Ссылка на полный текст: Андрюшин И. А. и др. Решающий шаг к миру. | Электронная библиотека | История Росатома
Навигация:
Американский проект дейтериевой сверхбомбы «Классический супер»
Слойка Эдварда Теллера «Alarm Clock»
Конфигурация Теллера–Улама
Первые этапы термоядерной программы СССР
Исследования по дейтериевой бомбе в СССР
Проект РДС-6т
Разработка слоеного термоядерного заряда РДС-6С
Идея «слойки» и идея применения дейтерида лития-6 – «первая» и «вторая» идеи, по терминологии «Воспоминаний» А.Д. Сахарова
Гонка за водородной бомбой
Роль теоретиков и математиков в создании первого советского термоядерного заряда РДС-6с
Проблемы с разработкой мощной "слойки" РДС-6сд
Конкуренция направлений исследований и конструирования термоядерного оружия
Радиационная имплозия – «третья» идея, по терминологии «Воспоминаний» А.Д. Сахарова
Разработка РДС-37
Технология «горячего» прессования для создания деталей с высоким качеством плотности
Заряд РДС-6с и его «наследство»
Подготовка к испытаниям РДС-37
Испытания РДС-37 и решение о дублировании вторым самолетом с прицелом
Испытания РДС-37
Изделие «49»
Работы по созданию серийной РДС-37
«Проект 202» как развитие РДС-37
Начало термоядерных исследований в США относят к лету 1942 г., когда в Беркли при обсуждении планов Лос-Аламосской лаборатории Э. Теллер представил первые сообщения, ставшие основой проекта дейтериевой сверхбомбы «Классический супер» /1/. 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 цилиндре промежуточного отсека с жидкой смесью дейтерия и трития). Материалы анализа разведданных о принципе радиационной имплозии (40%-ная чистота – вероятно, это опечатка) и схематический чертеж двухступенчатой водородной бомбы Фукса– фон Неймана (рассекречены СВР в 1992 г, и опубликованы в ВИЕТ). Работы по этому проекту продолжались по существу до 1950 г., когда в США стала очевидной невозможность реализации этой схемы водородной бомбы.
В процессе работ по «классическому суперу» было сделано новое изобретение, оказавшееся изобретением исключительного значения. Клаус Фукс при участии Джона фон Неймана предложил использовать в «классическом супере» новую систему инициирования. Эта система включала в себя дополнительный вторичный узел из жидкой DT-смеси, которая нагревалась, сжималась и, в результате, зажигалась энергией излучения первичной атомной бомбы /1, 2/. Для этой цели рассматривалось применение первичной атомной бомбы пушечного типа, усиленной по схеме Д. фон Неймана.
Было предложено вынести DT-смесь из урана-235 в прогреваемый излучением отражатель из окиси бериллия. Фукс рассчитывал, что в таких условиях DT-смесь будет подвергаться нагреву и ионизационной имплозии, так что будут обеспечены условия ее термоядерного зажигания. Для удержания излучения в объеме отражателя Фукс предложил окружить систему непрозрачным для излучения кожухом. Поскольку ионизационное сжатие DT-смеси в рассматриваемой системе должно происходить в результате переноса излучения из активной зоны атомного заряда в расположенную вне ее зону размещения термоядерного горючего и вызываться этим излучением, то оно является радиационной имплозией.
Конфигурация Фукса–фон Неймана – первая физическая схема, использующая принцип радиационной имплозии, которая стала прообразом будущей конфигурации Теллера–Улама. Документы по схеме Фукса–фон Неймана были переданы К. Фуксом в СССР в 1948 г. Материалы содержали общие конструктивные данные, схематический чертеж, данные о мощности, расчеты физических процессов с таблицами и графиками (всего 17 листов).
В связи с трудностями в обосновании проекта «Super» в сентябре 1946 г. Э. Теллер предложил альтернативу, которую он назвал «Alarm Clock», – слоеную термоядерную бомбу, обжимаемую взрывчаткой. Хотя «Alarm Clock» был термоядерным устройством, в нем только небольшая часть энерговыделения получалась в термоядерных реакциях. Подобно проекту «Booster», термоядерные реакции в «Alarm Clock», в основном, усиливали процесс деления
В устройстве «Alarm Clock» использовали ядро, состоящее из последовательных слоев делящихся материалов и термоядерного топлива. «Alarm Clock» pacсматривалось как система, которая может дать большое энерговыделение при использовании относительно дешевых материалов.
