Первая водородная бомба советского производства

Изотопы водорода

Самым простым из всех существующих атомов является атом водорода. В его состав входит всего один протон, образующий ядро, и единственный электрон, вращающийся вокруг него. В результате научных исследований воды (H2O), было установлено, что в ней в малых количествах присутствует так называемая «тяжёлая» вода. Она содержит «тяжёлые» изотопы водорода (2H или дейтерий), ядра которых, помимо одного протона, содержат так же один нейтрон (частицу, близкую по массе к протону, но лишённую заряда).

Науке известен также тритий — третий изотоп водорода, ядро которого содержит 1 протон и сразу 2 нейтрона. Для трития характерна нестабильность и постоянный самопроизвольный распад с выделением энергии (радиации), в результате чего образуется изотоп гелия. Следы трития находят в верхних слоях атмосферы Земли: именно там, под действием космических лучей молекулы газов, образующие воздух, претерпевают подобные изменения. Получение трития возможно также и в ядерном реакторе путём облучения изотопа литий-6 мощным потоком нейтронов.

Испытание первой водородной бомбы на Семипалатинском полигоне

Академик Андрей Сахаров

РИА Новости,фото № 25981 / Владимир Федоренко / CC-BY-SA 3.0

Ее взорвали спустя год после американской,12 августа 1953-го,на Семипалатинском полигоне,недалеко от границы с Алтайским краем. Разработка РДС-6с началась еще в 1945 году под руководством Сахарова и Харитона. На основе исследований ученых разработка бомбы началась по двум направлениям. Первый — «слойка», представляющая собой атомный заряд,который окружен несколькими слоями легких и тяжелых элементов. Второй — «труба», в которой плутониевая бомба погружалась в жидкий лейтерий. Впоследствии именно первую модель выбрали для дальнейших испытаний.

К моменту взрыва полигон быль тщательно подготовлен: 16 самолетов,7 танков,орудий и минометов,1300 измерительных,регистрирующих и киносъемочных приборов,1700 различных индикаторов. Специально для аппаратуры,регистрирующей термоядерные процессы,в 5 м от места подрыва соорудили бункер. Сам заряд установили на стальной башне,на высоте 30 м закрепили бомбу. Около 7:30 утра 12 августа 1953 года горизонт озарила вспышка света от взрыва.

Мощность взрыва в 20 раз превысила показатели первой атомной бомбы. Последствия взрыва были мощными: ж/д мост с 100 тонными пролётами ударная волна отбросила на 200 м.

Факт

Известие о взрыве дошло до США раньше,чем об этом узнали в СССР. На Западе испытание назвали «Джо-1», но в Советском Союзе оно называлось «Первая молния».

Термоядерное оружие

Современное термоядерное оружие относится к стратегическому оружию, которое может применяться авиацией для разрушения в тылу противника
важнейших промышленных, военных объектов, крупных городов как цивилизационных центров. Наиболее известным типом термоядерного оружия являются термоядерные (водородные) бомбы, которые могут доставляться к цели самолетами. Термоядерными зарядами могут начиняться также боевые части ракет различного назначения, в том числе межконтинентальных баллистических ракет. Впервые подобная ракета была испытана в СССР еще в 1957 году, в настоящее время на вооружения Ракетных Войск Стратегического Назначения состоят ракеты нескольких типов, базирующиеся на мобильных пусковых установках, в шахтных пусковых установках, на подводных лодках.

Атомная бомба

В основе действия термоядерного оружия лежит использование термоядерной реакции с водородом или его соединениями. В этих реакциях,
протекающих при сверхвысоких температурах и давлении, энергия выделяется за счет образования ядер гелия из ядер водорода, или из ядер водорода и лития. Для образования гелия используется, в основном, тяжелый водород – дейтерий, ядра которого имеют необычную структуру – один протон и один нейтрон. При нагревании дейтерия до температур в несколько десятков миллионов градусов его атому теряют свои электронные оболочки при первых же столкновениях с другими атомами. В результате этого среда оказывается состоящей лишь из протонов и движущихся независимо от них электронов. Скорость теплового движения частиц достигает таких величин, что ядра дейтерия могут сближаться и благодаря действию мощных ядерных сил соединяться друг с другом, образуя ядра гелия. Результатом этого процесса и становится выделения энергии.

