60 лет назад — 29 августа 1949 года в 4 часа утра по московскому времени — на Семипалатинском полигоне произошло успешное испытание первой советской атомной бомбы РДС-1 с заявленной мощностью 20 кт. Благодаря этому событию в мире, как утверждалось, был установлен стратегический военный паритет между СССР и США. И гипотетическая война с катастрофическими для Советского Союза последствиями реализовалась в своем холодном агрегатном состоянии.

По стопам проекта «Манхэттен»

У Советского Союза (как, впрочем, и у Германии) были все основания стать лидером в ядерной гонке. Этого не случилось из-за той большой роли, которую наука играла в идеологии новой власти. Руководство коммунистической партии, следуя заветам бессмертного труда «Материализм и эмпириокритицизм», с тревогой следило за расцветом «физического идеализма». В 30-е годы Сталин был склонен доверять не тем физикам, кто утверждал, что при помощи некой цепной реакции в изотопах тяжелых элементов можно выделять громадную энергию, а тем, кто отстаивал в науки материалистические принципы.

Правда, о возможностях военного применения энергии атомного ядра советские физики заговорили только в 1941 году. Георгий Николаевич Флеров (1913–1990), который перед войной в лаборатории Игоря Васильевича Курчатова (1903–1960) работал над проблемой цепной реакции деления ядер урана, а затем служил лейтенантом в ВВС, дважды посылал Сталину письма, в которых сожалел о «большой ошибке» и о «добровольной сдаче завоеванных до войны позициях в исследованиях по ядерной физике». Но — тщетно.

Лишь в сентябре 1942 года, когда из разведданных стало известно о развертывании возглавляемого Робертом Оппенгеймером (Julius Robert Oppenheimer, 1904–1967) американского проекта «Манхэттен», выросшего из деятельности англо-американской Урановой комиссии, Сталин подписал постановление «Об организации работ по урану». Оно предписывало АН СССР «возобновить работы по исследованию осуществимости использования атомной энергии путем расщепления урана и предоставить ГКО к 1 апреля 1943 г. доклад о возможности создания урановой бомбы или уранового топлива».

В середине апреля 1943 года в Москве, в Покровском-Стрешневе, была создана Лаборатория № 2, в которую вошли крупнейшие физики страны. Возглавил лабораторию Курчатов, а общее руководство «урановыми работами» поначалу возлагалось на Молотова, но потом его сменил в этой функции Берия.

Вполне понятно, что ресурсы Советского Союза были несопоставимы с теми возможностями, которыми обладали не слишком обремененные войной Штаты. Однако вряд ли только этим объясняется громадный разрыв в масштабах разработок, проводившихся в Лос-Аламосе и в Москве. В проекте «Манхэттен» принимали участие 12 Нобелевских лауреатов из США и Европы, 15 тыс. ученых, инженеров и техников, 45 тыс. рабочих, 4 тыс. стенографисток, машинисток и секретарей, тысяча сотрудников службы безопасности, обеспечивавших режим чрезвычайной секретности. В Лаборатории № 2 — 80 человек, из которых лишь двадцать пять были научными сотрудниками.

К концу войны работа практически не сдвинулась с мертвой точки: в Лаборатории № 2, а также в открытых в начале 1945 года Лабораториях № 3 и № 4 изыскивались методы получения плутония на реакторах различных принципов действия. То есть занимались научными, а не опытно-конструкторскими разработками.

Атомные бомбардировки Хиросимы и Нагасаки фактически открыли глаза правительству СССР на уровень нависшей над страной угрозы. И тогда был создан спецкомитет во главе с Берией, который получил чрезвычайные полномочия и неограниченное финансирование. Вялотекущая исследовательская работа сменилась энергичным инновационным рывком вперед. В 1946 году на запущенном в курчатовской лаборатории уран-графитном реакторе начали получать плутоний-239 путем бомбардировки урана медленными нейтронами. На Урале, в частности в Челябинске-40, были создано несколько предприятий по производству оружейного урана и плутония, а также химических компонентов, необходимых для создания бомбы.

