Ссылка на полный текст: Волошин Н. П. К истории отечественного атомного проекта. — 2009 — Электронная библиотека «История Росатома»
Навигация:
Разведданые о принципиальном устройстве атомной бомбы
Создание первой советской атомной бомбы
Испытание первой советской атомной бомбы 29 августа 1949 года
Левитирующее ядро
Уменьшение диаметра и массы ядерных зарядов. Первый отказ заряда на испытаниях
Сведения о водородной бомбы проекта Super попадают в СССР
Работы над водородной бомбой в СССР идут по двум направлениям: возможность осуществления ядерной детонации в дейтерии и системы со слоями из урана и термоядерного горючего
Идея «слойки» и идея применения дейтерида лития-6 положены в основу разработки первой советской водородной бомбы РДС-бс
Alarm Clock и первый советский термоядерный заряд РДС-бс
Заряд РДС-27 представлял собой модернизацию РДС-бс на основе использования исключительно дейтерида лития (без использования трития)
Ю.А. Трутнев: способ концентрации энергии рентгеновского излучения в материальном давлении
Основной результат разработки РДС-бс — первый двухстадийный термоядерный заряд РДС-37 на принципе имплозии
Создание в США двухстадийных термоядерных зарядов с энерговыделением от 1,7 Мт до 15 Мт
Уменьшение массо-габаритах характеристик РДС-37 при росте энерговыделения: «изделие 49»
Поиски месторождений урана
Проблемы, связанные с наработкой ядерного горючего и исследованием его физико-технических и ядерных характеристик
Первый путь к получению делящихся материалов: создание уран-графитовых реакторов
Второй путь к получению делящихся материалов: создание тяжеловодных реакторов (на основе урана и тяжелой воды)
Технологии получения обогащенного урана: газодиффузионная, электромагнитная и центрифужная
Первый серийный завод для производства атомных бомб
Обеспечение безопасности ядерных боеприпасов
Испытания в горизонтальных горных выработках (штольнях или туннелях) на Семипалатинском и Новоземельском полигонах
Испытания в скважинах
Групповые испытания
Радиационная обстановка в местах проведения подземных испытаний
В годы войны разведданных о немецких работах над атомным проектом непосредственно из Германии не поступало. Кое- что из того, что там делалось, постепенно (и с опозданием) становилось известным через разведку в Англии и США. Об устройстве атомной бомбы первые данные поступили от агентуры из Великобритании. Позже появились данные из США. Перечень полученных данных и комментарии И.В.Курчатова к ним кратко заключаются в следующем.
1941-1942 годы. По данным из Великобритании: Перспективным материалом для создания атомной бомбы является уран-235, обладающий свойствами эффективного расщепления и являющийся одним из изотопов природного урана. Количество вещества меньше критического значения устойчиво и безопасно, в то время как в случае массы вещества больше критической возникает прогрессирующая реакция расщепления ядер, вызывающая колоссальный силы взрыв. С этой целью при создании атомной бомбы активная часть должна состоять из двух равных половинок, каждая из которых меньше критического значения, но в своей сумме превышающих критическую массу, и которые для производства взрыва должны быть соединены (принцип сближения). Необходимая скорость сближения масс оценена в 6000 футов в секунду (1,8 км/сек.).
Отмечается, что при уменьшении этой скорости происходит затухание цепной реакции и уменьшение силы взрыва, 40 которая, однако, все еще значительно превосходит силу взрыва обычного ВВ. Отмечается, что энерговыделение взрыва атомной бомбы будет соответствовать действию взрыва 1600 тонн тротила. год. Также по данным из Великобритании: Стало известно о возможности использования в качестве материала для атомной бомбы элемента 94 с массовым числом 239 (плутоний-239), который может нарабатываться в урановых котлах. В связи с данными из Великобритании о процессе самопроизвольного деления урана И.В.Курчатов отмечает, что этот процесс не позволяет до самого момента взрыва сосредотачивать уран в надкритической массе. Кроме того, И.В.Курчатов отметил, что принцип сближения для создания атомной бомбы не является для нас новым и аналогичный проект был предложен Г.Н.Флеровым.
Данные о количестве и спектре вторичных нейтронов и величине сечения деления урана-235 очень важны для определения минимального размера бомбы (критической массы) урана-235. И.В.Курчатов формулирует тезис, что сообщение о возможности получения в урановом котле эка-осмия (плутония) может привести к получению необходимого материала для атомной бомбы. год. Получена информация о разработке в США двух способов производства взрыва атомной бомбы: баллистического (принцип сближения); метода внутреннего взрыва (принцип имплозии). Расчетное энерговыделение атомной бомбы массой около 3 тонн составляет от 2000 до 10000 тонн ВВ. Ядсрный взрыв будет сопровождаться не только образованием взрывной волны, но и развитием высокой температуры и мощным радиоактивным эффектом.
По оценке И.В.Курчатова, «метод взрыва вовнутрь представляет большой интерес, принципиально правилен и должен быть подвергнут серьезному анализу». Поступила информация об использовании в США в атомной бомбе отражателя нейтронов из окиси бериллия и данные по способу симметризации эффекта взрыва в атомной бомбе на основе имплозии за счет способа расположения детонаторов и использования прослоек взрывчатых веществ различного действия. К концу 1945 года получены подробные данные об устройстве атомной бомбы США на принципе имплозии, включая описание: нейтронного инициатора в виде полоний-бериллиевого источника нейтронов; активного материала в виде 5-фазы плутония; оболочки из металлического урана; алюминиевой оболочки; взрывчатого вещества и симметризующей линзовой системы; особенностей сборки атомной бомбы.