Принципиальная схема водородной бомбы такова. Дейтерий и тритий в жидком состоянии помещаются в резервуар с теплонепроницаемой оболочкой,
которая служит для длительного сохранения дейтерия и трития в сильно охлажденном состоянии (для поддержания из жидкостного агрегатного состояния). Теплонепроницаемая оболочка может содержать 3 слоя, состоящих из твердого сплава, твердой углекислоты и жидкого азота. Вблизи резервуара с изотопами водорода помещается атомный заряд. При подрыве атомного заряда изотопы водорода нагреваются до высоких температур, создаются условия для протекания термоядерной реакции и взрыва водородной бомбы. Однако, в процессе создания водородных бомб было установлено, что непрактично использовать изотопы водорода, так как в таком случае бомба приобретает слишком большой вес (более 60 т.), из-за чего нельзя было и думать об использовании таких зарядов на стратегических бомбардировщиках, а уж тем более в баллистических ракетах любой дальности. Второй проблемой, с которой столкнулись разработчики водородной бомбы была радиоактивность трития, которая делала невозможным его длительное хранение.

В ходе исследования 2 вышеуказанные проблемы были решены. Жидкие изотопы водорода были заменены твердым химическим соединением дейтерия с
литием-6. Это позволило значительно уменьшить размеры и вес водородной бомбы. Кроме того, гидрид лития был использован вместо трития, что позволило размещать термоядерные заряды на истребителях бомбардировщиках и баллистических ракетах.

Создание водородной бомбы не стало концом развития термоядерного оружия, появлялись все новые и новые его образцы, была создана водородно-
урановая бомба, а также некоторые ее разновидности – сверхмощные и, наоборот, малокалиберные бомбы. Последним этапом совершенствования термоядерного оружия стало создания так называемой «чистой» водородной бомбы.

Основное по конструкции и физическим свойствам заряда

Как «Кузькина мать» бомба не являлась просто переименованным изделием проекта РН202. В конструкцию бомбы был внесён ряд важных изменений, в частности, затронувших её центровку. Для обеспечения безопасности экипажа самолёта-носителя авиабомба АН602 была оборудована тремя парашютами: вытяжным, тормозным и основным. Общий вес парашютной системы составил 813 кг.

Схема действия каждой из ступеней строилась следующим образом:

• Первая ступень — атомный взрыв, запускающий термоядерную реакцию;
• Вторая ступень — термоядерный взрыв при синтезе дейтерия;
• Третья ступень — запуск ядерной реакции Джекилла-Хайда под действием быстрых нейтронов в оболочке из блоков урана-238.

Согласно расчётам советских физиков-ядерщиков, максимальная мощность подобного взрывного устройство теоретически была неограниченной. В пределах произведённых расчётов для практической реализации на заданном типе конструкции мощность взрыва составляла около 100 мегатонн, хотя могла быть без особых дополнений повышена в несколько раз.

В подготовленном к «рекордному» испытанию экземпляре «Царь-бомбы» было решено не поднимать мощность взрыва до максимальных расчётных показателей. В связи с этим третья ступень бомбы при её окончательном изготовлении состояла из свинца, а не из урана-238, как предполагалось в штатном взрывном устройстве.

Такая замена материала оболочки приводила к общему понижению мощности взрыва, что объяснялось желанием сократить до приемлемого уровня количество выбрасываемых при взрыве радиоактивных осадков. На уменьшении веса бомбы это особо не сказалось: если урановая оболочка 100-мегатонной бомбы должна была весить 2,8 тонны, то свинцовая же оболочка того же объёма — около 1,7 тонны, что на фоне общей массе АН602 было незначительным.

