дейтерии, группа И.Е. Тамма начала изучение систем со слоями из урана и термоядерного горючего. Водородная бомба типа Super получила индекс РДС-6т, а водородная бомба слоеной конфигурации – индекс РДС-6с.
Идейные подходы группы Я.Б. Зельдовича к решению проблемы в 1948 году были прежними. После июня 1948 года эти исследования возможности осуществления ядерной детонации в цилиндре из жидкого дейтерия были развернуты и в КБ-11.
Работы по цилиндрической системе с дейтерием продолжались в КБ-11 до 1954 года включительно – до тех пор, пока не была окончательно понята и официально признана их бесперспективность.
3.3. Разработка термоядерного заряда РДС-6с
А.Д. Сахаров на первом этапе работы над слоистыми системами также рассматривал цилиндрическую систему, в качестве термоядерного горючего в которой предусматривалось использование тяжелой воды.
Однако уже в ноябре 1948 года сотрудник группы И.Е. Тамма В.Л. Гинзбург выпустил отчет, в котором предложил использовать в слоистой системе новое термоядерное горючее – дейтерид лития-6, который при захвате нейтронов образует эффективное термоядерное горючее – тритий.
Идея «слойки» и идея применения дейтерида лития-6 – «первая» и «вторая» идеи по терминологии «Воспоминаний» А.Д. Сахарова, и стали теми ключевыми идеями, которые в дальнейшем были положены в основу разработки первой советской водородной бомбы РДС-6с. Однако, несмотря на ясность исходных физических идей «слойки», сформулированных в 1948 году, путь создания на их основе реалистичной конструкции не был простым.
Виюне 1949 года в КБ-11 состоялась серия совещаний, на которых было рассмотрено состояние работ над атомными бомбами РДС-1, РДС-2, РДС-3, РДС-4, РДС-5 и состояние работ над водородной бомбой РДС-6.
На совещании был представлен написанный А.Д. Сахаровым план теоретических и экспериментальных исследований на 1949–1950 годы, связанных с разработкой РДС-6с. Теоретическая часть плана имела два больших раздела: 1) изучение механизма распространения стационарной детонационной волны в слоистых системах; 2) теоретические исследования возможности высокотемпературной детонации дейтерия. Отметим, что среди многих подразделов пункт 1) плана содержал подраздел: «исследование вопроса о возможности повышения реактивности систем типа РДС-6 посредством обжатия обычным взрывчатым веществом». Это было существенное продвижение, в то время как первоначальная идея «слойки» предполагала возможность осуществления ядерной детонации в необжимаемой системе из слоев урана и термоядерного горючего нормальной плотности. Идея «слойки» объединилась с идеей имплозии.
Постановлением Совета Министров СССР от 28 февраля 1950 года работы над водородной бомбой были сосредоточены в КБ-11. В соответствии с этим постановлением группа И.Е. Тамма была направлена в 1950 году на постоянную работу в Арзамас-16.
Прототип РДС-6с был предложен в 1946 году в США Эдвардом Теллером.
Всентябре 1946 года он предложил простую альтернативу проекту Super, которую он назвал Alarm Clock, поскольку он надеялся, что эта альтернатива пробудит интерес специалистов к перспективам термоядерного оружия. Хотя Alarm Clock был термоядерным устройством, в нем только небольшая часть энерговыделения получалась в термоядерных реакциях. Подобно проекту Bооster, термоядерные реакции в Alarm Clock в основном усиливали процесс деления.
Устройство Alarm Clock использовало темпер, состоящий из последовательных слоев делящихся материалов и термоядерного топлива. Alarm Clock рассматривался как схема, которая может дать большое энерговыделение при использовании относительно дешевых материалов. Это был новый подход, который предполагал, что термоядерная бомба может быть создана в пределах существовавших возможностей лаборатории в Лос-Аламосе, хотя путь практической реализации этой идеи не был вполне известен.
Это устройство могло потребовать инициирующего взрыва, в 2–3 раза более мощного, чем давало устройство Fat Man (то есть 40–60 кт). Теоретические работы по Alarm Clock продолжались от момента появления идеи до конца 1947 года; в течение этого времени его схема неоднократно изменялась.
