Атомный проект СССР: советская бомба с американским акцентом

Разработок атомного проекта СССР оказалось недостаточным для установления военного паритета между двумя империями. Но американская монополия была нарушена. 60 лет назад — 29 августа 1949 года — 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.

29 августа 1949 года в 4 часа утра по московскому времени в отдаленном степном районе Казахской ССР, в 170 километрах западнее города Семипалатинска, на специально построенном и оборудованном опытном полигоне впервые в СССР произвели атомный взрыв. Фото с сайта Nuclear Weapon Archive

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.

Арка — это всё, что осталось от храма синто в Нагасаки после атомной бомбардировки. Фотография сделана в октябре 1945 года. Фото: Department of Defense. Department of the Navy. U.S. Marine Corps

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.

Чертеж атомной бомбы, который фигурировал в 1953 году на суде по делу супругов Розенбергов, обвиняемых в атомном шпионаже в пользу СССР. Что интересно, чертеж был секретным и не был продемонстрирован ни судье, ни присяжным. Рисунок был рассекречен лишь в 1966 году. Фото: Department of Justice. Office of the U.S. Attorney for the Southern Judicial District of New York

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. Фото (Creative Commons license): Mikel Vidal

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,  Вокруг света