Реферат: Создание термоядерного оружия в СССР: второй этап ядерной гонки

А.Б.Колдобский, МИФИ, г. Москва

Прогремевший 29.08.49 на Семипалатинском полигоне первый советский ядерный взрыв уравнял шансы двух мировых сверхгигантов послевоенного времени, США и СССР, в гонке за решающим превосходством в области военных технологий. Увы, закончиться достигнутым status quo эта гонка не могла.

Во-первых, налицо была стремительно прогрессирующая глобальная поляризация мира, сопровождавшаяся быстрым ростом напряженности международной обстановки в целом, – формировался климат «холодной войны». Сочетание этих факторов резко повышало шансы прямого военного столкновения, что заставляло обе сверхдержавы считать опережающее развитие новейшей военной техники высшим государственным интересом.

Во-вторых, чтобы стать во второй половине 40-х гг. ядерными державами, и США, и СССР потребовалось создать и раскрутить чудовищные по своей инерционности маховики национальных военно-ядерных комплексов. На примере СССР мы уже видели, каких сил и средств это потребовало [1], но еще важнее то, что остановить (или хотя бы затормозить) эти маховики, да еще с учетом указанных выше политических реалий, было невозможно – злобное божество устами своих жрецов (как ни парадоксально, талантливейших ученых, истинных патриотов своих стран) требовало все новых и новых жертв на алтарь создания уже труднопредставимых по своей разрушительной мощи систем оружия. Робкие попытки противостоять этой страшной логике со стороны некоторых американских ученых [2] не имели ни малейшего успеха, как не смогла ни на что повлиять фрондерская позиция некоторых крупных советских физиков (в частности П.Л.Капицы [3, 4]). Еще далеко было до первых демаршей А.Д.Сахарова против сверхмощных ядерных испытаний в атмосфере, не скоро прозвучит и предостережение уходящего в отставку Д.Эйзенхауэра о потенциальной опасности всемогущего военно-промышленного комплекса для национальной безопасности страны. Осознание же бессмысленности накопления избыточного объема вооружений даже и не просматривалось за несколькими десятилетиями страха и взаимной вражды. Тогда, в конце 40-х – начале 50-х, в обстановке ксенофобии и философии «осажденного лагеря» последних лет жизни Сталина в СССР и маккартизма в США, протесты и предостережения были обречены на полное непонимание не только политиков (это понятно), не только ученых из ядерных лабораторий и военных институтов и сотрудников оборонной промышленности (что тоже неудивительно), но и широких слоев населения. Так было в США, так было и в СССР, где в условиях послевоенной разрухи затрачивание все новых миллионов рублей на гонку вооружений вынуждало многих голодать в самом прямом значении этого слова.

Наконец, в-третьих, базовый принцип создания нового оружия, казалось, сам давался в руки. Действительно, даже поверхностное знакомство с ядерной физикой говорило: освободить колоссальную энергию, скрываемую в атомном ядре, можно двумя путями: разделить наиболее тяжелые ядра (имеющегося в природе урана или получаемого искусственно плутония) либо заставить слиться наиболее легкие (изотопы водорода). Первый из этих путей (реакция деления) и был реализован в атомном оружии (впрочем, как мы увидим далее, иначе и быть не могло). Казалось, пришла пора реализации и второго (реакции синтеза), тем более что он обещал великолепные перспективы при решении такой важнейшей для физиков-оружейников задачи, как требуемое военными резкое увеличение мощности ядерных боеприпасов.

Дело в том, что попытки осуществить это увеличение в рамках конструкций ядерных взрывных устройств (ЯВУ) деления натолкнулись на серьезнейшие трудности. В первооснове лежало противоречие между требованием увеличения количества делящегося материала (урана, плутония) в сверхкритическом состоянии, с одной стороны, и обеспечением подкритичности конструкции до момента взрыва, с другой. Каждая новая килотонна проектной мощности заряда, начиная с 70–80 кт, вела к лавинообразно нарастающим техническим трудностям, которые при мощности свыше 100 кт становились непреодолимыми. И хотя несколько позже благодаря реализации новых физических идей и моделей и советским, и американским ученым и инженерам удалось реализовать достаточно компактные конструкции чисто делительных ЯВУ мощностью несколько сот килотонн, было уже ясно, что будущее – за реакциями синтеза.

