РДС-6с: водородная бомба Андрея Сахарова
Обсудить 0
Старинный мужской монастырь у слияния двух маленьких речушек, Сатиса и Саровки, стал известен благодаря Серафиму, канонизированному в 1903 году за то, что после молебна монарших особ во время паломничества в эту пустынь у царской четы родился наследник. Судьба монастыря, впрочем, сложилась незавидно: в 1917 году он был разграблен. А через три десятилетия здесь закипела работа над совсем другими «детками»: в 1946 году прямо в зданиях монастыря разместилось КБ-11, кузница советского атомного проекта.
Кое-что свое
Сейчас, в интернетовские времена, все знают про Клауса Фукса и других «атомных шпионов», и кажется само собой разумеющимся, что первая атомная бомба СССР — РДС-1 — была скопирована с «Толстяка», бомбы, сброшенной на Нагасаки. Но это не совсем так. Действительно, размер плутониевого ядра, форма и конструкция полоний-бериллиевого источника нейтронов и идея имплозии — направленного внутрь взрыва — были в точности заимствованы из американского проекта. Это многое, но не всё. Дело в том, что в американской бомбе были использованы два типа взрывчатки, Composition B и Baratol, их точный состав не был известен Клаусу Фуксу, да и не производились они в СССР. А размеры и форма взрывчатых линз, сформировавших сферическую сходящуюся ударную волну, зависят от этих типов, и при изменении состава буквально на единицы процентов геометрию этих линз нужно корректировать.
Принцип работы взрывчатой линзы. За счет замедленной детонации в центральной части линзы проходящая через нее взрывная волна изменяет форму с расходящейся на сходящуюся сферическую.
В РДС-1 вместо Composition B, содержавшего 59,5% гексогена, 39,5% тротила и 1% воска или церезина, использовался отечественный сплав ТГ-50 (поровну гексоген и тротил). А вместо баратола — инертный материал, вообще не взрывающийся, лишь передающий ударную волну с минимальными потерями. Так что форму переходной поверхности нашим бомбостроителям пришлось уточнять самим, используя те же методы — скоростную рентгеновскую съемку — и изобретая свои, не менее остроумные. Своими собственными были и вспомогательные системы бомбы, такие как радиовысотомер, барометрический высотомер, автоматика подрыва, так что объем конструкторских работ был очень велик и при известном принципе работы.
Добавить легкости
Но по мере продвижения работы над первым «изделием», РДС-1, по каналам разведки стали поступать сведения, что американцы ведут работу над еще более мощной бомбой. Намного более мощной, чем атомная. Наши атомщики сумели задать вопрос нобелевскому лауреату Нильсу Бору о сути устройства этой бомбы, но великий физик, известный своими симпатиями к СССР, был не в курсе подробностей, и его ответ не мог успокоить наших ядерщиков. Поэтому были созданы две группы, задачей которых было определить возможность взрыва в бомбе не за счет деления тяжелых ядер, а за счет синтеза легких: из дейтерия и трития должен получаться гелий и нейтрон. В группу, которой руководил Игорь Евгеньевич Тамм, был включен молодой кандидат наук Андрей Дмитриевич Сахаров.
КПД «Слойки»
В «слойке Сахарова» всего 15−20% энерговыделения приходится на термоядерные реакции, а остальное даёт реакция деления — как урана-235 или плутония-239 исходной бомбы, так и урана-238 наружных слоёв. Но это скорее достоинство, чем недостаток, ведь уран-238 дёшев. Слияние одного ядра дейтерия и одного трития даёт 18 МэВ энергии, а деление одного ядра урана-238 — 200 МэВ. В первой реакции выделяется один нейтрон, уносящий 14 МэВ из 18, а во второй он расходуется, но выделяется три менее энергичных нейтрона, годных лишь для получения трития из лития-6. В результате получается усиление более чем в 10 раз! А это значит, что почти все термоядерные нейтроны используются «по назначению», и улетает небольшая часть.
С самого начала Сахаров не хотел заниматься абсолютно секретной военной темой — он отказывался от перехода в группу, хотя ему обещали помочь с жильем и другими материальными благами, которых отчаянно не хватало в послевоенной Москве. В своих мемуарах он пишет, что дважды отказывался от предложений военных и Курчатова, но на третий раз, в 1948 году, его согласия уже не спрашивали. Главной особенностью таланта Сахарова, о которой упоминали все работавшие с ним, было то, что он мог видеть работоспособность или правильность какой-либо физической идеи без точных расчетов, интуитивно, поэтому неудивительно, что всего через несколько месяцев после того, как он увидел схему устройства будущей РДС-1, ему пришла идея добавить в урановый контейнер, окружающий плутониевое ядро, слой легких элементов. Это случилось еще осенью 1948 года, до первого испытания. Правда, первоначально предполагалось использовать тяжелую воду — как вещество, содержащее дейтерий в максимально объемной концентрации.