Этому устройству мог потребоваться в 2-3 раза более мощный инициирующий взрыв, чем давало устройство «Fat Man», то есть 40-60 кт. Теоретические работы по «Alarm Clock» продолжались от момента появления идеи в 1946 г. до конца 1947 г.; в течение этого времени его схема неоднократно изменялась.
Первый полный отчет по «Alarm Clock» был выпущен в ноябре 1946 г. 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 г. был предложен эксперимент для проверки особенностей процесса термоядерного горения в условиях «Alarm Clock» в сочетании с ядерным взрывом умеренной мощности.
В сентябре 1947 г. 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 возможности 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 г. работы по «Alarm Clock» стали существенно сокращаться, хотя проводились и в дальнейшем. Компьютерные расчеты первоначальной конфигурации «Alarm Clock» были завершены в 1953-1954 гг. и показали, что устройство с энерговыделением в этом виде было бы неработоспособно.
Следующий принципиальный этап в термоядерной программе США относится к марту 1951 г. 9 марта С. Улам и Э. Теллер выпустили совместный отчет «О гетерокаталитической детонации 1: гидродинамические линзы и радиационные зеркала», LAMS-1225, в котором они изложили новую концепцию конструирования термоядерного оружия. Рожденная единением идей С. Улама и Э. Теллера (явившихся развитием их же собственных ранних идей и идей Э. Ферми, Э. Конопинского, Д. фон Неймана и К. Фукса) новая схема сверхбомбы получила название «конфигурация Теллера–Улама».
В сентябре 1951 г. в Лос-Аламосе было принято решение о разработке термоядерного устройства на новом принципе (радиационная имплозия, конфигурация Теллера–Улама) для полномасштабного испытания «Mike», намеченного на 1 ноября 1952 г. В качестве термоядерного горючего был выбран жидкий дейтерий. Устройство «Mike» состояло из массивного стального цилиндра, в котором находился первичный заряд на принципе имплозии и огромный стальной «термос», содержащий несколько сотен литров жидкого дейтерия внутри массивной оболочки из природного урана, который представлял собой термоядерный модуль/4/.
Перед испытанием энерговыделение «Mike» оценивалось на уровне 1-10 Мт с вероятным значением в 5 Мт, но не исключалась возможность энерговыделения в 50-90 Мт. Основная неопределенность в прогнозе энерговыделения была связана с неясностью в эффективности термоядерного горения и в эффективности деления урановой оболочки (уран-238) термоядерными нейтронами. Эффективность термоядерного горения была связана с новой и сложной физикой, которая в то время не могла быть точно рассчитана.
Эффективность деления урановой оболочки в большой степени зависела от сжатия термоядерного модуля, которое определялось со значительной погрешностью.
В переданном материале содержались 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, инициирующего дейтериевый цилиндр, в ядерных реакторах при захвате нейтронов на литии-6. Уже 1 января 1946 г. Ю.Б. Харитон в своей «Записке» отмечает, что «в принципе возможна ядерная детонация легких элементов, причем наиболее подходящим веществом является тяжелый водород».
В лекциях Э. Ферми, переданных нашей разведкой 28 января 1946 г. в Первое главное управление для ознакомления И.В. Курчатова и Ю.Б. Харитона, детально были рассмотрены различные механизмы термоядерных реакций в дейтерии и смеси дейтерия с тритием. В лекциях также приводится упрощенная схема термоядерной бомбы «труба»
И.И. Гуревич, Я.Б. Зельдович, И.Я. Померанчук и Ю.Б. Харитон подготовили материалы «Использование ядерной энергии легких элементов», которые были заслушаны на заседании технического совета Специального комитета при СНК СССР 17 декабря 1945 г. В докладе, сделанном Я.Б. Зельдовичем, рассматривалась возможность возбуждения термоядерной детонации в цилиндре с дейтерием в условиях неравновесного режима горения /6, с. 19/. В 1991 г. этот доклад был полностью опубликован. 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.
В начальный период работ по проекту экспериментальные данные по многим определяющим процессам были крайне скудны; вычислительные возможности отсутствовали. Как отмечали авторы итоговой работы по проекту РДС-6т в 1953 г., «совместное решение всех уравнений этой задачи, учитывающих одновременно все процессы, протекающие в системе, практически не выполнимо до развития машинной математической техники. Поэтому приходилось разделять решения трех основных задач: а) гидродинамики; б) кинетики ядерных реакций и диффузии быстрых частиц, возникающих в процессе реакций; в) излучения».