Полученные разведданные направлялись на анализ и проверку ученым, привлекаемым к работам над советским атомным проектом. Поступающая информация обеспечивала своевременную коррекцию направлений их поисков, подтверждала принципиальную возможность решения возникающих проблем, предостерегала от тупиковых путей, сокращала сроки соответствующих разработок. И хотя разведданные не освобождали исполнителей атомного проекта от собственных исследований, разработки технологий, создания соответствующих производств, они самым серьезным образом способствовали успешной реализации атомного проекта в кратчайшие сроки. В этом заключается значение и вклад разведки в успех важнейшего начального этапа этого проекта.
К моменту проведения испытания первой советской атомной бомбы было проведено 84 заседания Специального комитета. За период 1945-1949 гг. по вопросам советского атомного проекта было принято свыше 1000 постановлений и распоряжений ГКО, СНК и СМ СССР. Задачей Первого главного управления было непосредственное руководство научно-исследовательскими, проектными, конструкторскими организациями и промышленными предприятиями по использованию атомной энергии и производству атомных бомб. При Специальном комитете был образован Технический совет, председателем которого стал Б.Л.Ванников, а заместителем председателя вскоре был назначен И.В.Курчатов. 10 декабря 1945 г. постановлением СМ СССР№3061-915сс при Специальном комитете в дополнение к Техническому Совету был организован Инженерно-технический совет под председательством М.Г.Первухина. Первое заседание Специального комитета, состоявшееся 24 августа 1945 г., открылось программным докладом И.В.Курчагова.
На заседании Специального комитета 28 сентября 1945 г. было утверждено постановление Технического Совета Специального комитета о дополнительном привлечении к работам по проблеме использования атомной энергии научных учреждений, ученых и специалистов. Постановление предусматривало проведение в 20 научных организациях конкретных научно-исследовательских работ. В числе первых из привлеченных научно-исследовательских институтов был НИИ-6 Наркомбоеприпасов, которому поручалось «провести опыты по обжатию металлического шара взрывной волной от шарового слоя тола». Специальный комитет действовал в течение неполных 8 лет и был ликвидирован решением Президиума ЦК КПСС от 26 июня 1953 г. сразу же после ареста Л.П.Берия.
Одновременно с ликвидацией Специального комитета ПГУ было преобразовано в Министерство среднего машиностроения СССР. Деятельность Специального комитета и ПГУ охватывала важнейший период осуществления советского атомного проекта - организацию и становление атомной промышленности в СССР, создание и испытание первой советской атомной бомбы РДС-1 и усовершенствованных атомных бомб РДС-2, РДС-3, РДС-4, РДС-5, а также разработки и фактического завершения создания первой советской водородной бомбы РДС-бс.
В декабре 1945 г. при Спецкомитете был образован Инженерно-Технический Совет с пятью секциями по соответствующим направлениям деятельности: № 1 - по промышленным уран-графитовым реакторам и радиохимическим производствам (председатель секции М.Г.Первухин); №2 - по газодиффузионным разделительным производствам (председатель секции В.А.Малышев); №3 - по производствам, связанным с электромагнитным способом разделения изотопов (председатель секции Г.В. Алексенко); 59 №4 - по проектированию и сооружению установок и предприятий производства химического сырья, конструированию и изготовлению оборудования для них (председатель секции А.Г.Касаткин); №5 - по проектированию и сооружению горнометаллургических предприятий, конструированию и изготовлению оборудования для них (председатель секции А.П.Завенягин). В апреле 1946 г. Технический Совет и Инженерно-Технический Совет были объединены в Научно-технический Совет ПТУ. Одними из первых практических шагов Спецкомитета и ПГУ были решения о создании производственной базы ядерного оружейного комплекса. В 1946 году был принят ряд важнейших решений в связи с этими планами. Одно из них касалось создания при Лаборатории №2 специализированного КБ по разработке ядерного оружия.
9 апреля 1946 года Совет Министров СССР принял закрытое постановление №806-327 о преобразовании сектора №6 Лаборатории №2 в конструкторское бюро КБ-11. Так была названа организация, призванная создать «изделие», то есть атомную бомбу. Указанным постановлением определялось и руководство КБ-11. Его начальником был назначен П.М.Зернов, главным конструктором - Ю.Б.Харитон. К моменту принятия постановления вопрос о создании КБ-11 был детально проработан. Уже было определено его месторасположение с учетом специфики будущей работы. С одной стороны, особо высокая степень секретности намечаемых работ, необходимость проведения взрывных экспериментов предопределяли выбор малонаселенной, скрытой от визуальных наблюдений местности. С другой - не следовало чрезмерно удаляться от предприятий и организаций - соисполнителей атомного проекта, значительная часть которых находилась в центральных районах страны. Немаловажным фактором было наличие на территории будущего КБ производственной базы и транспортных артерий. Таким подходящим местом оказался район поселка Сарова на границе Горьковской области и Мордовской АССР (ныне г.Саров Нижегородской области, известный также как Арзамас-16).
К середине 1946 года к основным структурам начального этапа атомного проекта относились: Спецкомитет, ПГУ, Лаборатория №2, КБ-11 и проектируемые комбинаты №813 (Свердловск-44, Новоуральск), №814 (Свердловск-45, Лесной) и №817 (Челябинск-40, Озерск). Основные проблемы начального этапа. Создание атомной бомбы требовало решения исключительно широкого круга физических и технических вопросов, связанных с проведением обширной программы расчетно-теоретических исследований, проектно-конструкторских и экспериментальных работ. Прежде всего, предстояло провести исследования физикохимических свойств делящихся материалов, разработать и апробировать методы их литья и механической обработки. Необходимо было создать радиохимические методы извлечения различных продуктов деления, организовать производство полония и разработать технологию изготовления источников нейтронов. Требовались методики определения критической массы, разработка теории эффективности или КПД, а также теории ядерного взрыва в целом.
Особый раздел обширных изысканий был связан с теорией сходящейся детонационной волны, вопросами детонации взрывчатых веществ и процессами, происходящими с фронтом детонационной волны при переходе детонации из одного ВВ в другое, при столкновении детонационных волн, исходящих из различных точек. Невозможно было обойтись без изучения сжимаемости металлов при больших давлениях и огкольных явлений. Нужны были лабораторные методы исследования газодинамических процессов, протекающих при взрыве сферического заряда ВВ, и методы определения параметров ядерного взрыва при полигонных испытаниях.
