Ссылка на полный текст: Грешилов А. А. и др. Ядерный щит. | Электронная библиотека | История Росатома
Навигация:
О чём эта книга
Четыре пути получения ядерной взрывчатки
Недостатки реактора А
Кувалдой по заклинившим урановым блокам
Аббревиатура РДС
РДС-бс
Термоядерная бомба и три идеи
Третья идея: двухступенчатая конструкция термоядерного заряда
Ядерная безопасность: переход на внешний источник нейтронного инициирования
Бустинг — заполнение полого ядра из делящихся материалов смесью дейтерия и трития (американский патент, апрель 1944 года)
Увеличение КПД атомного заряда
В воспоминаниях И.В .Благова ярко и образно представлены жизнь, быт и дух, царившие в трех ведущих организациях отечественного ядерного оружейного комплекса - РФЯЦ-ВНИИЭФ, РФЯЦ-ВНИИТФ и ВНИИА.
Блатов - работает в атомной отрасли России с 1950 года по настоящее время, являясь признанным специалистом в вопросах создания систем автоматики, приборов и разработки контрольноиспытательной аппаратуры для ЯБП. Он принимал активное участие в проведении нескольких наземных испытаний
... электромагнитное разделение урана;
диффузионное разделение урана;
разделение урана на центрифугах с получением делящегося изотопа урана-235;
получение плутония-239 с помощью управляемой самоподдерживающейся цепной ядерной реакции.
В то время нельзя было сказать, каким из этих способов будет легче и дешевле получить ядерную взрывчатку. И работы в США велись по всем программам». Как видим, примерно такую же программу работ предложил Курчатов, за исключением работ по разделению урана на центрифугах для получения делящегося изотопа урана-235. Он хорошо понимал, что овладение методом центрифуг потребует исключительно сложного оборудования, аппаратуры и автоматизации, которыми наша страна не располагала, а в условиях только что окончившейся войны и разрушения почти всех отраслей промышленности это тем более было невозможно. В скором освоении методов диффузии и электромагнитного способа, как нам кажется, у Курчатова особой уверенности не было. Надо также заметить, что он никогда и нигде никаких сомнений не высказывал. Но главные силы, все свое умение и талант он направлял на освоение реакторной технологии, на уранграфитовые реакторы, поскольку считал, что создание уранграфитового реактора быстрее всего приведет к изготовлению ядерного оружия.
В своих воспоминаниях Гончаров пишет: «Работая с конца 1946 г. заместителем начальника ПГУ в качестве куратора и ответственного вместе с И.К. Кикоиным за освоение метода получения с помощью газовой диффузии высокообогащенного урана-235, я ощущал, чувствовал, что И.В. Курчатов в своей ядерной программе не считал задачу получения урана-235 главной, первоочередной. Все его помыслы и силы были отданы быстрейшему получению плутония-239. Это было видно по его отношению к объекту № 813. Туда он наезжал очень редко, и его визиты были очень кратковременными, фактически даже без ночевки. В то же время на объекте № 817, где сооружался уранграфитовый реактор, он бывал часто, а затем и просто жил там, следя за всем и концентрируя там все свои научные силы и руководство Спецкомитета и ГНУ. Как видно, при таком решении всей проблемы отпадает необходимость разделения изотопов урана, который используется и как топливо, и как взрывчатое вещество».
В поставленных в реактор алюминиевых каналах в первой загрузке не была сделана анодировка поверхности труб. Из-за контакта «графит—вода—алюминий» возник интенсивный коррозионный процесс. Эксплуатировать реактор с этими трубами стало невозможно. Возникла сложнейшая проблема замены каналов и сохранения урановых блоков. Разгрузить урановые блоки через сконструированную систему разгрузки было возможно. Прохождение их вниз по технологическому тракту «канал—шахта разгрузки—кюбель—бассейн выдержки» привело бы к механическим повреждениям оболочек блоков, не допускающим повторную загрузку их в реактор. А запасная загрузка урана в то время была невозможна, так как количества добываемого урана было еще недостаточно. Нужно было сохранить уже частично облученные, но сильно радиоактивные урановые блоки. По предложению А.П. Завенягина попытались извлечь разрушенные трубы и, оставив в графитовых трактах урановые блоки, поставить новые, анодированные трубы. Однако сделать это оказалось невозможно, так как при извлечении разрушенных труб, которые имели для центровки урановых блоков внутренние ребра, центровка столба блоков нарушилась — блоки смещались к стенкам графитовых кирпичей.