Вес и длина

Мощность

Расчётная мощность складывалась из суммарного объёма высвобождаемой энергии на всех трёх ступенях термоядерного взрыва. Ядерный заряд первой ступени при этом обеспечивал мощность взрыва в 1,5 мегатонны в пересчёте на тринитротолуол, а запуск последующей реакции термоядерного синтеза во второй ступени предполагал добавить к мощности взрыва ещё 50 мегатонн. Полноценное усиление взрыва «Изделия 602» за счёт урановых «слоек» третьей ступени в подготовленной к испытанию бомбе не планировалось.

Радиус поражения

В штатном оснащении «Царь-бомба» способна, в зависимости от высоты взрыва и рельефа местности, образовать сплошной огненный шар диаметром в 3-4 километра с температурой, способной обратить в пепел всё окружающее. Сила ударной волны способна практически полностью разрушить армированные железобетонные здания в радиусе 30-40 километров от эпицентра, а световая вспышка взрыва способна вызвать термические ожоги третьей степени на расстоянии около 100 километров.

Даже по самым скромным оценкам, взрыв такой силы может мгновенно и полностью уничтожить Лос-Анджелес или Париж вместе с их обширными пригородами. Кроме того, подобный взрыв приводит к длительным электромагнитным возмущениям в атмосфере, вызывающим многочасовое нарушение любой радиосвязи.

Карта испытаний «Царь-бомбы»

Разработка и первые испытания водородной бомбы

В результате тщательного теоретического анализа, специалисты из СССР и США пришли к выводу, что смесь дейтерия и трития позволяет легче всего запускать реакцию термоядерного синтеза. Вооружившись этими знаниями, учёные из США в 50-х годах прошлого века принялись за создание водородной бомбы. И уже весной 1951 года, на полигоне Эниветок (атолл в Тихом океане) было проведено тестовое испытание, однако тогда удалось добиться лишь частичного термоядерного синтеза.

Прошло ещё чуть более года, и в ноябре 1952 года было проведено второе испытание водородной бомбы мощностью порядка 10 Мт в тротиловом эквиваленте. Однако тот взрыв трудно назвать взрывом термоядерной бомбы в современном понимании: по сути, устройство представляло собой крупную ёмкость (размером с трёхэтажный дом), наполненную жидким дейтерием.

В России тоже взялись за усовершенствование атомного оружия, и первая водородная бомба проекта А.Д. Сахарова была испытана на Семипалатинском полигоне 12 августа 1953 года. РДС-6 (данный тип оружия массового поражения прозвали «слойкой» Сахарова, так как его схема подразумевала последовательное размещение слоёв дейтерия, окружающих заряд-инициатор) имела мощность 10 Мт. Однако в отличие от американского «трёхэтажного дома», советская бомба была компактной, и её можно было оперативно доставить к месту выброски на территории противника на стратегическом бомбардировщике.

Приняв вызов, США в марте 1954 произвели взрыв более мощной авиабомбы (15 Мт) на испытательном полигоне на атолле Бикини (Тихий океан). Испытание стало причиной выброса в атмосферу большого количества радиоактивных веществ, часть из которых выпало с осадками за сотни километров от эпицентра взрыва. Японское судно «Счастливый дракон» и приборы, установленные на острове Рогелап, зафиксировали резкое повышение радиации.

Так как в результате процессов, происходящих при детонации водородной бомбы, образуется стабильный, безопасный гелий, ожидалось, что радиоактивные выбросы не должны превышать уровень загрязнения от атомного детонатора термоядерного синтеза. Но расчёты и замеры реальных радиоактивных осадков сильно разнились, причём как по количеству, так и по составу. Поэтому в руководстве США было принято решение временно приостановить проектирование данного вооружения до полного изучения его влияния на окружающую среду и человека.