Первый полный отчет по Alarm Clock был выпущен в ноябре 1946 года Эдвардом Теллером и Робертом Рихтмайером. Он содержал обоснование возможности принципа Alarm Clock, а также оценки эффективности и особенностей работы. Специальное исследование рассматривало процессы, которые происходят при детонации ядерного устройства. Перед тем как могла быть создана термоядерная бомба, необходимо было продвинуться в развитии ядерных триггеров и лучше понять процесс ядерного взрыва.
В декабре 1946 года был предложен эксперимент для проверки особенностей такого процесса термоядерного горения в условиях Alarm Clock в сочетании с испытанием ядерной бомбы умеренной мощности.
В апреле 1947 года лаборатория в Лос-Аламосе предложила целую серию экспериментов для исследования термоядерных принципов. При этом отмечалось, что необходимо привлечь внимание к возможности испытания некоторых принципов, которые могут быть важными для термоядерных систем, таких как Alarm Clock. Отмечалось, что возможности для чисто теоретического исследования этих принципов неадекватны и дают расплывчатую картину из-за большой сложности явлений, и поэтому реальная проверка принципов в условиях, соответствующих взрыву бомбы, в высшей степени желательна. При испытании высокая температура, создаваемая ядерным взрывом, вызывает термоядерные реакции. В такой системе энергия, производимая термоядерными реакциями, может быть невелика, но 14-МэВ-ные нейтроны, производимые в ТД-реакции, легко детектируются, и наработка трития в устройстве может быть определена, если в системе первоначально использовался только дейтерий.
Успех такого эксперимента зависел, прежде всего, от достижения в дейтерии высоких температур, в контексте чего важное значение имеют потоки излучения. Рассматривалась серия из трех экспериментов: «А», «В» и «С». Испытание «В» использовало в термоядерном топливе только дейтерий; испытание «С» использовало как дейтерий, так и тритий. В обоих испытаниях термоядерное топливо должно было хорошо обжиматься. Испытание «С» было существенно менее чувствительно, чем испытание «В», и сравнение выходов 14-МэВ-ных нейтронов в них дало бы информацию о достигнутых температурах. Испытание «А» (возможно, без термоядерных процессов) было необходимо для контроля. Расчеты были проведены для ядра из δ-фазы плутония, что не только упростило задачу по сравнению с композитным ядром, но и позволило увеличить временную постоянную α (скорость размножения).
Следует отметить, что, так как Alarm Clock рассматривался в качестве термоядерного оружия, то в нем требовалось получение большого энерговыделения – мегатонного класса, что создавало значительные трудности с обеспечением необходимой имплозии и уровнем энерговыделения инициирующего ядерного заряда. В сентябре 1947 года Теллер предложил использовать в качестве термоядерного горючего Alarm Clock дейтерид лития-6, что должно было повысить эффективность термоядерного горения. Использование дейтерида лития сильно упрощало проблему, связанную с производством трития, которое ограничивало в то время возможность развития термоядерного оружия. Однако оно требовало использования обогащенного по изотопу Li-6 материала и не решало проблем зажигания. Теллер отмечал существенную зависимость будущих успехов в создании термоядерного оружия от развития компьютеров и достижения лучшего понимания распространения ударных волн в массе термоядерного горючего.
С сентября 1947 года работы по Alarm Clock стали существенно сокращаться, хотя проводились и в дальнейшем. Компьютерные расчеты первоначальной конфигурации Alarm Clock были завершены в 1953–1954 годах и показали, что устройство в этом виде было неработоспособно. Наиболее успешные расчеты того времени указывали на то, что для получения энерговыделения в 10 Мт количество ВВ в устройстве должно было составлять от 40 до 100 тонн.