Работники службы главного механика реактора В.П. Григорьев и И.А. Садовников по предложению Г.В. Крутикова разработали приспособления — штанги, которые позволяли с помощью специальных присосок извлекать урановые блоки из разрушенных технологических труб через верх в центральный зал реактора. Пришлось пе- реобучивать участников извлечения блоков. Предстояло выбирать: либо остановить реактор на длительный период, который, по оценке Ю.Б. Харитона, мог составить один год, либо спасти урановую загрузку и сократить потери в наработке плутония. Руководство ПГУ и научные руководители приняли второе решение. К этой «грязной» операции привлекли весь мужской персонал объекта. Урановые блоки предполагалось затем использовать для повторной загрузки в новые трубы из алюминиевого сплава с защитным анодированным покрытием. Однако для намокшей графитовой кладки, имеющей в работающем реакторе температуру свыше 100 °С, требовалась сушка перед постановкой в активную зону новых ТК и загрузкой реактора ураном. Обо всем этом было доложено руководителю Специального комитета Л.П. Берия.
Технологический процесс подготовки передачи урановых блоков на радиохимический завод включал операцию отделения рабочих урановых блоков от холостых алюминиевых, загружаемых в ТК ниже активной зоны. В каждом выгруженном из шахты разгрузки кюбеле с блоками, имеющими несколько каналов, находилось примерно 40% холостых блоков. В отделении готовой продукции вручную специальными приспособлениями под водой эти блоки рассортировывались. Затем в специальных вагонах-контейнерах их перевозили на радиохимическую переработку. Холостые блоки, изготовленные из «авиаля», отправляли в специальные могильники — забетонированные в земле емкости, находящиеся на территории объекта. Аварийные ситуации иногда возникали и при выполнении этих операций.
При ликвидации отдельных аварий дозы радиационного воздействия были недопустимо велики. Особенную опасность представляло заклинивание урановых блоков, находящихся в кюбелях и извлекаемых из разгрузочной шахты. Иногда последствия таких работ были трагическими. На первых порах устранение заклинивания урановых блоков проводилось вручную: вся смена выстраивалась в очередь, бегом пробегала в реакторный зал, кувалдой била по зависшим блокам и выбегала из зала. После этого проводилась «дезактивация» организма сотрудника спиртом. Работы по ликвидации последствий «зависания» блоков обусловливали необходимость проведения калибровки графитовых ячеек и даже их рассверливания специально разработанными штангами и фрезами. При этом требовалось прослеживать ход операции в каждой графитовой ячейке, в связи с чем была создана система ведения истории ТК. Эту работу выполняла специальная группа учета работы реактора (ГУРА). В течение нескольких лет ею руководил Г.Б. Померанцев — будущий член-корреспондент АН Казахской ССР.
При дальнейшей эксплуатации реактора была выявлена масса недоработок в системах контроля за ведением технологического процесса, который непрерывно совершенствовался. Условия работы приблизились к норме только спустя несколько лет после начала эксплуатации реактора. Промышленный реактор — основная база наработки радиоизотопов, измерения некоторых ядерных констант и радиобиологических исследований.
Первой атомной бомбе дали обозначение РДС-1. Расшифровывалось оно по-разному: «Россия делает сама», «Родина дарит Сталину» и т. д. Но в официальном постановлении Совета министров СССР от июня 1946 г. РДС был назван реактивным двигателем «С».
Самая распространенная расшифровка знаменитого сокращения РДС — «Россия делает сама» — была придумана Кириллом Ивановичем Щёлкиным, заместителем Ю.Б. Харитона по научной работе, одним из самых активных, творческих сотрудников КБ-11. И надо сказать, эти слова очень точно выражают суть работ над первой бомбой.