Alarm Clock

Еще в 1946 году Эдвард Теллер, работавший в США, разработал прототип РДС-6с. Он получил название Alarm Clock. Первоначально проект этого устройства был предложен как альтернатива Super. В апреле 1947 года в лаборатории в Лос-Аламосе началась целая серия экспериментов, предназначенная для исследования природы термоядерных принципов.

От Alarm Clock ученые ожидали наибольшего энерговыделения. Осенью Теллер решил использовать в качестве горючего для устройства дейтерид лития. Исследователи еще не использовали это вещество, но ожидали, что оно позволит повысить эффективность термоядерных реакций. Интересно, что Теллер уже тогда отмечал в своих служебных записках зависимость ядерной программы от дальнейшего развития компьютеров. Эта техника была необходима ученым для более точных и сложных расчетов.

Alarm Clock и РДС-6с имели много общего, но многим и отличались. Американский вариант не был столь практичным как советский из-за своей величины. Большие размеры он унаследовал от проекта Super. В конце концов, американцам пришлось отказаться от этой разработки. Последние исследования прошли в 1954 году, после чего стало ясно, что проект нерентабелен.

Сталин остался совершенно спокоен, после того как президент США Трумэн сообщил ему о создании оружия необыкновенной разрушительной силы.

— Это произошло 24 июля 1945-го после одного из заседаний Потсдамской конференции. И Гарри Трумэн, и внимательно вслушивавшийся в разговор между ними премьер-министр Великобритании Уинстон Черчилль, стоявший в пяти ярдах (полутора метрах) от них, были поражены спокойной реакцией генералиссимуса. Тот лишь кивнул головой и заметил, что это оружие хорошо использовать против Японии. И Трумэн, и лиса Черчилль, решили: Сталин ничего не понял, он даже представить не мог, о каком оружии шла речь.

Нет, Сталин-то как раз понял. Советская агентура доложила о работе союзников над атомной бомбой еще осенью 1941-го. Сталин был в курсе всего, с бомбой связанного. А сохранив поразительное спокойствие, сумел убедить союзников в своем полном неведении.

Хиросима-Нагасаки: взгляд из 1945 года

Но вот что было дальше. Вернувшись в свою резиденцию, Иосиф Виссарионович позвонил академику Курчатову. Приказ его был тверд и резок: работу над «изделием» во что бы то ни стало ускорить. Средств не жалеть. Задача, поставленная перед Курчатовым, требует скорейшего решения.

А перед ближним своим окружением Иосиф Виссарионович не раскрылся, позволив Жукову и Ворошилову шутить на тему, что «американцы набивают себе цену». Во всем хорошо разобрался личный переводчик Сталина Владимир Павлов. Но в свои 30 лет он уже прекрасно знал, когда надо хранить полное молчание.

Как писал в своих рукописных воспоминаниях начальник сталинской охраны генерал-лейтенант Власик, спокойствие и выдержка изменили вождю после сообщения о бомбардировке Хиросимы. Вот когда он впал в ярость. Кричал криком, да так, что изо рта, как утверждает Власик, шла пена. Нервы не выдержали: срыв и истерика, мат и охаивание ближайших соратников. Сталинский гнев обрушился на Берию: из разряда особо приближенных тот был исключен. Но только на время.

Немецкие ученые и лаборатории на территории СССР в послевоенные годы

Из Берлина перевезли урановую центрифугу и другое оборудование, а также документы и реактивы лаборатории фон Арденне и Кайзеровского института физики. В рамках программы создали лаборатории «А», «Б», «В», «Г», которые возглавили немецкие ученые.

Руководителем лаборатории «А» был барон Манфред фон Арденне, который разработал способ газодиффузионной очистки и разделения изотопов урана в центрифуге.

За создание такой центрифуги (только в промышленных масштабах) в 1947 году он получил Сталинскую премию. В то время лаборатория располагалась в Москве, на месте знаменитого Курчатовского института. В команде каждого немецкого ученого было 5-6 советских специалистов.