Серьезные задачи были связаны с разработкой специальных электродетонаторов, приборов автоматики, корпуса авиационной бомбы, отработкой его баллистики и созданием узлов подвески, а также аппаратуры для изучения быстро протекающих процессов. Наконец, немаловажный круг проблем требовалось решить в связи со строительством специального полигона для проведения ядерных испытаний. Приведенное краткое перечисление тех направлений, в которых развернулись работы, далеко не исчерпывает всего содержания деятельности, требовавшей осуществления для успешного завершения атомного проекта.
В период с 10 по 26 августа было проведено 10 репетиций по управлению испытательным полем и аппаратурой подрыва заряда, а также три тренировочных учения с запуском всей аппаратуры и четырьмя подрывами натурных ВВ с алюминиевым шаром от автоматики подрыва. Тренировочные учения подтвердили хорошее качество сборки заряда, безотказность подрыва и взрывной линии, готовность всех служб и состава натурного испытания. После проведения генерального тренировочного опыта система управления была передана К.И. Щелкину, в ведении которого она находилась до ядерного испытания. августа специальным поездом на полигон были доставлены плутониевый заряд и четыре нейтронных запала, один из которых должен был использоваться при подрыве боевого изделия. Научный руководитель опыта И.В. Курчатов, в соответствии с указанием Л.П. Берия, отдал распоряжение об испытании РДС-1 29 августа в 8 часов утра местного времени. В ночь на 29 августа 1949 года была проведена окончательная сборка заряда. Сборку центральной части с установкой деталей из плутония и нейтронного запала проводила группа в составе Н.Л. Духова, Н.А.Терлецкого, Д А.Фишмана и В.А.Давиденко. Окончательный монтаж заряда был завершен к 3 часам утра 29 августа под руководством А.Я.Мальского и В.И.Алферова. Члены Специального комитета Л.П.Берия, М.Г.Перву- хин и В. А.Махнев контролировали ход заключительных операций. К 6 часам утра заряд подняли на испытательную башню, было завершено его снаряжение взрывателями и подключение к подрывной схеме. Из-за ухудшения погоды со сдвигом раньше на один час стали проводиться все работы, предусмотренные по утвержденному регламенту.
В 6 часов 35 минут операторы включили питание системы автоматики, а в 6 часов 48 минут был включен автомат испытательного поля. Ровно в 7 часов утра 29 августа 1949 года вся местность озарилась ослепительным светом, который ознаменовал, что СССР успешно завершил разработку и испытание первой атомной бомбы. Л.П.Берия поздравил всех с успешным испытанием, а И.В.Курчатова и Ю.Б.Харитона расцеловал. Но внутри, видимо, у него оставались еще какие-то сомнения в полноте взрыва, поскольку он не стал сразу звонить и докладывать И.В.Сталину об успешном испытании, а поехал на второй наблюдательный пункт, где находился физик-ядерщик М.Г.Мещеряков, который в 1946 году присутствовал на показательных испытаниях атомных зарядов США на атолле Бикини. На втором наблюдательном пункте Л.П.Берия также поздравил М.Г.Мещерякова, Я.Б.Зельдовича, Н.Л.Духова и других участников испытания. После этого он придирчиво расспрашивал Мещерякова о внешнем эффекте американских взрывов. Мещеряков заверил, что наш взрыв по внешней картине превосходит американские. Получив подтверждение очевидца, Берия поехал в штаб полигона с тем, чтобы сообщить Сталину об успешном испытании.
Через 20 минут после взрыва к центру поля были направлены два танка, оборудованные свинцовой защитой, для проведения радиационной разведки и осмотра центра поля. Разведкой было установлено, что все сооружения в центре поля снесены. На месте башни образовалась воронка, почва в центре поля оплавилась и образовалась сплошная корка шлака. Гражданские здания и промышленные сооружения были полностью или частично разрушены. Использованная в опыте аппаратура позволила провести оптические наблюдения и измерения теплового потока, параметров ударной волны, характеристик нейтронного и гамма-излучений, определить уровень радиоактивного загрязнения местности в районе взрыва и вдоль следа облака взрыва, изучить воздействие поражающих факторов ядерного взрыва на биологические объекты. Энерговыделение первой советской атомной бомбы составило 22 килотонны тротилового эквивалента.
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 взрывчатых веществ, применяемых в фокусирующих элементах. После испытания первой атомной бомбы РДС-1 усилия разработчиков были сосредоточены на совершенствовании конструкции заряда и его технических характеристик.
... решение о создании усовершенствованных вариантов атомных бомб было принято постановлением СМ СССР еще в июле 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 со времен 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).
Отметим, что принцип левитации 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
1953 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 наработанное 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.
В ходе 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.
В 1953 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 а-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, отличающихся 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. Одним из ведущих разработчиков системы внешнего нейтронного инициирования был А.А.Бриш. 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 объекты Военно-морского флота и создания теории подводного применения атомного оружия. США к тому времени уже провели подводный ядерный взрыв в районе атолла Бикини и еще одно подводное испытание в акватории Тихого океана. В ходе испытаний 1955 года продолжалась проверка работы зарядов с новыми системами нейтронного инициирования и различными типами левитирующей системы размещения делящихся материалов. По сравнению с исходными зарядами РДС 1951 года к 1955 году удалось добиться уменьшения диаметра ядерных зарядов в три раза, а их массы - более чем в семь раз.
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 цилиндре 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.
В конце 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. В 1946 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 D-Т смесью, а также описание ряда физических процессов, происходящих при зажигании этой смеси. В целом это была исключительно важная информация, содержавшая выдающиеся идеи.