Политическое, военно-промышленное и научное руководство программой создания первой советской атомной бомбы было удовлетворено результатами ее испытания: «Россия дала сдачи» (еще одна расшифровка «РДС»).
Главное значение разработки и испытания РДС-бс состоит в проведении большого объема ядерно-физических лабораторных экспериментов, позволивших внести ясность в описание процессов термоядерного взрыва, и создании математических методов расчета этого сложнейшего явления. Тот факт, что при испытании РДС-бс впервые было использовано сухое ядерное горючее, также сыграл основополагающую роль в развитии термоядерных вооружений. Созданная в связи с разработкой РДС-бс научная и технологическая база позволила в очень короткие сроки подготовить и испытать термоядерный бинарный заряд РДС-37, тот, который лег в основу всего оборонного ядерного щита СССР и России.
В конце 1953 г. совместными усилиями физиков КБ-11 (группа Я.Б. Зельдовича) и московских ученых (И.Е. Тамм, И.Я. Померанчук, Д.И. Блохинцев) был сделан вывод о бесперспективности работ по «трубе» (РДС-бт). В задачах, сформулированных для КБ-11 на г., это направление уже не значилось. Отказ от вариантов, которые не обещали необходимых результатов, не привел, однако, к быстрому успеху в создании принципиально новой конструкции, получившей впоследствии индекс «РДС-37». Этому есть объективные (и, возможно, субъективные) причины.
В самых общих чертах третью идею, т. е. предположение о возможности создать сверхмощную бомбу путем обжатия «слойки» дополнительным атомным взрывом, Сахаров сформулировал еще в начале 1949 г. Но создание этой новой двухступенчатой конструкции термоядерного заряда потребовало более 5 лет. Напомним, что среди материалов, переданных К. Фуксом нашей разведке в 1948 г., имелось конкретное описание схемы и параметров.
Следующий шаг «классического супера», так американцы называли термоядерный заряд, над которым работали (под руководством Э. Теллера) с 1942 г. В этих материалах предлагалась новая по сравнению с проектом 1945 г., также переданным К. Фуксом в СССР, система инициирования, суть которой состояла в использовании явления радиационной имплозии. Таким образом, в материалах К. Фукса был сформулирован впервые в истории один из важнейших принципов создания двухступенчатой конструкции термоядерного заряда. Как указывает Г.А. Гончаров, К. Фукса можно считать автором этой принципиально новой физической схемы. Она была предложена им весной 1946 г., соавтором являлся Дж. фон Нейман. Воспользоваться этой очень содержательной схемой в конце 1940-х годов не смогли ни в США, ни в СССР. Для ее реализации требовалось глубоко разобраться в ряде сложнейших физических процессов. Такое понимание, в свою очередь, не могло произойти без проведения огромных по объемам и трудности математических расчетов. Тогда еще не были созданы необходимые методы математического моделирования, а в СССР не имелось и вычислительной техники, которая позволила бы с должной точностью обсчитать физические модели явления. Кроме того, в СССР круг лиц, допущенных к знакомству со строго засекреченными материалами К. Фукса 1948 г., был очень ограничен. Поэтому о развитии мозгового штурма, который (как показало будущее) вполне мог бы привести к успеху, говорить не приходилось. Так или иначе, после испытания 1953 г. к новой идее, которая легла в основу современного термоядерного оружия, советские физики пришли не сразу.
Окончательно к осознанию и формулировке основных положений нового принципа радиационной имплозии в Советском Союзе пришли только в 1954 г. Появилась изящная идея об использовании энергии рентгеновского излучения атомного заряда для переноса энергии и обжатия основного термоядерного узла.