Ведь материалы на основе легких элементов критической массы не имеют. При наличии соответствующих условий прореагируют и граммы, и килограммы, которые до этого могут содержаться в конструкции в каком угодно количестве, состоянии и взаимной конфигурации. С точки зрения конструктора, это уже немало, но легкие вещества и как собственно ядерная взрывчатка чрезвычайно эффективны. Например, при полном протекании реакции ядерного синтеза в оптимальной по составу смеси тяжелого и сверхтяжелого изотопов водорода (дейтерия и трития) энергии выделяется в 4,2 раза больше, чем при полном делении ядер такой же массы урана-235!

Итак, принцип создания нового, гораздо более мощного оружия был налицо. Дело было «за малым» – на практике обеспечить те самые условия протекания реакций синтеза легких элементов. Но это оказалось невероятно трудно…

Итак, второй этап ядерной гонки стартовал. Все начиналось снова, но в совершенно других условиях. И без осознания существа этих различий невозможно создать версию событий, свободную от очевидных противоречий. А ведь и это непросто – достаточно ознакомиться с острой полемикой в печати не только между американскими и российскими исследователями и очевидцами событий, но и между самими конструкторами советского термоядерного оружия (ТЯО) – В.Б.Адамским и Г.А.Гончаровым, Ю.С.Смирновым и Л.П.Феоктистовым!

Общим было лишь ясное понимание фундаментальных физических основ действия нового оружия – как атомного, так и термоядерного. Они были известны еще с середины 30-х гг. – для поджигания термоядерного горючего, несомненно, требуются огромные температуры и давления. Здесь (и пожалуй, только здесь) можно провести аналогию с созданием атомного оружия, когда тоже был известен главный, фундаментальный физический принцип (цепная реакция ядерного деления) и основная идея его реализации (создание сверхкритического состояния делящегося материала).

Главным, ключевым моментом в создании атомного оружия была наработка необходимого количества делящегося материала. Другими словами, при всей значимости возникавших в этой связи научных проблем (в решении которых, кстати говоря, очень эффективно помогла разведка) основной все же была «работа руками» – постройка и форсированная эксплуатация громадных рудников и циклопических комбинатов (подобных заводам-817, -813 и -418). Наиболее же наукоемкая часть работ (конструирование ЯВУ) была несравненно меньше. Как мы помним, к моменту получения первого плутония на комбинате-817 все конструкторские работы в КБ-11 были завершены (и не в одном варианте), так что между этим моментом и первым атомным испытанием не прошло и месяца. Так же, в общем, обстояло дело и у американцев. Добавим сюда большой «удельный вес» организационной стороны дела – создание структуры Манхэттенского проекта в США и системы Специального Комитета (СК) и Первого Главного Управления (ПГУ) в СССР [1].

На этапе же широкого развертывания работ по созданию ТЯО урановые рудники, исследовательские лаборатории, атомные заводы и комбинаты в основном были уже построены, организационные структуры интенсивно работали (мало того, их наличие само по себе во многом подстегивало ядерную гонку). Вопросы наработки новых материалов, необходимых именно для ТЯО (например трития и дейтерида лития-6), разумеется, вставали, однако их относительная значимость была неизмеримо ниже. Главное было в другом: в поиске физических и технических путей реализации условий для протекания взрывной реакции синтеза. Другими словами, если создание атомного оружия было все же в основном проблемой организационной и инженерно-технической, то борьба за обладание ТЯО была «битвой мозгов», заочной схваткой интеллектуальных потенциалов двух сверхдержав.

Существовало и другое важное различие. Основными научными направлениями при разработке атомного оружия являлись нейтронная физика и газодинамика (гидродинамика сжимаемой жидкости) [5]. К середине 40-х гг. это были вполне сложившиеся направления физики с теоретическим, экспериментальным и методическим обеспечением. Создание же ТЯО потребовало появления совершенно новых физических дисциплин – физики высокотемпературной плазмы, сверхвысоких плотностей энергии, аномальных давлений и т.д. Эти процессы в природе происходят только в недрах звезд, и исследовать их можно лишь с помощью теории и математического моделирования. Далеко не случайна огромная роль в разработке ТЯО принадлежит не только физикам-теоретикам – Тамму и Теллеру, Сахарову и Бете, – но и математикам – Уламу и Тихонову, Эверетту и Самарскому, и многим другим.