26 октября 1950 г. вышел подробный отчет сотрудников Я.Б. Зельдовича, Н.А. Дмитриева, Г.М. Гандельмана, В.Ю. Гаврилова, «К теории инициатора для “Т”»/6, с. 324/, в котором рассматривались различные схемы инициирования термоядерного горючего (дейтерия) в «трубе»
В отчете делается вывод, «что в результате реакции смеси TD, окруженной тяжелым веществом, ударная волна, распространяясь по тяжелому веществу, нагревает и сжимает смесь TD (эта предварительная часть процесса не рассмотрена). В нагретой смеси начинается реакция и происходит быстрое нарастание температуры, достигающей 100-200 кэВ. При этом больше половины Т сгорает за время меньше 2-10–9 с. Таким образом, показана возможность создания весьма мощного импульса n с энергией 14 МэВ, который может быть применен для воспламенения смеси TD, находящейся вне тяжелого вещества».
Следует отметить, что этот проект был закрыт по предложению ученых КБ-11 еще задолго до испытания РДС-37.
При разработке РДС-6т получили принципиальные экспериментальные данные о сечениях термоядерных реакций и взаимодействия ядер термоядерного горючего с нейтронами. В Приложении 4 приведены фрагменты плана ядерно-физических исследований, которые КБ-11 считало необходимым выполнить для решения данной проблемы. Эти исследования определяли фундаментальные параметры термоядерных процессов и явились одной из основ при дальнейшей разработке термоядерных зарядов, включая РДС-37.
Проект РДС-6т был закрыт к 1954 г. /7, с.287/, когда было окончательно установлено отсутствие устойчивого режима горения подобных безымплозивных систем. Однако эти работы оказались исключительно полезными для понимания многих вопросов, связанных с зажиганием и горением термоядерной среды.
Другое направление работ по созданию термоядерного заряда было связано с исследованиями, которые проводила группа сотрудников под руководством И.Е. Тамма, и прежде всего с исследованиями А.Д. Сахарова. Первоначально сотрудники этой группы 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 приступил к рассмотрению возможности создания водородной бомбы на пути возбуждения атомным взрывом ядерной детонации в гетерогенной плоской системе с чередующимися слоями термоядерного горючего и ура-на-238.
Основой такого подхода послужила 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 существенно увеличивается скорость термоядерных реакций
Идея «слойки» и идея применения дейтерида лития-6 – «первая» и «вторая» идеи, по терминологии «Воспоминаний» А.Д. Сахарова /8/ – стали теми ключевыми идеями, которые в дальнейшем легли в основу разработки первой советской водородной бомбы РДС-6с. Однако несмотря на ясность исходных физических идей «слойки», сформулированных в 1948 г., путь создания на их основе реальной конструкции не был простым.
В июне 1949 г. в КБ-11 состоялась серия совещаний, на которых рассматривалось состояние работ по атомным бомбам РДС-1, РДС-2, РДС-3, РДС-4, РДС-5 и состояние работ по водородной бомбе РДС-6. На совещании был представлен написанный А.Д. Сахаровым план теоретических и экспериментальных исследований на 1949-1950 гг., 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. 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.
Спустя месяц после заявления президента США о начале широкомасштабных работ по разработке супербомбы (водородной бомбы) выходит Постановление Совета министров СССР № 827-808 «О работах по созданию РДС», которое обязывало Первое главное управление, Лабораторию № 2, АН СССР и КБ-11 провести расчетно-теоретические, экспериментальные и конструкторские работы по созданию изделия РДС-6с («слойка») и РДС-6т («труба»). В первую очередь, должно было быть создано изделие РДС-6с с тротиловым эквивалентом 1 млн. т и весом 5 т/6, с. 288/.
Этим Постановлением Совета министров СССР от 26 февраля 1950 г. работы над водородной бомбой были сосредоточены в КБ-11, для его выполнения группа И.Е. Тамма направлялась в 1950 г. на постоянную работу в Арзамас-16. Научным руководителем работ по созданию изделия РДС-6с и РДС-6т был назначен Ю. Б.Харитон, его заместителями– И.Е.Тамм и Я.Б. Зельдович. Тогда же было принято Постановление СМ СССР № 828-304 «Об организации производства трития».