В памяти всех участников работ сохранился внезапный характер ее появления. Она связана прежде всего с именами Я.Б. Зельдовича и А.Д. Сахарова. Андрей Дмитриевич своими теоретическими построениями строго обосновал реальность создания нового заряда, о чем в 1991 г. вспоминал его соратник Ю.А. Романов, называя Сахарова отцом водородной бомбы. А вот что писал участник работ над первым советским двухступенчатым зарядом РДС-37 физик-теоретик Л.П. Феоктистов: «Внезапно появились, как свет в темном царстве, новые идеи, и стало ясно, что наступил “момент истины”. Молва приписывала эти основополагающие мысли в духе Теллера то Я.Б. Зельдовичу, то А.Д. Сахарову, то обоим, то еще кому-то, но всегда в какой-то неопределенной форме: вроде бы, кажется и т. п. К тому времени я был хорошо знаком с Я.Б. Зельдовичем. Но ни разу не слышал от него прямого подтверждения на этот счет (как, впрочем, и непосредственно от А.Д. Сахарова)».
Для формирования направленности переноса энергии по предложению А.Д. Сахарова первичные и вторичные модули были заключены в единую оболочку, обладавшую хорошим качеством для отражения рентгеновского излучения, а внутри заряда обеспечены меры, облегчавшие перенос рентгеновского излучения в нужном направлении. В ходе этой работы Ю.А. Трутнев предложил способ концентрации энергии рентгеновского излучения во внешнем слое термоядерного узла за счет его быстрого разогрева и увеличения давления, что позволяло эффективно осуществлять радиационную имплозию. Началась интенсивная расчетно-теоретическая проработка физической схемы новой водородной бомбы, а также исследование характеристик протекающих в ней физических процессов.
Следует отметить большую роль, которую сыграл в выработке третьей идеи А.Д. Франк-Каменецкий. Сам А.Д. Сахаров в своих «Воспоминаниях» описывал этот прорыв к истине в таких сдержанных словах: «По-видимому, к “третьей идее” одновременно пришли несколько сотрудников наших теоретических отделов. Одним из них был и 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.
Уже при разработке первых образцов ядерных зарядов стала очевидной проблема обеспечения безопасности ядерного оружия. Радикальным способом, повысившим степень ядерной взрывобезопасности, был переход на внешний источник нейтронного инициирования, что уменьшало вероятность возникновения ядерного взрыва в условиях аварии на несколько порядков. В ноябре 1948 г. Я.Б. Зельдович и В.А. Цукерман (на год раньше, чем в США) предложили новый принцип нейтронного инициирования — внешний источник нейтронов, входящий в состав автоматики бомбы, который позволял в 1,5 раза увеличить мощность ядерного заряда, а самое главное -- повысить надежность и безопасность ядерных зарядов.
Многим тогда эта идея казалась технически неосуществимой, однако уже в 1954 г. был успешно испытан заряд с внешним инициированием. Один из основных вопросов безопасности ядерного оружия связан с поведением ядерного боеприпаса в условиях случайного, нецеленаправленного подрыва взрывчатого вещества, входящего в состав боеприпаса. Как правило, многие виды подобных ситуаций могут моделироваться работой боеприпаса при подрыве взрывчатого вещества в одной точке (одноточечная безопасность). В 1957 г. Я.Б. Зельдович и А.Д. Сахаров отмечали, что в условиях аварийного подрыва взрывчатых веществ многих ядерных зарядов в случае возникновения цепной реакции может быть получено значительное ядерное энерговыделение — десятки и даже сотни тонн тротилового эквивалента. В рамках экспериментального исследования этой проблемы 26 августа 1957 г. было проведено испытание мощного тактического ядерного заряда с подрывом взрывчатых веществ в одной точке, имитирующее аварийную ситуацию.
В 1958 г. состоялись испытания нового типа термоядерного заряда «изделие 49», который явился следующим шагом в формировании облика термоядерных зарядов. Идеологами этого проекта и разработчиками физической схемы заряда стали Ю.А. Трутнев и Ю.Н. Бабаев (Арзамас-16). Особенность нового заряда состояла в том, что при использовании основных принципов РДС-37 в нем удалось существенно уменьшить габаритные размеры за счет нового смелого решения задачи переноса рентгеновского излучения, определяющего имплозию. Физическая схема заряда («изделие 49») оказалась исключительно удачной, в результате заряд был передан на вооружение армии и флота.