Предложение использовать дейтерид лития вместо дейтериевой воды исходило от В.Л. Гинзбурга, который из-за «погрешностей в анкетных данных» (его жена была осуждена по политической статье и после заключения отбывала ссылку в Горьком) в группу не входил и к большей части атомных секретов допущен не был. У гидрида лития было несколько решающих преимуществ по сравнению с тяжелой водой. Во‑первых, это твердое вещество, что несколько упрощает конструкцию и сильно облегчает эксплуатацию ядерного взрывного устройства. Во‑вторых, из лития при бомбардировке нейтронами получается тритий, который вступает в термоядерную реакцию с дейтерием с выделением большей энергии, чем в чистом дейтерии. В-третьих, литий участвует в замедлении нейтронов (кислород в воде для этого слишком «тяжел»). Поэтому идея была принята с большим энтузиазмом.
Испытания РДС-бс 12 августа 1953 года на Семипалатинском полигоне.
Угадать с первой попытки
Конструкция, позднее получившая название «слойка Сахарова», кажется очевидной, но ведь правильную толщину слоев рассчитать было непросто. Она определяется тем, что дейтерид лития — хороший замедлитель нейтронов, а уран-238 их отражает. Для получения трития больше подходят медленные нейтроны. В итоге вышло, что слоев легких элементов должно быть два, а урана-238 — три. Не все факторы поддавались расчету, пришлось поверить интуиции теоретиков, что перемешивание слоев не будет катастрофическим. А ведь сначала сборку должна была обжать сходящаяся взрывная волна от имплозии обычной взрывчатки, а потом световое давление от рентгена «раздвинет» ее обратно, да еще с такой скоростью, что внешние слои не успеют за внутренними! За счет этого и происходит сжатие термоядерного материала и его адиабатический нагрев. Но после этого, несмотря на продолжающийся с фантастической для химической взрывчатки скоростью разлет бывшей критической сборки, внутри «слойки» еще происходит дополнительное изотермическое сжатие легких элементов за счет ионизации урана-238, поглощающего рентгеновское излучение взорвавшейся атомной «зажигалки». Это неожиданное на первый взгляд явление назвали «сахаризацией». И при продолжающемся разлете еще недавно красивой конструкции из вложенных шариков начнется и столь же быстро кончится пачка термоядерных реакций — из лития-6 нейтроны будут добывать тритий, он будет реагировать с дейтерием, давая новые термоядерные нейтроны, часть из которых пойдет на добычу нового трития, а часть будет делить уран-238, из осколков которого будут вылетать еще нейтроны, и цепь замкнется.
В Саратовском музее истории ядерного оружия баллистический корпус РДС-6с стоит на почетном центральном месте.
Но эта реакция не самоподдерживающаяся, потому что она может происходить только в неравновесном состоянии. Пик выделения энергии занимает доли микросекунды, потом разлет атомов сделает свое дело, расстояния между ними увеличатся настолько, что нейтроны перестанут попадать в свои «цели», и реакция быстро затухнет. Поэтому у «слойки» есть оптимальный размер, и советские физики и оружейники его фактически угадали — с первой попытки. Позднее британцы испытали «слойку» на 720 кт, но КПД у нее был заметно меньше.
Первая «слойка» не была дешевой и удобной. В ней одновременно были использованы все способы увеличения энерговыделения. И внутренний слой дейтерида лития содержал большое количество (порядка сотни граммов) тритида лития, так сказать, для гарантии; поскольку не требовалось получать этот тритий во время взрыва, сильно уменьшалась неопределенность и упрощались расчеты. А численные расчеты тогда приходилось вести вручную, на арифмометрах. Использование трития позволило вдвое уменьшить армию девушек за арифмометрами. Но тритий очень дорог, его получение требует большого расхода урана-235, период полураспада — около 12 лет, и очень «летуч», как и обычный водород.
В двадцать раз сильнее
РДС-6с, несмотря на номер, была лишь четвертым ядерным испытанием в СССР, конструкции с номерами 4 и 5 были испытаны позже. Баллистический корпус этой бомбы выглядит куда более совершенным, чем использованный в РДС-1. Хотя бомба была готова для сброса с самолета, было решено подрывать ее на башне, в центре того же поля, что и РДС-1. Научный руководитель Российского федерального ядерного центра (РФЯЦ) ВНИИЭФ Радий Иванович Илькаев объясняет выбор так: «При сбросе с самолета можно надежно измерить только мощность взрыва, но при всех ранних испытаниях делались еще так называемые физические опыты, для правильной интерпретации результатов которых было важно, чтобы не было отраженной от земли ударной волны — то есть чтобы центр выделения энергии был на той же высоте, что и регистрирующая аппаратура».