Следует подчеркнуть, что, хотя в идейном плане «Alarm Clock» и РДС-6с весьма близки, между ними есть и существенное различие. Это различие связано прежде всего с уровнем энерговыделения. Тот факт, что «Alarm Clock» рассматривался как заряд мегатонного класса (конкурент «Super»), определил его большие размеры, что в свою очередь создавало трудности в конструировании 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, и при его создании требовалось прежде всего достижение существенного выигрыша в энерговыделении по сравнению с чисто ядерными зарядами (энерговыделение которых в то время не превышало 40 кт). Это был более прагматичный подход, который позволил создать РДС-6с в качестве модели заряда мегатонного класса 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/1/.
Разработанный в 1950-1953 гг. 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.
Особую роль во всей подготовке к испытаниям первого термоядерного играли теоретические группы. Их задачами были выбор основных направлений разработки изделий, оценка 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 научно-исследовательских 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».
В разработке РДС-6с исключительно важное значение имело математическое моделирование. Основные математические расчеты по РДС-6с проводились в Москве в коллективах, которыми руководили А.Н. Тихонов, К.А. Семендяев и Л.Д. Ландау. С апреля 1953 г. эти работы были сосредоточены в специально образованном Отделении прикладной математики Математического института АН СССР, который возглавлял М.В. Келдыш. В КБ-11 расчеты проводились коллективами математиков под руководством Н.Н. Боголюбова и В.С. Владимирова.
Энерговыделение РДС-6с было эквивалентно энергии взрыва 400000 тонн тротила. Работы по РДС-6с имели продолжение. 6 ноября 1955 г. в СССР был успешно испытан заряд РДС-27, который представлял собой модернизацию РДС-6с на основе использования исключительно дейтерида лития (без использования трития). При этом параметры гетерогенного ядра были несколько модернизированы. Энерговыделение заряда составило 250 кт, что в 1,6 раза меньше энерговыделения РДС-6с, но существенно превзошло энерговыделение традиционных ядерных зарядов. По своим конструкционным качествам это было реальное оружие, его испытание производилось в составе авиабомбы, сброшенной с самолета.
16 июля 1954 г. состоялось техническое совещание с участием министра МСМ В.А. Малышева, на котором был заслушан доклад руководства КБ-11 о состоянии разработки мощной водородной бомбы РДС-6СД – полномасштабного слоеного термоядерного заряда.
Получение большого энерговыделения в РДС-6с стимулировало надежды на создание в рамках этого принципа термоядерного заряда мегатонного класca (до 2 Мт). Трудности на этом пути оказались велики. Они были связаны как с невозможностью увеличения массогабаритных параметров заряда (ограниченных возможностями средств доставки), так и с необходимостью исключения из схемы заряда значительных количеств трития. Однако новый проект РДС-6СД в конце 1953 г. стал главным направлением термоядерной программы СССР. Руководил им академик А.Д. Сахаров.
Новый принцип пробил дорогу в жизнь в процессе интенсивных работ по другим направлениям исследований и конструирования термоядерного оружия, которым отдавался приоритет. Этими направлениями были, как ясно из предыдущего изложения, исследования не-обжимаемой цилиндрической системы с жидким дейтерием, в которой ожидалось возникновение ядерной детонации дейтерия под действием ядерного взрыва, и разработка мощного слоеного термоядерного заряда на основе РДС-6с, обжимаемого взрывом химического взрывчатого вещества.
В начале 50-х годов, наряду с идеей термоядерного усиления энерговыделения ядерных зарядов, обсуждалась другая идея – идея возможности осуществления более эффективного сжатия ядерного материала по сравнению со сжатием, обеспечиваемым взрывом химических В.В. Первоначально эта идея была сформулирована в общем виде как идея использования ядерных взрывов одного или нескольких зарядов для обжатия ядерного горючего, находящегося в отдельном модуле, пространственно отделенном от первичного источника (источников) ядерного взрыва. Авторами этой общей идеи, которая может быть названа идеей «ядерной имплозии», являются В.А. Давиденко, А.П. Завенягин и Д.А. Франк-Каменецкий. В январе 1954 г. Я.Б. Зельдович и А.Д. Сахаров детально рассматривают эту схему ...