В Сарове под Арзамасом начал создаваться филиал Лаборатории № 2, получивший название КБ-11, ему поручалась разработка конструкции бомбы и её испытание не позднее весны 1948 года. Причем вначале надлежало сделать плутониевую бомбу. Такой выбор был предопределен тем, что в Лаборатории № 2 имелась подробная схема американской плутониевой бомбы «Толстяк», сброшенной на Нагасаки, которую передал советской разведке участвовавший в её разработке немецкий физик Клаус Фукс (Claus Foocks, 1911–1988), придерживавшийся коммунистических взглядов. Советское руководство в условиях накаляющихся отношений с США спешило и хотело получить гарантированный положительный результат. В связи с чем у научного руководителя проекта Курчатова выбора не было.

Уран или плутоний?

Классическая схема цепной ядерной реакции, протекающей в изотопе урана 235U, представляет собой экспоненциальную функцию времени с основанием 2. Нейтрон, столкнувшись с ядром одного из атомов, расщепляет его на два осколка. При этом высвобождаются два нейтрона. Они в свою очередь расщепляют уже два урановых ядра. На следующем этапе происходит вдвое больше делений — 4. Затем — 8. И так далее, по нарастающей, пока, опять же условно говоря, все вещество не будет состоять из осколков двух типов, атомные массы которых соотносятся приблизительно как 95/140. В результате выделяется огромная тепловая энергия, 90% которой дает кинетическая энергия разлетающихся осколков (на каждый осколок приходится 167 МэВ).

Но чтобы реакция протекала именно так, надо, чтобы ни один нейтрон не пропал зря. В небольшом объеме «горючего» выделяющиеся в процессе деления ядер нейтроны вылетают за его пределы, не успевая вступить в реакцию с ядрами урана. Вероятность возникновения реакции зависит и от концентрации изотопа 235U в «горючем», которое состоит из 235U и 238U. Поскольку 238U поглощает быстрые нейтроны, не принимающие участия в реакции деления. В природном уране содержится 0,714% 235U, в обогащенном, оружейном, его должно быть не меньше 80%.

Аналогично, хоть и со своей спецификой, протекает реакция и в изотопе плутония 239Pu.

С технической точки зрения, создать урановую бомбу было проще, чем плутониевую. Правда, для нее требовалось на порядок больше урана: критическая масса урана-235, в котором протекает цепная реакция, составляет 50 кг, а для плутония-239 она равна 5,6 кг. При этом получение оружейного плутония при помощи бомбардировки урана-238 в реакторе — не менее трудоемкое дело, чем выделение изотопа урана-235 из урановой руды на центрифугах. Обе эти задачи требовали как минимум 200 т урановой руды. И их решение потребовало максимальных вложений как финансовых, так и производственных ресурсов по отношению ко всей стоимости советского ядерного проекта. Что же касается человеческих ресурсов, то тут Советский Союз со временем многократно превзошел США: в конце концов, к созданию бомбы оказались причастны 700 тыс. человек, преимущественно заключенных.

«Малыш» или «Толстяк»?

Урановая бомба, сброшенная американцами на Хиросиму и получившая название «Малыш», собиралась в стволе, позаимствованном у расточенной до необходимого диаметра 75-миллиметрой зенитной пушки. Туда было уложено шесть последовательно соединенных друг с другом урановых цилиндров с общей массой 25,6 кг. Длина снаряда равнялась 16 см, диаметр — 10 см. В конце ствола располагалась мишень — полый урановый цилиндр с массой 38,46 кг. Её внешний диаметр и длина равнялись 16 см. Для увеличения мощности бомбы мишень была вмонтирована в отражатель нейтронов из карбида вольфрама, что позволяло добиться более полного «сгорания» урана, участвовавшего в цепной реакции.

Бомба имела диаметр 60 см, длину более двух метров и весила 2300 кг. Её срабатывание осуществлялось за счет поджигания порохового заряда, который гнал урановые цилиндры по двухметровому стволу со скоростью 300 м/c. При этом разрушались боровые предохранительные оболочки. В «конце пути» снаряд входил в мишень, сумма двух половинок превышала критическую массу, и происходил взрыв.

Военные, которым было поручено боевое применение «Малыша», опасались, что при неосторожном обращении любой удар мог привести к детонации взрывателя. Поэтому порох загрузили в бомбу только после взлета самолета.