Позже лаборатория «А» была вывезена в Сухуми, где на ее базе создан физико-технический институт. В 1953-м барон фон Арденне второй раз стал Сталинским лауреатом.

Лабораторию «Б», проводившую эксперименты в области радиационной химии на Урале, возглавлял Николаус Риль – ключевая фигура проекта. Там, в Снежинске, с ним работал талантливый русский генетик Тимофеев-Ресовский, с которым они дружили еще в Германии. Успешное испытание атомной бомбы принесло Рилю звезду Героя Социалистического Труда и Сталинскую премию.

Исследованиями лаборатории «В» в Обнинске руководил профессор Рудольф Позе – пионер в сфере ядерных испытаний. Его команде удалось создать реакторы на быстрых нейтронах, первую в СССР АЭС, проекты реакторов для подводных лодок.

На базе лаборатории позже был создан Физико-энергетический институт имени А.И. Лейпунского. До 1957 года профессор работал в Сухуми, потом – в Дубне, в Объединенном институте ядерных технологий.

Лабораторию «Г», размещенную в сухумском санатории «Агудзеры», возглавлял Густав Герц. Племянник знаменитого ученого XIX века получил известность после серии экспериментов, подтвердивших идеи квантовой механики и теорию Нильса Бора.

Результаты его продуктивной работы в Сухуми применили при создании промышленной установки в Новоуральске, где в 1949 году сделали начинку первой советской бомбы РДС-1.

Урановая бомба, которую американцы сбросили на Хиросиму, была пушечного типа. При создании РДС-1 отечественные физики-атомщики ориентировались на Fat Boy – «бомбу Нагасаки», сделанную из плутония по имплозивному принципу.

В 1951 году за плодотворную деятельность Герц был удостоен Сталинской премии.

Немецкие инженеры и ученые жили в комфортабельных домах, из Германии они перевезли свои семьи, мебель, картины, их обеспечили достойной зарплатой и спецпитанием. Был ли у них статус пленных? По мнению академика А.П. Александрова, активного участника проекта, пленными в таких условиях были они все.

Получив разрешение вернуться на родину, немецкие специалисты дали подписку о неразглашении своего участия в советском атомном проекте в течение 25 лет. В ГДР они продолжили работу по специальности. Барон фон Арденне был дважды лауреатом немецкой Национальной премии.

Профессор возглавлял Физический институт в Дрездене, который создали под эгидой Научного совета по мирному применению атомной энергии. Руководил Научным советом Густав Герц, получивший Национальную премию ГДР за свой трехтомный учебник по атомной физике. Здесь же, в Дрездене, в Техническом университете, трудился и профессор Рудольф Позе.

Участие в советском атомном проекте немецких специалистов, так же как и достижения советской разведки, не уменьшают заслуги советских ученых, которые своим героическим трудом создали отечественное атомное оружие. И все же без вклада каждого участника проекта создание атомной промышленности и ядерной бомбы растянулось бы на неопределенны

Нейтронное инициирование

Внимательные читатели могут с карандашом в руках прикинуть энерговыделение при взрыве. При времени нахождения сборки в сверхкритическом состоянии порядка микросекунд, возрасте нейтронов порядка пикосекунд и коэффициенте размножения менее 2 выделяется около гигаджоуля энергии, что эквивалентно… 250 кг тротила. А где же кило- и мегатонны?