На старте: первые идеи и подходы. Тупики собственные и украденные (1946 – 1952)

В США идея об инициировании термоядерных реакций в среде из дейтерия с помощью активно разрабатываемого тогда ЯВУ деления впервые возникла, вероятно, в 1941 г., в ходе бесед Э.Ферми и Э.Теллера. Еще в 1942 г. Э.Теллер впервые выдвинул общую концепцию устройства, получившего название «классический супер». Относительно целостный вид она приобрела к концу 1945 г. [6]. Речь шла о возбуждении с помощью атомной бомбы на основе 235U ядерной детонации в длинном цилиндре с жидким дейтерием, снабженном промежуточной «запальной» камерой с дейтериево-тритиевой смесью, т.к. сечение реакции синтеза дейтерия с тритием почти в 100 раз больше, чем ядер дейтерия между собой. Образно говоря, тритий должен был сыграть роль стакана бензина, выплеснутого в большой костер, чтобы разжечь его одной спичкой.

В 1946 г. было предложено использовать в качестве главной физической субстанции излучение первичного уранового заряда, для чего дейтериево-тритиевую смесь требовалось вынести за его пределы и окружить объем ее локализации непрозрачным для излучения кожухом. Именно так родился основополагающий принцип действия современного ТЯО – радиационная имплозия.

Однако это предложение значительно опередило время. Тогда расчетно-теоретические методы исследования сложнейших процессов, происходящих в устройстве такого рода (в первую очередь, математическое моделирование), отсутствовали, а без них было невозможно и его практическое воплощение. Речь идет именно о методах, а не об аппаратурных средствах, какими являлись первые компьютеры (типа ЭНИАК Д. фон Неймана). Хорошо известно, что отставание от США в области ЭВМ советские ученые компенсировали разработками изощренных вычислительных методов, позволявших проводить сложнейшие расчеты на весьма примитивной аппаратуре (например, на электромеханических арифмометрах «Мерседес» [7]). Вот где и как сказались огромные возможности русской и советской математической школы!

Остается назвать лишь авторов этой великолепной догадки, оформленной совместной приоритетной заявкой от 28.05.46 [6]. Это известный математик, физик и кибернетик Д. фон Нейман и… Клаус Фукс! Да-да, именно тот К.Фукс, самый значимый источник важнейшей разведывательной информации! Он был привлечен к работам по «классическому суперу», вероятно, в конце 1944 г. и знал о нем очень многое. Естественно, что с начала 1945 г. информация начала поступать в СССР. Уже в марте 1945 г. было получено сообщение о Э.Теллере как о руководителе работ по созданию «сверхбомбы» со взрывным эквивалентом до 1 млн т тринитротолуола (ТНТ). Затем поступили и сообщения физико-технического характера. Больших надежд на практическую реализуемость этих проектов не возлагалось, но подчеркивалось, что «водородной бомбой» следует заниматься по крайней мере до тех пор, пока не будет доказана ее неосуществимость [8].

Впрочем, до августа 1945 г. эти данные каких-либо заметных последствий не имели. Чтобы это случилось, потребовались Хиросима и Нагасаки. С начала осени 1945 г. отношение к донесениям Фукса приобрели совершенно иной характер: руководство СК и ПГУ прекрасно знало, что Фукс – первоклассный физик, способный выполнить первичную смысловую фильтрацию поступающего материала.

Любопытно, что в истории создания советского ТЯО был эпизод, вызывающий некоторые аналогии с письмом Г.Н.Флерова Сталину. 22.09.45 И.В.Курчатов получил докладную записку от физика-теоретика старшего поколения Я.И.Френкеля, где обращалось внимание на перспективность использования атомного боеприпаса для «проведения синтетических реакций (например, образования гелия из водорода) которые… могли бы еще более повысить энергию, освобождаемую при взрыве основного вещества, – уран, свинец [! – А.К.], висмут [! – А.К.]» [6]. Я.И.Френкель, без сомнения, не имел доступа к разведданным по атомной проблеме, и наивность упоминания свинца и висмута лишний раз это доказывает. Тем не менее его высокая профессиональная квалификация (подтвержденная пионерскими работами по физике деления) сомнений не вызывала.