Эта идея содержит принципиальное представление о двухстадийном ядерном заряде. С самого начала в отношении возможности ее реализации возник ряд вопросов, которые можно объединить в две группы. Первая группа вопросов относилась к самому понятию «ядерной имплозии». Хорошо изученная к тому времени схема работы ядерного заряда предполагала обжатие ядерного (или ядерного и термоядерного, как в РДС-6с) материала сферическим взрывом химических ВВ, в котором сферическая симметрия имплозии определялась исходной сферически-симметричной детонацией взрывчатки. Было очевидно, что в гетерогенной структуре из первичного источника (источников) и обжимаемого вторичного модуля аналогичные первоначальные возможности для реализации сферически-симметричной «ядерной имплозии» отсутствуют. Этот вопрос был тесно связан с другим вопросом: что является носителем энергии взрыва первичного источника и как осуществляется этот перенос энергии ко вторичному модулю?
Вторая группа вопросов была связана и с тем, что должен представлять собой вторичный модуль, на который воздействует ядерная имплозия. Первоначально предполагалось, что перенос энергии ядерного взрыва первичного источника в двухстадийном заряде должен осуществляться потоком продуктов взрыва и создаваемой ими ударной волной, распространяющейся в гетерогенной структуре заряда.
В январе 1954 г. этот подход был проанализирован Я.Б. Зельдовичем и А.Д. Сахаровым. При этом за основу физической схемы вторичного модуля было решено взять аналог внутренней части заряда РДС-6с, то есть «слоеную» систему сферической конфигурации. Таким образом, было сформулировано конкретное представление о двухстадийном заряде на принципе гидродинамической имплозии. Следует отметить, что это была исключительно сложная система, с точки зрения реальных вычислительных возможностей того времени.
Основная проблема состояла в том, каким образом в подобном заряде можно было бы обеспечить близкое к сферически-симметричному режиму сжатие вторичного модуля, поскольку скорости распространения ударных волн вокруг модуля и внутри него отличались не слишком сильно. Через несколько месяцев работ по этому проекту их результаты трансформировались в принцип, в рамках которого перенос энергии первичного модуля осуществлялся рентгеновским излучением, а для формирования направленности переноса энергии первичный и вторичный модули заключались в единую оболочку (как и в случае гидродинамической имплозии в январском проекте 1954 г.), обладавшую хорошим качеством для отражения рентгеновского излучения, а внутри заряда были обеспечены меры, облегчавшие перенос рентгеновского излучения в нужном направлении.
В ходе этой работы Ю.А. Трутнев предложил способ концентрации энергии рентгеновского излучения в материальном давлении, позволивший более эффективно осуществлять радиационную имплозию. А.Д. Сахаров так описывает возникновение идеи радиационной имплозии в КБ-11 /8/: «По-видимому, к “третьей идее” одновременно пришли несколько сотрудников наших теоретических отделов. Одним из них был я. Мне кажется, что я уже на ранней стадии понимал основные физические и математические аспекты “третьей идеи”. В силу этого, а также благодаря моему ранее приобретенному авторитету, моя роль в принятии и осуществлении “третьей идеи”, возможно, была одной из решающих. Но также, несомненно, очень велика была роль Зельдовича, Трутнева и некоторых других, и, быть может, они понимали и предугадывали перспективы и трудности “третьей идеи” не меньше, чем я».
Одним из принципиальных моментов в заряде на принципе радиационной имплозии является вопрос о взаимодействии рентгеновского излучения, распространяющегося внутри заряда с элементами конструкции, выполненными из тяжелых металлов. В апреле 1954 г. Г.М. Гандельман и Н.А. Дмитриев выпускают ТЗ (первый официальный документ) на расчеты прогрева рентгеновским излучением стенки из тяжелого материала.
8 июля 1955 г. был выпущен отчет «Опытное устройство для проверки принципа окружения (расчетно-теоретические работы)», который является итоговым материалом по определению характеристик основных физических процессов, протекающих в РДС-37, его физических параметров, включая прогнозируемое энерговыделение/7, с. 377/. Приведем ряд существенных выводов из этого отчета. «Во введении указывается, что «принцип окружения разрабатывался в теоретических секторах с 1950 года».
В начале 1954 года были достигнуты первые успехи, а именно выяснена принципиальная возможность получить симметричное обжатие водородной бомбы («основного изделия») за счет лучистого теплообмена дополнительного («первичного») изделия со слоем легкого вещества («обмазка»), окружающего основное изделие. В изделиях, использующих принцип окружения, важнейшую роль играет ряд процессов, которые никогда ранее не были проверены экспериментально и не исследовались теоретически.