Устройство советской плутониевой бомбы, за исключением её габаритов, подогнанных к бомболюку тяжелого бомбардировщика Ту-4, и аппаратуры срабатывания при достижении давления атмосферы заданной величины, в точности повторило «начинку» другой американской бомбы — «Толстяк».

Пушечный способ сближения двух кусков с полукритической массой для плутония не подходит, поскольку это вещество имеет существенно более высокий нейтронный фон. И при сближении кусков со скоростью, достижимой с помощью бризантного толкателя, до начала цепной реакции за счет сильного разогрева должно произойти расплавление и испарение плутония. А это неизбежно должно привести к механическому разрушению конструкции и выбрасыванию не прореагировавшего вещества в атмосферу.

Поэтому в советской бомбе, как и в американской, был применен способ динамического сжатия куска плутония сферической ударной волной. Скорость волны достигает 5 км/с, за счет чего плотность вещества возрастает в 2,5 раза.

Самое сложное в имплозивной бомбе — создание системы взрывных линз, визуально напоминающей геометрию футбольного мяча, которые направляют энергию строго к центру куска плутония, имеющего размер куриного яйца, и обжимают его симметрично с погрешностью менее одного процента. Причем каждая такая линза, сделанная из сплава тротила и гексогена с добавлением воска, имела два типа фрагментов — быстрый и медленный. Когда в 1946 году у одного из участников Манхэттенского проекта спросили относительно перспектив создания советской бомбы, он ответил, что она появится не ранее, чем через 10 лет. И только лишь из-за того, что русские будут долго биться над проблемой идеальной симметрии имплозии.
Советский «Толстяк»

Советская бомба РДС-1 имела длину 330 см, диаметр — 150 см и весила 4700 кг. Внутри каплевидного корпуса с классическим Х-образным стабилизатором размещались концентрически вложенные друг в друга сферы.

В центре всей конструкции находился «нейтронный запал», представляющий собой шарик из бериллия, внутри которого находился источник нейтронов полоний-210, экранированный бериллиевой оболочкой. При достижении ударной волны запала бериллий и полоний смешивались, и происходил выброс в плутоний «поджигающих» цепную реакцию нейтронов.

Далее шли две 10-сантиметровые полусферы из плутония-239 в состоянии с пониженной плотностью. Так плутоний было проще обрабатывать, а нужная итоговая плотность возникала в результате имплозии. Расстояние в 0,1 мм между полусферами было заполнено прослойкой из золота, которая препятствовала преждевременному проникновению ударной волны в нейтронный запал.

Функцию отражателя нейтронов выполнял слой природного урана толщиной 7 см и весом 120 кг. В нем протекала реакция деления с выделением нейтронов, которые частично возвращались в кусок плутония. Уран-238 давал 20% мощности бомбы.

Слой «толкателя», представляющего собой сферу из алюминия толщиной 11,5 см и весом 120 кг, предназначался для того, чтобы погасить Тейлорову волну, приводящую к резкому падению давления позади детонационного фронта.

Окружала конструкцию взрывчатая оболочка толщиной 47 см и весом 2500 кг, состоявшая из сложной системы взрывных линз, сфокусированных к центру системы. 12 линз были пятиугольными, 20 — шестиугольными. Каждая линза состояла из чередовавшихся участков быстродетонирующего и медленного взрывчатого вещества, имевших различную химическую формулу.

Макет первой отечественной атомной бомбы РДС-1 выставлен в московском Политехническом музее.

Бомба имела две автономные системы подрыва — от удара о почву и при достижении давления атмосферы заданного значения (высотный взрыватель).

Было изготовлено 5 бомб РДС-1. Первая из них и была взорвана на полигоне под Семипалатинском в наземном положении. Мощность взрыва была официально зафиксирована на уровне в 20 кт, но со временем выяснилось, что это слишком завышенная оценка. Реальная — на уровне вдвое ниже. К тому времени у американцев было уже 20 таких бомб, и любые претензии на паритет были беспочвенны. Но монополия была нарушена.

Ещё четыре таких бомбы ни разу не поднимались в воздух. На вооружение была поставлена РДС-3 — оригинальная советская разработка. Эта бомба при меньших габаритах и массе обладала мощностью 41 кт. Это стало возможным, в частности, за счет усиления реакции деления плутония термоядерной реакцией синтеза дейтерия и трития.


Владимир Тучков, 27.08.2009