Скорее всего и механизм принятия решений о развертывании работ по ТЯО был до некоторой степени прежним – имея в виду все, не принимать ничего на веру и сообразовываться с возможностями, обстоятельствами и здравым смыслом. Величайшая заслуга руководства СК и ПГУ (в первую очередь И.В.Курчатова) в том, что оно не позволило проблеме ТЯО утонуть в болоте неисчислимых текущих дел, связанных с разработкой атомного оружия. Впрочем, объективная ограниченность сил и средств (кадровый дефицит в первую очередь) в 1945–1947 гг. свой отпечаток на развитие работ по ТЯО все же отложила.

17.12.45 на заседании технического совета СК было заслушано подготовленное по поручению И.В.Курчатова сообщение И.И.Гуревича, Я.Б.Зельдовича, И.Я.Померанчука и Ю.Б.Харитона «Использование ядерной энергии легких элементов» [9]. В нем в чисто теоретическом аспекте была рассмотрена возможность возбуждения ядерной детонации в длинном цилиндре с дейтерием. Трудно сказать, был ли как минимум один из авторов, Ю.Б.Харитон, ознакомлен с информацией К.Фукса по «суперу» (И.И.Гуревич, в частности, это категорически отрицал [10]), но в любом случае речь, несомненно, идет о первом целенаправленном шаге советских ученых [7].

Других шагов, однако, не последовало в течение почти двух лет, и работы в области термоядерных исследований почти остановились. Лишь в Институте химфизики в Москве А.С.Компанеец и С.П.Дьяков под руководством Я.Б.Зельдовича продолжали теоретическое исследование проблемы неравновесного ядерного горения дейтерия. Нельзя исключить, что одной из причин такого «забвения» (за которым, несомненно, стояла общая научно-техническая политика руководства СК и ПГУ) были встречи советского физика (а «по совместительству» и разведчика) Я.П.Терлецкого в Копенгагене 14 и 16 ноября 1945 г. с Н.Бором. На вопрос о «сверхбомбе» (именно в такой формулировке, утвержденной Л.П.Берия [6]) Бор ответил весьма скептически: «Что такое сверхбомба? Это – или бомба большего веса, чем уже изобретенная, или бомба… из какого-то нового вещества… Первое возможно, но бессмысленно, т.к. разрушительная сила <...> и так очень велика, а второе, я думаю, нереально» [курсив мой. – А.К.]. Такой ответ вполне мог способствовать решению максимально сосредоточить интеллектуальные и материальные ресурсы СССР только на создании бомбы деления.

С ретроспективной точки зрения совершенно очевидно, что постепенное, эволюционное развитие работ по ТЯО в СССР в эти годы было нереальным. Требовалось какое-то событие, которое смогло бы придать им столь же мощный импульс, как Хиросима и Нагасаки, – работам по атомному оружию. И таким событием, вероятно, стала информация, полученная советским разведчиком А.С.Феклисовым от Фукса в Лондоне 13.03.48.

Это была уже вторая их встреча. Первая произошла еще 28.09.47, вскоре после возвращения Фукса из США в Англию, но каких-либо значимых последствий она не имела. Почему – сказать трудно; возможно, сыграла роль излишняя формализация запроса (Фукс отвечал на десять вопросов Феклисова). Зато 13.03.48 в руки советской разведки попал, по существу, весь проект «классический супер» по состоянию примерно на начало 1947 г., включая значения сечений реакции взаимодействия ядер дейтерия и трития, общую конструкцию бомбы на принципе радиационной имплозии и устройство блока зажигания. Но в этих документах, как и в более ранних, отсутствовало основополагающее теоретическое доказательство принципиальной возможности неравновесного (взрывного) горения в цилиндре с дейтерием, такая возможность лишь постулировалась [6].

Однако на это обстоятельство (впоследствии, как мы увидим, ставшее роковым для судьбы «классического супера») внимания никто не обратил. Впрочем, может быть, тогда это и не было главным. Зато для членов высшего политического руководства страны (20.04.48 руководство МГБ СССР направило русский перевод материалов Фукса И.В.Сталину, В.М.Молотову и Л.П.Берия) стало совершенно ясным другое, существенно более важное: в США полным ходом идет разработка нового сверхмощного оружия, возникла реальная опасность отставания, которое может стать гибельным для страны, необходимо в кратчайший срок принимать ответные меры.