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 ядер- ного 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.Щелкин). 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-бт («Труба»), а водородная бомба слоеной конфигурации - индекс РДС-бс («Слойка»), 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.
Как известно, 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-бс. Однако, несмотря на ясность исходных физических идей «слойки», сформулированных в 1948 году, путь создания на их основе реалистичной конструкции не был простым.
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 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-бс был предложен в 1946 году в США Эдвардом Теллером. В сентябре 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 Booster, 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 устройство могло потребовать инициирующего взрыва, в 2-3 раза более мощного, чем давало устройство «Толстяк» (то есть 40-60 кт). 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-б материала и не решало проблем зажигания. 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-бс 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-бс 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-бс и при этом существенно превзойти показатели ядерных зарядов. Когда же стали решать задачу увеличения энерговыделения в заряде типа РДС-бс до мегатонного уровня, возникли трудности, и практически эта задача решена не была.
Пришлось перейти к «третьей» идее и создать РДС-37. Но об этом позднее. Разработанный в 1950-1953 годах в КБ-И термоядерный заряд РДС-бс, 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-бс был выполнен по одностадийной схеме.
... 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. Важным обстоятельством было то, что изделие РДС-бс было выполнено в виде транспортабельной бомбы, совместимой со средствами доставки, то есть явилось первым образцом термоядерного оружия. Руководителем полигонного испытания РДС-бс был К.И.Щелкин, научным руководителем испытания - И.В.Курчатов.
Испытание РДС-бс состоялось 12 августа 1953 года на Семипалатинском полигоне. Оно было четвертым испытанием в серии ядерных испытаний, начатых СССР 29 августа 1949 года. Испытание РДС-бс явилось непреходящим по своему значению событием в истории создания ядерной военной техники СССР. Величина энерговыделения РДС-бс была эквивалентна энергии взрыва 400000 тонн тротила. Работами по РДС-бс был создан научно-технический задел, который был затем использован в разработке несравнимо более совершенной водородной бомбы принципиально нового типа - водородной бомбы двухстадийной конструкции.
Работы по РДС-бс имели продолжение, б ноября 1955 года в СССР был успешно испытан заряд РДС-27, который представлял собой модернизацию РДС-бс на основе использования исключительно дейтерида лития (без использования трития). При этом параметры гетерогенного ядра были несколько модернизированы. Энерговыделение заряда составило 250 кт, что было в 1,6 раза меньше энерговыделения РДС-бс, но существенно превосходило энерговыделение традиционных ядерных зарядов. По своим конструкционным качествам это было реальное оружие, а его испытание производилось в составе авиабомбы, сброшенной с самолета. Однако последовавший вскоре успех испытания двухстадийного заряда на принципе радиационной имплозии РДС-37 (22 ноября 1955 года) затмил результаты испытания серийноспособной модернизации РДС-бс. В этом плане испытание РДС-27 следует рассматривать, скорее, как страховку на случай возможной неудачи с принципом радиационной имплозии. Успех в реализации принципа радиационной имплозии привел к окончанию работ в СССР по слоеному бустарованию одностадийных зарядов.
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 1954 году 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-бс, 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.
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 были обеспечены меры, облегчавшие перенос рентгеновского излучения в нужном направлении. Ю.А.Трутневым в ходе этой работы был предложен способ концентрации энергии рентгеновского излучения в материальном давлении, позволивший эффективно осуществлять радиационную имплозию. В ходе этой разработки им также был предложен способ, определивший предсказуемость конфигурации каналов для переноса рентгеновского излучения, который нашел в дальнейшем широкое применение в двухстадийных термоядерных зарядах. Важным направлением исследований Ю.А.Трутнева на этой стадии работ было изучение различных режимов и условий термоядерного горения вторичного модуля и определение его энерговыделения.
Существенную роль в развитии принципа радиационной имплозии сыграл Д. А.Франк-Каменецкий, который в конце 1954 года совместно с А.Д.Сахаровым выпустил отчет, в котором анализировались многие научные аспекты нового принципа и возможности его применения для создания различных типов термоядерных зарядов. Эта схема двухстадийного заряда содержала в себе все характерные признаки использования принципа радиационной имплозии для обжатия вторичного модуля. При этом радикально решалась проблема обеспечения сферически-симметричного сжатия вторичного модуля, поскольку время «симметризации» энергии вокруг вторичного модуля было намного меньше времени сжатия этого модуля.
Следует отметить, что, хотя этот вариант ядерной имплозии был существенно проще и поэтому эффективнее гидродинамического варианта, он потребовал решения новых физико-математических вопросов. Одна из основных проблем состояла в выработке методов расчета переноса рентгеновского излучения в конфигурации двухстадийного заряда. При разработке первого термоядерного заряда эти задачи решал Ю.Н.Бабаев.
Важным этапом в подготовке к испытанию заряда РДС-37 была работа комиссии под председательством И.Е.Тамма. В состав комиссии входили В.Л.Гинзбург, Я.Б.Зельдович, М.В.Келдыш, М.А.Леонтович, А.Д.Сахаров, И.М.Халатников. В докладе комиссии, подготовка которого была завершена 29 июня 1955 года, было констатировано, что новый принцип открывает совершенно новые возможности в области конструирования ядерного оружия. Он позволяет обжимать вещество до таких высоких плотностей, которые в нужных габаритах совершенно недостижимы с помощью обычных ВВ. Можно рассчитывать, что новый принцип позволит создать рациональные конструкции сверхмощных термоядерных зарядов и радикально уменьшить стоимость зарядов меньшей мощности. Детально рассмотрев состояние расчетно-теоретических работ по предложенной КБ-11 конструкции заряда РДС-37, комиссия подтвердила целесообразность его полигонного испытания.
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-бс, откорректированному для существенно иных граничных условий, определяющих имплозию. Тем не менее, можно отметить, что РДС-бс 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. Это был абсолютно оригинальный подход, который априори ниоткуда не следовал и определялся исключительно наличием в СССР предыстории, связанной с РДС-бс. Можно сказать, что успешное испытание РДС-37 является основным результатом разработки РДС-бс.