В конце 1958 г. в КБ-11 успешно прошел испытание новый термоядерный заряд по схеме изделия 49 для оснащения межконтинентальной стратегической ракеты Р-7А. По сравнению с зарядом Р-7, разработанным для оснащения первого варианта этой межконтинентальной баллистической ракеты, при сохранении энерговыделения были радикально уменьшены массогабаритные параметры. В качестве первичного атомного заряда использовался заряд с газовым ТО-усилением (в иностранной терминологии «бустинг»).
Один из решающих моментов в развитии ядерных зарядов, в особенности первичных атомных зарядов для стадийного термоядерного оружия, — возможность использования в ядерных зарядах термоядерного усиления. Когда ядерный заряд срабатывает, его центральная часть подвергается действию высоких давлений и температур, определяемых имплозией центральной части и процессами деления. Характерные уровни давлений составляют десятки миллионов атмосфер, а характерные уровни температуры — десятки миллионов градусов. Эти условия в центре обжимаемого ядра достаточны для инициирования термоядерных реакций. Термоядерные нейтроны благодаря своей высокой энергии эффективно взаимодействуют с ядрами делящихся материалов. Импульс термоядерных реакций вызывает развитие цепной реакции, что многократно увеличивает эффективность процесса деления.
В СССР проблемой термоядерного усиления в 1954 г. занималось КБ-11 (Я.Б. Зельдович, Л.П. Феоктистов). Первоначально, как и в Великобритании, было проведено испытание ядерного заряда, в котором термоядерное усиление осуществлялось термоядерным горючим в виде дейтерида-тритида лития («Челябинск-70»). После этого в 1957 г. успешно прошло испытание заряда с термоядерным усилением DT-газом (КБ-11, Я.Б. Зельдович, С.Б. Кормер, В.Г. Морозов, В.П. Жогин). В этих испытаниях была доказана как возможность, так и эффективность процесса термоядерного усиления. Результаты испытаний послужили основой для широкого развития данной технологии в ядерной оружейной программе СССР.
Важной вехой в создании термоядерных зарядов этого поколения была реализация идеи по существенному увеличению КПД атомного заряда. Успех был достигнут за счет так называемого бустерного режима срабатывания, что позволило сократить расход делящихся материалов, повысить надежность зарядов и существенно уменьшить их массу и габариты. Первое испытание такого экспериментального 186 Глава 2. Создание термоядерного оружия атомного заряда мощностью 12 кт состоялось 28 декабря 1957 г. на Семипалатинском полигоне. В ноябре 1958 г. СССР и США объявили мораторий на ядерные испытания, который продолжался по 31 августа 1961 г.
Период 1959—1961 гг. примечателен появлением новых физических идей и конструкторских решений, развитием расчетно-теоретической и экспериментально-исследовательской базы. В то время были начаты работы по малогабаритным первичным зарядам, работающим в бустерном режиме, выдвинуты предложения по направленному выводу излучения, по новым многоступенчатым физическим схемам, позволяющим повышать мощность зарядов мегатонного класса. Появились и другие идеи и предложения, которые легли в основу новых образцов зарядов, испытанных позже — в 1961 — 1962 гг., а затем в условиях подземных испытаний. Появление зарядов нового поколения потребовало решения ряда конструкторских, металловедческих, технологических, исследовательских и методических задач.
В течение 1958—1960 гг. были выявлены потребности армии в ядерном оснащении комплексами оружия различного назначения и с некоторым запасом определена номенклатура новых зарядов. К 1961 г. были проработаны проекты экспериментальных зарядов повышенной удельной мощности стратегического назначения и разработана документация к ним. Серия испытаний 1961-1962 гг. подвела итоги первою этапа в развитии ядерных зарядов и создании научно-технической базы для их разработки. Далее началась беспрецедентная по масштабам и результатам работа по созданию ядерного арсенала страны, которая продолжалась до конца 1980-х годов.