Хотя в идейном плане Alarm Clock и РДС-6с весьма близки, между ними есть и существенное различие. Это различие связано с уровнем энерговыделения. Тот факт, что Alarm Clock рассматривался как заряд мегатонного класса (конкурент Super), определил его большие размеры, что в свою очередь создавало как трудности в конструировании, так и проблемы в отношении возможностей его практического применения. В итоге этот проект оказался нежизнеспособным и не был реализован. РДС-6с создавался применительно к условиям размещения в реальной авиабомбе (аналог РДС-1), и при его создании, прежде всего, требовалось достижение существенного выигрыша в энерговыделении по сравнению с чисто ядерными зарядами (которое в то время не превышало 40 кт). Это был более прагматичный подход, который позволил создать РДС-6с и при этом существенно превзойти показатели ядерных зарядов. Когда же стали решать задачу увеличения энерговыделения в заряде типа РДС-6с до мегатонного уровня, возникли трудности, и практически эта задача решена не была.
Разработанный в 1950–1953 годах в КБ-11 термоядерный заряд РДС-6с, явившийся первым термоядерным зарядом СССР, представлял собой сферическую систему из слоев урана и термоядерного горючего, окруженных химическим взрывчатым веществом. Для увеличения энерговыделения заряда в его конструкции был использован тритий. Пользуясь известной терминологией можно сказать, что термоядерный заряд РДС-6с был выполнен по одностадийной схеме.
Особенности конструкции и физика работы РДС-6с подробно рассмотрены в ряде публикаций. Основная задача была в том, чтобы с помощью энергии, выделенной при взрыве атомной бом-
бы, нагреть и поджечь тяжелый водород – дейтерий, то есть осуществить термоядерные реакции
D + D = H + T + 4 МэВ D + D = n + He-3 + 3,3 МэВ,
и другие с выделением энергии и, таким образом, способные сами себя поддерживать. Для увеличения доли «сгоревшего» дейтерия А.Д. Сахаров предложил окружить дейтерий оболочкой из обычного природного урана, который должен был замедлить разлет и, главное, существенно повысить плотность дейтерия.
Рост скорости ДД-реакции приводит к заметному образованию трития, который тут же вступает с дейтерием в термоядерную реакцию
D + T = n + He-4 + 17,6 МэВ
с сечением, в 100 раз превышающим сечение ДД-реакции, и в пять раз большим энерговыделением. Более того, ядра урановой оболочки делятся под действием быстрых нейтронов, появляющихся в ДТ-реакции, и существенно увеличивают мощность взрыва. Именно это обстоятельство заставило выбрать уран в качестве оболочки, а не любое другое тяжелое вещество.
Мощность термоядерного процесса в дейтерии можно было бы значительно повысить, если с самого начала часть дейтерия заменить тритием.
Действительно, термоядерный заряд в виде дейтерида-тритида и дейтерида лития-6 привел к радикальному увеличению мощности термоядерного процесса и выделению энергии из урановой оболочки за счет деления, в несколько раз превосходящему термоядерное энерговыделение.
Таковы физические идеи, заложенные в первый вариант нашего термоядерного оружия». Как отметил в своих «Воспоминаниях» А.Д. Сахаров «подготовка к испытанию первого тер-
моядерного заряда была значительной частью всей работы объекта в 1950–1953 годах, так же как и других организаций и предприятий нашего управления и многих привлеченных организаций. Эта была работа, включавшая, в частности, экспериментальные и теоретические исследования газодинамических процессов взрыва, ядерно-физические исследования, конструкторские работы в прямом смысле этого слова, разработку автоматики и электрических схем изделия, разработку уникальной аппаратуры и новых методик для регистрации физических процессов и определения мощности взрыва.
Громадных усилий с участием большого количества людей и больших материальных затрат требовали производство входящих в изделие веществ, другие производственные и технологические работы.
Особую роль во всей подготовке к испытаниям первого термоядерного играли теоретические группы. Их задачей был выбор основных направлений разработки изделий, оценки и общетеоретические работы, относящиеся к процессу взрыва, выбор вариантов изделий и курирование конкретных расчетов процессов взрыва в различных вариантах. Эти расчеты проводились численными методами, в те годы – в специальных математических группах, созданных при некоторых научноисследовательских институтах.
Теоретические группы также играли важную роль в определении задач, анализе результатов, обсуждении и координации почти всех перечисленных направлений работ других подразделений объекта и привлеченных организаций».
Общее руководство работами над РДС-6с осуществлялось И.В. Курчатовым. Главным конструктором и непосредственным руководителем работ был Ю.Б. Харитон.