В период 1953-1954 годов в США велись работы по созданию мощных термоядерных зарядов на основе дейтерида лития. При этом рассматривалась возможность использования как принципа радиационной имплозии, так и принципа гидродинамической имплозии. Основные усилия были связаны с применением радиационной имплозии, и разработки этого типа проводила Лос-Аламосская лаборатория. В серии испытаний Castle при отработке зарядов Лос-Аламосской лаборатории были получены выдающиеся практические результаты. Всего было испытано 5 модификаций двухстадийных термоядерных зарядов с энерговыделением от 1,7 Мт до 15 Мт. В испытаниях использовался как дейтерид лития, обогащенный по изотопу Li-6, так и дейте- рид на основе природного лития. Отработанные в серии Castle термоядерные заряды стали основой первого термоядерного арсенала США.
Особо следует остановиться на работах 1958 года. В этом году был испытан новый тип термоядерного заряда «изделие 49», которое явилось следующим шагом в формировании эталона термоядерных зарядов (его разработка была завершена в 1957 году). Идеологами этого проекта и разработчиками физической схемы заряда были Ю.А.Трутнев и Ю Н.Бабаев. Особенность нового заряда состояла в том, что при использовании основных принципов РДС-37 в нем удалось: существенно уменьшить габаритные параметры за счет нового смелого решения задачи переноса рентгеновского излучения, определяющего имплозию; упростить слоеную структуру вторичного модуля, что оказалось чрезвычайно важным практическим решением.
По условиям адаптации к конкретным носителям «изделие 49» разрабатывалось в меньшей габаритно-весовой категории по сравнению с зарядом РДС-37, и его удельное объемное энерговыделение оказалось в 2,4 раза больше. Физическая схема заряда оказалась исключительно удачной, заряд был передан на вооружение и впоследствии подвергался модернизации, связанной с заменой первичных источников энергии. Для «изделия 49» первичный атомный заряд был испытан автономно еще в 1957 году. В ходе этой разработки удалось существенно (в 1,5 раза) уменьшить размер первичного атомного заряда, обеспечив при этом его достаточно высокое энерговыделение.
«Важнейшей составной частью урановой проблемы был ясный, но невероятно трудный план - начать усиленные поиски месторождений урана и организовать его добычу» (А.П.Александров). Эта задача была поставлена специальным Постановлением Государственного Комитета Обороны 27 ноября 1942 года. К началу целенаправленных поисков в СССР было известно пять месторождений с общим запасом около 500 тонн урана. Эти месторождения и послужили базой, с которой начала свое развитие урановая промышленность Советского Союза. Для сравнения отметим, что в это время общие мировые запасы урана оценивались в 12000-15000 тонн, в том числе в Европе - 1000 тонн (Рудные горы в Чехословакии, Корнуэлл в Англии), в Африке - 3000 тонн (Шинколобве в Бельгийском Конго), в Северной Америке 9000 тонн (6000 тонн - Медвежье озеро в Канаде и 3000 тонн - Плато Колорадо в США). 159 В 1943 года постановлением ГОКО проведение геологоразведочных работ по урану было поручено Комитету по делам геологии при СНК СССР.
В октябре 1945 года постановлением СНК СССР в составе Комитета по делам геологии при СНК СССР создано Первое главное геологоразведочное управление, на которое были возложены организация и руководство специальными геолого-поисковыми и разведочными работами по урану на территории СССР. 14 сентября 1945 года постановлением СНК СССР предписывалось вступить в переговоры с правительством Чехословацкой Республики об учреждении Советско-чехословацкого горного общества для эксплуатации урановых месторождений в районе города Яхимов. 18 октября 1945 года соглашением между правительством СССР и правительством Болгарии было учреждено Советско-болгарское горное общество для поиска и эксплуатации урановых месторождений.
В конце 1946 года Правительство СССР заключило долгосрочные соглашения с правительствами Болгарии, Чехословакии, а позже с правительствами Польши, Румынии, Венгрии о совместных поисках, разведке и разработке месторождений радиоактивных руд и поставках урановой продукции СССР. С этой же целью на территории Восточной Германии (позже ГДР) в Рудных горах было создано специальное горное управление, которое в 1947 году было преобразовано в советско-германское акционерное общество «Висмут». В августе 1946 года Л.П.Берия направил И.В.Сталину письмо с представлением на утверждение проекта постановления СМ СССР об организации в Министерстве цветной металлургии Второго главного управления. Задачей этого управления было руководство предприятиями по добыче ториевых руд, получению окиси тория и металлического тория для наработки U-233 в специальных ядерных реакторах.
К 1948 году были созданы технические и организационные предпосылки для успешной реализации разведки урановых месторождений. Были созданы и выпускались в необходимых количествах поисковые гамма-радиометры, позволяющие определять интенсивность гамма-излучения на поисковых маршрутах без отбора отдельных образцов; были разработаны и выпущены опытные серии аэро-гамма-радиометров, устанавливаемых на самолетах или вертолетах и измеряющих уровень гамма-излучения в процессе полета. Общие запасы урана в СССР на 1 января 1955 года составляли 28000 тонн в 27 основных месторождениях, переданных для эксплуатации.
Следует отметить, что в этот период было выявлено также более сотни мелких месторождений, которые в результате отработки оказались неэффективными для добычи урана. Наибольшее число месторождений было выявлено в Узбекистане, Казахстане и Киргизии. В итоге десятилетней деятельности крупных коллективов геологов, геофизиков и других специалистов в целом в СССР и странах Восточной Европы было открыто, разведано и передано в эксплуатацию более 50 месторождений урана с общими запасами 84000 тонн. Таким образом, устойчивая база для реализации атомного проекта была успешно создана.