1. Лучистый теплообмен в полости сложной формы.
2. Проникновение тепла в «обмазку» и в «кожух», сопровождающееся разлетом в вакуум.
Согласно расчетам, предлагаемая система является надежной. Ее мощность оценена как лежащая в пределах 600-1400 тыс. тонн.
Разработка опытного устройства потребовала больших конструкторских, экспериментальных и технологических работ, проводившихся под руководством главного конструктора КБ-11 Харитона Ю. Б. В конструкторских работах активное участие принимали Фишман Д. А., Терлецкий Н. А., Юрьев Б. А., Гречишников В. Ф., Матвеев Г. И., Бронников Н. В., Коблов П. И., Кочарянц С. Г., Алексеев В. Г., Додонов П. П., Богословский И. В., Янов А. И.
В разработке линз первичного изделия принимали участие Феоктистова Е. А., Терлецкая Б. А.
В газодинамических опытах участие принимали Захаренков А. Д., Казаченко Н. А., Кустов В. С., Иванов А. Г., Тарасов Д. М., Литвинов Б. В.
В начатых в настоящее время опытах по прохождению нейтронов в модели изделия принимают участие Давиденко В. А., Сциборский Б. Д., Малинкин А. А., Антропов Г. П.
Под руководством Д.А. Фишмана, Г.А. Соснина была разработана конструкция бериллиевой оболочки из 240 трехгрупповых призм со сферическими основаниями, в стыках углов которых ставились усеченные конусы в количестве 110 шт. (бериллий получали в Подольске (июнь 1955 г.), а на заводе № 1 КБ-1 проводилось изготовление «паркета»).
Разработка фокусирующих элементов была выполнена отделом 22 сектора 3 (Е.А. Феоктистова, Б.П. Терлецкий, Ю.А. Косачанов) в июне-сентябре 1955 г.
В сентябре 1955 г. Л.М. Тимониным, В.М. Герасимовым, И.Г. Проскуриным была измерена скорость УВ в первичном изделии на модельной сборке.
Были исследованы процессы разрушения кожуха (Н.А. Казаченко, В.С. Кустов, А.Г. Иванов, А.Р. Олейник).
Создание термоядерных зарядов первого поколения было связано с решением ряда сложных технологических задач изготовления деталей заряда из специальных материалов. В качестве примера приведем освоение к 1955 г. опытным заводом КБ-11 технологии низкотемпературного прессования деталей в прецизионных пресс-формах, однако качество деталей по пластичности и разноплотности требовало существенного улучшения. К концу 50-х годов была создана уникальная технология «горячего» прессования при температурах исходного продукта, близких к плавлению. Плотность деталей была повышена почти до кристаллической, а разноплотность снижена до нескольких процентов. Технология «горячего» прессования обеспечила в дальнейшем изготовление большой номенклатуры деталей с высоким качеством плотности. Разработка технологии находилась под постоянным вниманием Ю.Б. Харитона, Б.Г. Музрукова и конструкторов КБ-11.
Одним из интересных вопросов является вопрос о том, каким образом возникли идеи об основных элементах схемы термоядерного узла РДС-37 – первого двухстадийного термоядерного заряда на принципе имплозии. По своему структурному типу этот узел аналогичен гетерогенному ядру РДС-6с, откорректированному для существенно иных граничных условий, определяющих имплозию. Можно отметить, что РДС-6с оставил в «наследство» РДС-37 целый ряд важнейших идей:
· сферическую конфигурацию термоядерного узла;
· слоеную структуру горючего из дейтерида лития-6 и урана-238;
· урановое инициирующее ядро.
Коэффициент усиления энерговыделения в РДС-37 составлял около двух порядков, в заряде не использовался тритий, термоядерным горючим был дейтерид лития, а основным делящимся материалом был U-238. Энерговыделение заряда в эксперименте составило 1,6 Мт, а так как, по соображениям безопасности населения на Семипалатинском полигоне, заряд испытывался на неполную мощность, то прогнозируемое полномасштабное энерговыделение заряда составляло 3 Мт (это тоже смелый научный шаг).