Нейтроны — медленные и быстрые

В неделящемся веществе, «отскакивая» от ядер, нейтроны передают им часть своей энергии, тем большую, чем легче (ближе им по массе) ядра. Чем в большем числе столкновений поучаствовали нейтроны, тем более они замедляются, и, наконец, приходят в тепловое равновесие с окружающим веществом — термализуются (это занимает миллисекунды). Скорость тепловых нейтронов — 2200 м/с (энергия 0,025 эВ). Нейтроны могут ускользнуть из замедлителя, захватываются его ядрами, но с замедлением их способность вступать в ядерные реакции существенно возрастает, поэтому нейтроны, которые «не потерялись», с лихвой компенсируют убыль численности.
Так, если шар делящегося вещества окружить замедлителем, многие нейтроны покинут замедлитель или будут поглощены в нем, но будут и такие, которые вернутся в шар («отразятся») и, потеряв свою энергию, с гораздо большей вероятностью вызовут акты деления. Если шар окружить слоем бериллия толщиной 25 мм, то, можно сэкономить 20 кг U235 и все равно достичь критического состояния сборки. Но за такую экономию платят временем: каждое последующее поколение нейтронов, прежде чем вызвать деление, должно сначала замедлиться. Эта задержка уменьшает число поколений нейтронов, рождающихся в единицу времени, а значит, энерговыделение затягивается. Чем меньше делящегося вещества в сборке, тем больше требуется замедлителя для развития цепной реакции, а деление идет на все более низкоэнергетичных нейтронах. В предельном случае, когда критичность достигается только на тепловых нейтронах, например — в растворе солей урана в хорошем замедлителе — воде, масса сборок — сотни граммов, но раствор просто периодически вскипает. Выделяющиеся пузырьки пара уменьшают среднюю плотность делящегося вещества, цепная реакция прекращается, а, когда пузырьки покидают жидкость — вспышка делений повторяется (если закупорить сосуд, пар разорвет его — но это будет тепловой взрыв, лишенный всех типичных «ядерных» признаков).

Дело в том, что цепь делений в сборке начинается не с одного нейтрона: в нужную микросекунду их впрыскивают в сверхкритическую сборку миллионами. В первых ядерных зарядах для этого использовались изотопные источники, расположенные в полости внутри плутониевой сборки: полоний-210 в момент сжатия соединялся с бериллием и своими альфа-частицами вызывал нейтронную эмиссию. Но все изотопные источники слабоваты (в первом американском изделии генерировалось менее миллиона нейтронов за микросекунду), а полоний уж очень скоропортящийся — всего за 138 суток снижает свою активность вдвое. Поэтому на смену изотопам пришли менее опасные (не излучающие в невключенном состоянии), а главное — излучающие более интенсивно нейтронные трубки (см. врезку): за несколько микросекунд (столько длится формируемый трубкой импульс) рождаются сотни миллионов нейтронов. А вот если она не сработает или сработает не вовремя, произойдет так называемый хлопок, или «пшик» — маломощный тепловой взрыв.

Длительное заражение местности радиоактивными осадками.

В случае военных действий применение водородной бомбы приведет к немедленному радиоактивному загрязнению территории в радиусе ок. 100 км от эпицентра взрыва. При взрыве супербомбы загрязненным окажется район в десятки тысяч квадратных километров. Столь огромная площадь поражения одной-единственной бомбой делает ее совершенно новым видом оружия. Даже если супербомба не попадет в цель, т.е. не поразит объект ударно-тепловым воздействием, проникающее излучение и сопровождающие взрыв радиоактивные осадки сделают окружающее пространство непригодным для обитания. Такие осадки могут продолжаться в течение многих дней, недель и даже месяцев. В зависимости от их количества интенсивность радиации может достичь смертельно опасного уровня. Сравнительно небольшого числа супербомб достаточно, чтобы полностью покрыть крупную страну слоем смертельно опасной для всего живого радиоактивной пыли. Таким образом, создание сверхбомбы ознаменовало начало эпохи, когда стало возможным сделать непригодными для обитания целые континенты. Даже спустя длительное время после прекращения прямого воздействия радиоактивных осадков будет сохраняться опасность, обусловленная высокой радиотоксичностью таких изотопов, как стронций-90. С продуктами питания, выращенными на загрязненных этим изотопом почвах, радиоактивность будет поступать в организм человека.