Эти проблемы были связаны с решением нескольких взаимосвязанных задач: добыча урановой руды, ее обогащение, извлечение из концентрата изотопа U-235, получение плутония в ядерных реакторах, а в дальнейшем - производство Li-6 и трития. С пуском в конце 1944 года в Лаборатории №2 первого циклотрона (в его создание большой вклад внесли Л.М.Неменов и В.П.Джелепов) появились возможности получения микроскопических количеств плутония. Пуск первого ядерного реактора Ф-1 декабря 1946 года значительно расширил эти возможности. В это время в Лаборатории №2 уже твердо знали, что плутоний, накопленный в процессе нейтронного облучения в уране, может быть реально выделен сравнительно простым химическим способом. В Ленинграде в Радиевом институте под руководством В.Г.Хлопина начали разработку заводской технологии выделения плутония химическим способом.
Параллельно с работой над опытным уран-графитовым реактором шла подготовка к промышленному производству делящихся материалов. Уже в 1946 году для перевозки специальных материалов и продукции в рамках ядерного проекта было решено спроектировать и построить специальные вагоны-контейнеры для их транспортировки. 23 августа 1946 года было принято постановление Правительства о строительстве первых очередей комбината №817 по производству плутония (Челябинск-40; ПО «Маяк»). В состав комбината первоначально входили три объекта: объект «А» - промышленный реактор, объект «Б» - радиохимический завод, объект «В» - металлургический завод. Научным руководителем комбината №817 был И.В.Курчатов; директорами комбината на стадии его создания и становления были П.Т.Быстров, Е.П.Славский, Б.Г.Музруков; главным инженером был Е.П.Славский; начальником строительства - М.М.Царевский, главным инженером строительства - В.А.Сапрыкин.
Реактор «А» был первой в Европе ядерной промышленноэнергетической установкой. 16 июля 1987 года реактор «А» после 40 лет работы был остановлен и выведен из эксплуатации. Сырье для ядерного реактора частично поставлялось с уранодобывающего комбината №6, построенного в Таджикистане. Однако для создания реакторов Ф-1 и «А» требовалось около 200 тонн урана, и поэтому чрезвычайно важными были поставки уранового сырья из Германии и Чехословакии. Без этих поставок сроки создания этих реакторов, а значит, и сроки создания атомного оружия СССР были бы отодвинуты.
Наработанный в ядерном реакторе плутоний было необходимо отделить от урана и высокоактивных продуктов деления. Для выделения плутония был построен радиохимический завод (завод «Б»). Облученные урановые блоки, законвертованные в алюминиевые оболочки, поступали на завод «Б». Здесь их растворяли, химическими методами отделяли материал оболочки и высокоактивные продукты деления, производили выделение плутония из урана. Концентрированный раствор плутония подвергался дополнительной очистке от следов высокоактивных продуктов деления с целью снижения его радиационной активности при поступлении к металлургам.
Радиохимические процессы для завода «Б» были разработаны в Радиевом институте и апробированы в опытном радиохимическом цехе, построенном при реакторе Ф-1 и входившем в состав НИИ-9. Сочетание экспериментального радиохимического цеха с реактором позволило не только отработать технологию выделения плутония из облученных урановых блоков, но и опробовать оборудование и системы контроля будущего радиохимического завода.
Полученный на заводе «Б» концентрат плутония, состоявший в основном из фторидов плутония и лантана, был сырьем для получения оружейного плутония. Окончательная очистка и изготовление из него деталей производилась на другом предприятии комбината №817 - химико-металлургическом заводе «В», первая очередь которого была построена на месте складов боеприпасов недалеко от города Кыштым. Технология получения чистого металлического плутония была разработана под научным руководством и при непосредственном участии НИИ-9, в котором для этой цели был создан специальный отдел под руководством академика А.А.Бочвара, который являлся также научным руководителем завода «В».
Параллельно с направлением создания уран-графитовых реакторов развивалась линия создания реакторов на основе урана и тяжелой воды. Достоинством этого направления являлось, прежде всего, существенно меньшее количество урана, необходимое для работы реактора (так, например, в первом промышленном тяжеловодном реакторе ОК-180 использовалось в десять раз меньше урана, чем в аналогичном уран-графитовом реакторе «А»). Это обстоятельство в условиях крайнего дефицита урана в первые годы советской атомной программы было крайне важным. В апреле 1948 года было выпущено постановление Правительства на разработку проекта промышленного тяжеловодного реактора.
В августе 1949 года был составлен проект тяжеловодного реактора ОК-180, и летом 1949 года были начаты строительные работы по его созданию на комбинате №817. Пуск реактора ОК-180 состоялся 17 октября 1951 года. Отставание в темпах реализации программы создания тяжеловодных реакторов от программы создания уран-графитовых реакторов составляло приблизительно три года.
Другим важнейшим для ядерного оружия делящимся материалом является U-235, содержащийся в обычной урановой руде в количествах до 0,7%. В 1943 году вместе с образованием Лаборатории №2 начались работы по исследованию возможности разделения изотопов урана в газовой фазе. В 1944 году в этой же лаборатории приступили к изучению электромагнитного метода разделения изотопов урана.
В том же году к разработке методов разделения урана привлекается лаборатория электрических явлений при Уральском филиале Академии наук, руководимая членом-корреспондентом АН СССР И.К.Кикоиным. В годы войны в НИИ-42 Наркомата химической промышленности были получены первые граммы химически устойчивого газообразного соединения урана - UF6 (гексафторид урана), пригодного для газодиффузионного метода разделения изотопов урана. В 1945 году к разработке технологии получения высокообогащенного урана были привлечены немецкие специалисты, получившие в этой области определенные результаты.
С 1949 по 1964 год в Советском Союзе было пущено еще три диффузионных завода по обогащению урана: в Томске-7 на Сибирском химическом комбинате, в Ангарске на Электролизном химическом комбинате и в Красноярске-45 на Электрохимическом комбинате. Промышленная эксплуатация газодиффузионных заводов была прекращена в 1992 году. Наряду с газодиффузионным методом в СССР велась разработка других технологий обогащения урана - электромагнитной и центрифужной. И хотя установка по электромагнитному разделению протонов была построена на комбинате ЭХП (г. Лесной), дальнейшего развития этот способ не получил.