РДС-37 с самого начала проектировался как авиационный боеприпас под перспективные самолеты нового поколения и баллистические ракеты, поэтому было принято решение испытывать его сбросом с самолета Ту-16. Условия воздушного подрыва диктовались также требованиями обеспечения безопасности населения при испытании. В 1955 г. программа ядерных испытаний на Семипалатинском полигоне состояла из 5 взрывов, в том числе двух мощных воздушных взрывов: РДС-27 (06 ноября 1955 г.) мощностью 250 ктТЭ и РДС-37 (22 ноября 1955 г.) мощностью 1600 ктТЭ /3/.
Проведенные ранее в 1949, 1951, 1953 гг. на Семипалатинском полигоне наземные взрывы сопровождались серьезными загрязнениями территории Казахстана и Алтайского края за пределами полигона (радиоактивные следы протянулись, в основном, в юго-восточном направлении – преобладающем направлении ветра в осенний период). По предложению специалистов МО к началу 1955 г. территория полигона была расширена. Однако и это не решало проблемы обеспечения безопасности населения, поэтому были введены жесткие ограничения на сектор (всего 25°), внутри которого допускалось распространение радиоактивности.
Для испытания зарядов большой мощности была оборудована новая площадка П-5, центр которой располагался в пяти километрах к северу от центра опытного поля. Для физических измерений на расстояниях 700 и 1500 м от центра П-5 построили специальные подземные казематы. Дистанционное управление приборами осуществлялось впервые по уплотненной (в 8 раз) системе передачи информации. Руководство испытаниями (И.В. Курчатов) находилось на объединенном с авиацией командном пункте в научном городке полигона. Для контроля за соблюдением требований по обеспечению безопасности населения в состав Государственной комиссии по проведению испытаний был введен представитель Третьего главного управления Минздрава СССР.
Из письма А.П. Завенягина, В.Д. Соколовского, И.В. Курчатова и Ю.Б. Харитона в Президиум ЦК КПСС с представлением проекта Постановления СМ СССР «О проведении испытаний изделий РДС» 5 октября 1955 г. «... ввиду новизны процессов, лежащих в основе конструкции изделия РДС-37, возможно, что какие-либо явления не учтены или оценены недостаточно, ввиду чего успех испытания не гарантирован. Идея создания водородной бомбы на принципе использования световой энергии взрыва атомной бомбы для обжатия делящихся материалов водородной бомбы принадлежит члену-корреспонденту Академии наук Зельдовичу и академику Сахарову, под руководством которых создана теория процесса взрыва новой водородной бомбы.
Значение атомного обжатия водородной бомбы состоит в том, что эффективность использования делящихся веществ бомбы возрастает для бомб калибра диаметром 1,5 метра в 6 раз против бомб, созданных ранее. Открывается также возможность изготовления других калибров бомб мощностью в 10-100 раз больше, чем испытанные до сих пор. У нас нет прямых сведений, что процесс атомного обжатия известен американцам. Однако косвенно (по тротиловому эквиваленту испытанных ими изделий в 1954 г.) можно судить о том, что этот метод, возможно, ими использован.
Бомба была подготовлена специалистами КБ-11 и передана для подвески к самолету в 6 часов 45 минут 20 ноября 1955 г., но из-за отсутствия визуальной видимости цели и отказа радиолокационного бомбардировочного прицела бомбометание не состоялось. (На самолете устанавливались два прицела, радиолокационный и оптический.) Самолету с бомбой разрешили посадку только после того, как Я.Б. Зельдович и А.Д. Сахаров дали письменное заключение о безопасности посадки самолета с зарядом, а специалисты ВВС проанализировали все сценарии аварийной ситуации при посадке самолета. Федор Павлович Головашко, (1923-1980) летчик-испытатель, Герой Советского Союза Семипалатинский аэродром имел ограниченную взлетно-посадочную полосу для самолета с такой нагрузкой (~ 5,5 т), поэтому приземлился он с парашютным торможением, с трудом вписавшись в полосу. В дальнейшем было принято строгое решение о дублировании испытаний вторым самолетом с прицелом.
При взрыве РДС-37 впервые значимо проявилось влияние метеорологических факторов (градиентов температуры и скорости в атмосфере). В день взрыва установилась температурная инверсия (т.е. температура воздуха с высотой поднималась). Скорость ветра с высотой также увеличивалась. При таких метеоусловиях давление в звуковой волне на поверхности Земли оказалось в 2-3 раза больше, чем при стандартных метеоусловиях. Ударная волна нанесла повреждения строениям и остеклению зданий в 59 населенных пунктах (разрушено 28 тыс. м2 остекления на расстояниях до 175 км).