23.04.48 Л.П.Берия направляет материалы Фукса начальнику ПГУ Б.Л.Ванникову, а также И.В.Курчатову и Ю.Б.Харитону для подготовки необходимых предложений. Эти предложения и были положены в основу подписанного И.В.Сталиным 10.06.48 постановления СМ СССР «О дополнении плана работ КБ-11», которое обязывало создать в КБ-11 специальную группу по созданию водородной бомбы (РДС-6). Другим постановлением СМ СССР от того же дня определялись важнейшие организационные меры. В частности, оно обязывало Физический институт АН СССР (директор – академик С.И.Вавилов), славившийся блестящей школой исследований неравновесных процессов, «организовать исследовательские работы по разработке теории горения дейтерия по заданиям Лаборатории № 2 (Ю.Б.Харитон, Я.Б.Зельдович), для чего в двухдневный срок создать <…> специальную исследовательскую группу под руководством члена-корреспондента АН СССР И.Е.Тамма…» [6]. Интересно, что этим же постановлением были улучшены жилищные условия ряда участников работ, в частности, была предоставлена комната А.Д.Сахарову, молодому сотруднику группы И.Е.Тамма. (Вот так начинал работу над водородной бомбой ее будущий создатель!) В тот же день материалы Фукса были направлены для ознакомления Я.Б.Зельдовичу. Он и возглавил работы по изучению ядерной детонации дейтерия. В Москве же, помимо группы И.Е.Тамма (С.Э.Беленький, А.Д.Сахаров, впоследствии еще В.Л.Гинзбург и Ю.А.Романов), в работах участвовали А.С.Компанеец и С.П.Дьяков. Доступа к разведывательной информации никто из них не имел. Этот день, 10.06.48, стал днем рождения первого конкретного советского термоядерного проекта – «трубы», как он был вскоре окрещен из-за предполагаемой геометрической формы будущей бомбы.

Итак, началось… Формулировки типа «двухдневные сроки», «улучшение жилищных условий» и «строжайшая персональная ответственность», столь характерные для «ранней атомной истории» СССР, означали в совокупности только одно: проект получил высший государственный приоритет, он должен быть выполнен любой ценой и в кратчайший срок. Что же до затрат (а если нужно, то и человеческих жизней – в ведомстве Л.П.Берия на это привыкли смотреть спокойно), то их предполагалось считать потом, если считать вообще.

Природа, однако, иногда оказывается сильнее постановлений и угроз. Проклятое доказательство возможности детонации дейтерия в «трубе» было недостижимо – решение ускользало от теоретиков, а без этого о начале проектно-конструкторских работ не могло быть и речи, поскольку были неясны даже ориентировочные параметры устройства. Существо этих затруднений заключалась в следующем. Для любой детонации (химической или ядерной) существует некоторый минимальный радиус детонационного шнура, ниже которого требуемый взрывной режим не осуществляется – вещество разлетается раньше, чем успевает сгореть. Но вследствие некоторых особенностей взаимодействия излучения с веществом (наличия так называемого обратного комптон-эффекта, на значимость которого впервые указал Э.Ферми) для высокотемпературной ядерной плазмы существует не только нижний, но и верхний предельный радиус. Вся трудность была в том, что теоретические значения нижнего (разлетного) и верхнего (радиационного) радиусов оказались очень близкими. А если учесть, что чрезвычайная сложность формального описания процессов в «трубе» не позволяла обойтись без физических допущений, то вопрос о существовании «щели» допустимых решений между этими радиусами оставался неясным в принципе; даже сейчас неизвестно, имеет ли эта задача решение в такой постановке [11].

Тем не менее мучения с «трубой» в группе Я.Б.Зельдовича продолжались еще довольно долго. Забегая вперед, скажем, что только в начале 1954 г. знаменитое совещание в Минсредмаше (с участием И.В.Курчатова, И.Е.Тамма, А.Д.Сахарова, Я.Б.Зельдовича и Л.Д.Ландау), сменившем ПГУ в качестве штаба советской атомной науки и индустрии, признало полную бесперспективность работ по «трубе». По образному выражению Ю.Б.Харитона и В.Б.Адамского это были «похороны трубы по первому разряду» [5].

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--