В конце 1946 года в Сухумском физико-техническом институте группой немецких ученых под руководством Макса Штеенбека были начаты лабораторные исследования по использованию центрифугирования для разделения изотопов урана. В.А.Малышев поручил главному конструктору ОКБ ЛКЗ Н.М.Синеву изучить возможность промышленного внедрения разработок группы Штеенбека. Главный конструктор ОКБ ЛКЗ взялся за практическую разработку центробежного метода. В ОКБ были переведены доктор Штеенбек и еще два немецких специалиста. Научное руководство проблемой было возложено на члена-корреспондента АН СССР Б.П.Константинова. Первый промышленный образец газовой центрифуги и метод центробежного обогащения урана изотопом U-235 был предъявлен Государственной приемной комиссии под председательством академика М.Д.Милионщикова и был принят к производству и эксплуатации.
В октябре 1948 года П.М.Зернов направил Б.Л.Ванникову письмо, в котором обосновывается необходимость строительства одного или двух комплектующих заводов для производства атомных бомб. В ноябре 1948 года П.М.Зернов представил предварительные соображения относительно строительства серийного производства изделий на территории зоны КБ-11. В пользу такого решения действовал ряд обстоятельств - наличие в КБ-11 мощной строительной организации и опытной производственной базы, обеспеченной необходимой режимной защитой, возможность подготовки кадров для серийного завода и оказания квалифицированной помощи со стороны разработчиков на этапе становления производства и запуска специзделий в серию. Ориентировочная стоимость строительства серийного завода оценивалась в 150-170 миллионов рублей, а численность работающих - приблизительно в 3000 человек. При односменной работе количество изделий должно было составлять по предварительным расчетам 20 атомных бомб ежегодно.
Предметом особой заботы военных звеньев инфраструктуры, так же как разработчиков и производителей ЯО, были не только высокие тактико-технические параметры и качества ядерных боеприпасов, но и простота эксплуатации, безопасность при изготовлении, хранении и перевозке, а также в возможных аварийных ситуациях. В связи с малой изученностью вопросов взрывобезопасности, для РДС-1, по решению Ю.Б.Харитона, был принят режим раздельного хранения плутониевого ядра, электродетонаторов и нейтронного запала от собранного заряда из ВВ.
На территории КБ-11 были сооружены четыре специально оборудованных склада для хранения деталей ВВ. В каждом из складов могло находиться до 50 тонн взрывчатки. Особое хранилище было спроектировано и построено для плутониевых зарядов. Оно было рассчитано на десятибалльное землетрясение. Документацией предусматривался и такой вариант хранения РДС-1, при котором атомный заряд, но без плутония, нейтронного запала и электродетонаторов был уже установлен в корпус авиабомбы с автоматикой. Однако при любом варианте раздельного хранения обеспечивалась возможность перевода бомбы в боевое состояние в сжатые сроки.
Начиная с создания первого образца, разработчики пошли по пути обеспечения безопасности при обращении с ядерными боеприпасами за счет схемных и конструктивных решений, сочетающихся с организационно-техническими мероприятиями. Объем исследований безопасности ядерных боеприпасов существенно возрос в связи с передачей на вооружение изделия РДС-4, которое в отличие от всех предыдущих хранилось уже не на складах предприятий-изготовителей, а непосредственно в войсках. В эти годы стал обсуждаться вопрос о возможности транспортировки боеприпасов в полностью собранном и снаряженном виде. Постановка такого вопроса со стороны Министерства обороны была не новой и определялась необходимостью сокращения времени для перевода изделий в боевую готовность.
Первое подземное ядерное испытание США провели 29 ноября 1951 г. (взрыв «Uncle» мощностью 1,2 кг с образованием кратера). К ноябрю 1961 г. США провели 25 подземных взрывов. Камуфлетные взрывы США начали проводить с 1957 г.: 26 июня в скважине («Паскаль-А») и 10 августа в штольне («Сатурн»), В 1961 и 1962 гг. СССР приступил к освоению технологий подземных испытаний. Главная цель перехода от испытаний в трех средах к подземным заключалась в обеспечении камуфлетности взрывов, т.е. предотвращении выбросов радиоактивных продуктов в атмосферу. Кроме того, при таком переходе обеспечивались лучшие условия для определения многочисленных параметров испытываемых изделий и проведения исследований физических явлений, сопровождающих ядерный взрыв.
Опубликование американских данных по глубинам заложения зарядов, при которых обеспечивается полное удержание радиоактивности под землей (камуфлет), по устройству забивочных комплексов и т.п. помогло специалистам СССР при подготовке первых подземных взрывов. Первоначально планировалось проводить такие взрывы в имевшихся горных выработках на побережье озера Иссык-Куль (Киргизия). В мае 1960 года было утверждено техническое задание на доработку и обустройство этих штолен. Однако проработка проектными организациями МСМ этого варианта проведения подземных ядерных взрывов показала серьезные препятствия на пути его реализации.
Осенью 1960 г. было выбрано иное место для этих целей. Более удобным и безопасным руководители и специалисты посчитали горный массив Дегелен, расположенный вблизи опытного поля воздушных и наземных испытаний уже действовавшего Семипалатинского полигона. Кстати сказать, еще в 1959 году министр Е.П.Славский ставил командованию Новоземельского полигона задачу изучить горные массивы в районе пролива Маточкин Шар на предмет возможности проведения в них подземных взрывов.