Созданием заряда РДС-37 был совершен прорыв в решении проблемы термоядерного оружия, а сам заряд явился прототипом всех последующих двухстадийных термоядерных зарядов СССР.
До наступления моратория на ядерные испытания в конце 1958 г. США и СССР активно развивали свои термоядерные программы. В период 1956-1958 гг. США провели 31 испытание мощных термоядерных зарядов, 30 испытаний провел СССР. Однако их результаты сильно отличались: у США в рамках этой программы было 4 неудачных испытания (отказ или существенное снижение качества работы термоядерного модуля), а у СССР было 12 неудачных испытаний. США удалось в это период существенно расширить номенклатуру термоядерных зарядов (применительно к различным средствам доставки и решаемым задачам) и улучшить их массогабаритные и военно-технические характеристики. В СССР в период 1956-1957 гг. основные усилия были сосредоточены на создании серийно-способной модернизации РДС-37. Над решением этой задачи работало КБ-11 и созданный в 1955 г. Уральский ядерный центр НИИ-1011 (ВНИИТФ), который пополнился рядом ведущих специалистов КБ-11.
Заряд разрабатывался в течение 1956-1957 гг. и был готов к испытанию в 1957 г. Однако только в феврале 1958 г. было проведено успешное испытание изделия «49» (авторы новой физической схемы и ведущие разработчики – Ю.А. Трутнев и Ю.А. Бабаев). В изделии «49» удалось существенно уменьшить габариты заряда за счет нового смелого решения задачи переноса рентгеновского излучения, определяющего имплозию. Физическая схема заряда оказалась исключительно удачной, существенно повысила характеристики термоядерных зарядов и открыла новые возможности для их применения. Заряд был передан на вооружение и впоследствии подвергался модернизации, связанной с заменой первичных источников энергии /15/. Часть этой работы (создание новых термоядерных зарядов по схеме «49») была выполнена уже в 1958 г., но это была только часть реализации необходимой программы. Основной объем работ пришелся на период 1961-1962 гг.
Заряд РДС-37 хотя и удовлетворял по уровню энерговыделения требованиям, предъявленным к боевому оснащению МБР Р-7, требовал серьезной модернизации. Разработка модернизированного заряда с самого начала стала носить острый конкурентный характер. В ней участвовали специалисты КБ-11 и НИИ-1011. Как часто бывает во всяком новом деле, специалисты пытались внести в схему заряда усовершенствования различных типов. В 1956 г. КБ-11 провело в этих целях пять испытаний термоядерных устройств. Однако проблему решить не удалось, причем в трех испытаниях был получен отказ термоядерных узлов. Это был серьезный удар, который свидетельствовал о недостаточности имевшихся в то время представлений о процессах, происходивших в зарядах типа РДС-37. В это же время НИИ-1011 на базе конструкции РДС-37 также разрабатывал мощные термоядерные заряды. В ряде случаев его разработки также преследовали серьезные неудачи. Но одно из испытаний 1957 г. по модернизации РДС-37 показало хороший результат. Это было испытание заряда, проводившееся со специальным снижением энерговыделения в интересах безопасности. В результате было принято решение: «принять для носителя Р-7 заряд КБ-11, состоящий из термоядерного узла НИИ-1011 и первичного атомного заряда на базе РДС-4; испытание заряда (модернизация РДС-37) провести на полную мощность взрыва». Заряд для ракеты Р-7 испытывался в корпусе авиабомбы. Ввиду высокой расчетной мощности термоядерного заряда и в соответствии с принятым решением о проведении полномасштабного взрыва, его испытание проводилось на Северном полигоне.
Разработка заряда сверхбольшой мощности была начата в 1956 г. в НИИ-1011 и получила название «проект 202». Этот проект представлял собой развитие принципов РДС-37 и был ориентирован на достижение энерговыделения в 30 Мт. В качестве боеприпаса, использующего такой термоядерный заряд, предполагалась авиабомба, для которой разрабатывались необходимый корпус и парашютная система. Следует отметить, что по своим габаритным характеристикам эта авиабомба не помещалась внутри бомбового отсека тяжелого бомбардировщика Ту-95, который поступил на вооружение в 1957 г. 6 июня 1956 г. НИИ-1011 выпускает отчет с обоснованием характеристик заряда РДС-202 с расчетной мощностью 38 Мт