К новому испытанию полигон пришлось «чистить» — снять бульдозерами и увезти радиоактивный грунт. Были восстановлены здания, сооружения и наблюдательные пункты. И вот — взрыв! Из-за двадцатикратного увеличения энерговыхода его внешний вид радикально отличался от испытанных раньше атомных зарядов. Без всяких физических опытов было видно, что сооружения, уцелевшие при предыдущих взрывах, разрушены в пыль. Стотонный макет железнодорожного моста отбросило на 200 м. Яркость вспышки ослепляла даже через черные очки.
В официальном сообщении ТАСС говорилось, что »12 августа был испытан один из видов водородной бомбы». Ревнители терминологии говорят, что правильнее считать ее атомной бомбой с термоядерным усилением. Но главная задача была решена успешно: в габаритах и массе РДС-1 создан заряд, имеющий в 20 раз больший энерговыход.
Андрей Сахаров
Рассчитанная мощность нового «изделия» составляла 300+/-100 кт, а в реальности бомба выдала, как говорят ядерщики, «по верхней границе» — все 400 кт. Такая точность — +/-30% — была предметом гордости советских теоретиков, у американцев с вычислением и попаданием в предсказанный диапазон было гораздо хуже. Так, например, у «Майка», первого в мире термоядерного взрыва, расчетный эквивалент составлял 1,5−30 Мт, с наиболее вероятной оценкой в 5 Мт, а измеренный — около 10,4 Мт. Скромные на этом фоне отечественные 400 кт были более актуальным достижением, потому что бомба помещалась в самолет Ту-16 и годилась для боевого применения «хоть завтра». Тем не менее поставить на поток производство таких бомб было невозможно, и на вооружение была принята версия этого заряда, не содержавшая трития, — РДС-27 мощностью 250 кт.
Тогда, в начале 1950-х, «слойка» была запасным вариантом, потому что под вопросом оказалась работоспособность основной схемы термоядерного заряда, РДС-6т, которая в американских материалах называлась «классический Супер». Над ней работал Клаус Фукс, о чем он и сообщил нашим разведчикам, но предупредить, что это тупик, уже не успел — Сахарову пришлось дойти до этого самому. Был и еще один запасной вариант — «просто большая» атомная бомба РДС-7. Она позволяла получить тротиловый эквивалент примерно такой же, как у РДС-6с, без всех новых технологий, но… слегка не помещалась в Ту-16. Точно так же страховались и американцы, взорвав бомбу подобного типа через две недели после первого настоящего термоядерного взрыва «Майк».
Сравнять счет
Заслуга «слойки» не только в том, что она позволила, хоть и с оговорками, «сравнять счет» с американскими ядерщиками. Разработка РДС-6с привела к запуску обогатительного производства для лития. Природный литий состоит из двух изотопов, с массами 6 и 7, и для термоядерной бомбы лучше подходит легкий изотоп. Американцы, как говорит директор РФЯЦ ВНИИЭФ Валентин Ефимович Костюков, «испугались» расчетных сложностей (при использовании лития возможно много разных термоядерных реакций, по терминологии ядерщиков — «каналов», с одними и теми же исходными атомами) и не стали заниматься литием на ранних этапах термоядерной гонки. Поэтому их первые «сухие», без жидкого дейтерия, термоядерные взрывные устройства содержали либо природный литий, включавший всего 7,5% нужного изотопа, либо частично обогащенный (до 40%). В советских бомбах и боеголовках с самого начала использовался только легкий изотоп, что делало их легче и компактнее. Для «слойки» же началось освоение и тритиевых технологий — во всех современных малогабаритных боеголовках приходится использовать тритиевое усиление, но разработчики РДС-6с были пионерами в освоении этого капризного и коварного ядерного материала.
Да, как только появились двухфазные взрывные устройства, «слойка» устарела —, но роль свою сыграть успела. Уже 60 лет отделяют нас от того испытания, уже закрыт Семипалатинский полигон, уже больше двадцати лет вообще не гремят ядерные взрывы ни на российском полигоне, ни на американском, и это, безусловно, заслуги того давнего успеха наших ядерщиков, сделавших ядерную войну из неизбежной — невозможной.