Всего в штольнях была проверена работоспособность 414 ядерных зарядов в 245-ти испытаниях. Из них в 1961-1989 гг. на Семипалатинском полигоне было проведено 215 испытаний, а на Новоземельском полигоне с 1964 по 1990 гг. - 30 испытаний в штольнях. Испытания в штольнях отличались большой информативностью в силу доступности мест размещения детекторов излучений, датчиков измерения других параметров и обеспечения возможности точной и контролируемой установки их в определенных условиях и на известных расстояниях от испытываемых зарядов. Для надежного получения результатов испытаний были разработаны способы и обустройства штолен, технологии забивки свободного пространства после установки необходимого испытательного и измерительною оборудования, обеспечивающие камуфлетность взрыва, методы и аппаратура регистрации необходимых параметров зарядов и результатов воздействия взрыва на испытываемые объекты.
Дороговизна и большая длительность подготовки штольневых испытаний явились побудительными мотивами для поиска менее трудоемких способов испытаний. Пользуясь сведениями о проведении ядерных испытаний Соединенными Штатами Америки в скважинах (первое такое испытание было в 1957 г.) в СССР приступили к разработке технологии скважинных испытаний в г. Первое испытание в скважине 1004 на Семипалатинском полигоне было проведено 15 января 1965 года с образованием воронки выброса и последующим созданием в ней водохранилища. При этом взрыве определялось минимальное число параметров работы заряда, так как малые поперечные размеры скважины (характерный диаметр 0,5-1 м), большие заглубления (100- 1000 м) и недоступность для прямого контроля размещения детекторов на глубине заложения заряда не позволяли реализовать программу измерений, аналогичную испытаниям в штольнях.
При освоении технологии испытаний в скважинах пришлось преодолевать особые трудности. Понадобилась разработка гермо- и термостойких контейнеров и кабельных гермоводов, обеспечивающих работоспособность испытательных комплексов при давлениях внешней среды от 250 до 800 атм. и температурах от -40°С до +110°С. Для обеспечения условий физизмерений и безопасности испытаний потребовалось разработать технологию забивки ствола скважины как в районе заложения контейнера с зарядом, так и по всей глубине скважины. Всего за период с 1965 по 1989 гг. была проверена работоспособность 336-ти ядерных зарядов в 251 испытании в скважинах.
Также в целях экономии средств и времени на подготовку и проведение ядерных испытаний в СССР с 1966 года началось проведение групповых взрывов нескольких зарядов в одной штольне или в одной скважине. Напряженный темп подземных испытаний и промышленных применений ядерных зарядов повлек за собой необходимость существенного совершенствования технологии испытаний, аппаратуры подрыва и контроля работы зарядов, методик и аппаратуры физических измерений. При первом групповом взрыве двух зарядов в одной штольне (03.12.1966 г.) впервые было экспериментально подтверждено предложение физика-теоретика ВНИИТФ Ю.С.Вахрамеева о возможности подрыва нескольких зарядов в одной штольне с заданной разновременностью с получением данных о работе каждого из испытанных зарядов.
Постепенное наращивание числа одновременно испытываемых конструкций в одном горном объекте (штольне, скважине) стало возможным благодаря: разработке системы подрыва зарядов в заданной последовательности и с заданной разновременностью при обеспечении индивидуального контроля срабатывания; внедрению системы ответвлений от основного ствола штольни для размещения испытываемых объектов и гирлянд- ной системы спуска объектов в скважины с обеспечением требуемой прочности и надежности забивочных комплексов; разработке и внедрению необходимого набора методик физических измерений (в т.ч. и с размещением детекторов на короткой базе), обеспечивающего получение возможно более полной информации о физических процессах в каждом из испытываемых зарядов, независимо от влияния интенсивных импульсных электромагнитных полей.
Особых подходов требовали групповые испытания в одной скважине (начало 1975 г.), когда нужно было получить информацию от 2-3 изделий, размещенных одно над другим по стволу скважины.
Всего групповых испытаний в штольнях СССР провел в 1966- 1990 гг. - 85; в скважинах в 1975-1989 гг. был проведен 61 групповой взрыв. Всего в этих 146 взрывах было испытано и применено в мирных целях 400 ядерных зарядов и промышленных ядерно- взрывных устройств, что составляет более половины из 750 изделий, испытанных в подземных условиях.
Радиационная обстановка в местах проведения 357 подземных испытаний на СИП и на СИПНЗ была и остается нормальной до сих пор: радиационное излучение находится в пределах фоновых значений. Из общего числа подземных испытаний на полигонах, равного 372 испытаниям (мирные ядерные взрывы здесь не учитываются), в 15 случаях (~4%) по различным причинам реализовались так называемые нештатные радиационные ситуации (НРС), сопровождавшиеся выходом в атмосферу радиоактивных продуктов взрыва. В этих случаях не был обеспечен предусмотренный проектом полный камуфлет взрыва из-за наличия невыявленных геологических разломов или некачественного выполнения забивки стволов штолен (скважин). На Семипалатинском полигоне таких случаев в 1964-1980 гг. было 13, на Новоземельском - 2 (в 1969 и 1987 гг.)
Реализовавшиеся НРС условно можно разделить на 2 класса: ситуации с быстрым динамичным прорывом радиоактивной парогазовой 206 смеси в штольню, скважину и в атмосферу без остаточного загрязнения прилегающей местности (7 испытаний в штольнях и 5 испытаний в скважинах) и ситуации с выбросом твердых фрагментов, загрязненных радиоактивными продуктами, с последующим загрязнением прилегающего района (два испытания в скважинах и одно в штольне). Таким образом, в 12 случаях, кроме повышенного уровня радиации в момент взрыва и ближайшие часы после него, на месте испытания других длительных отрицательных последствий не наблюдалось.
В 3-х случаях (опыты в скважине 101 18 декабря 1966 г. и в скважине 1204 10 декабря 1972 г. и опыт в скважине А-37А 2 августа 1987 г.) пришлось установить санитарно-защитные зоны в районе испытаний, действующие по сей день. Уровень радиации на их территории превышает фоновые значения от 3 до 10 раз.