Водородная бомба. Начало проекта

Плутоний для атомной бомбы был создан искусственно, и уран‑235 нигде не накапливается в количествах, которые могут вызвать цепную реакцию его почти мгновенного распада. Идея водородной бомбы основывалась на физическом явлении, которое является наиболее распространенным во Вселенной: ядерном синтезе, образовании ядер атомов более тяжелых элементов за счет слияния ядер легких элементов. Именно таким образом возникли почти все элементы земной коры. При высоких температурах, порядка сотен миллионов градусов, кинетическая энергия ядер легких элементов становится настолько высокой, что, сталкиваясь между собой, они могут «сливаться», образуя ядра более тяжелых элементов. При ядерном синтезе выделяется в сотни и тысячи раз больше энергии, чем при распаде тяжелых ядер.

Интерес к проблемам ядерного синтеза возник в 1930‑е годы, особенно после того, как Ганс А. Бете (Hans A. Bethe), немецкий физик, эмигрировавший в 1934 году в США, разработал теорию происхождения энергии звезд, включая Солнце. Согласно этой теории, в настоящее время достаточно хорошо подтвержденной, энергия звезд является в основном энергией синтеза, выделяемой при соединении четырех ядер водорода, происходящем с образованием одного ядра гелия. Этот синтез происходит, однако, через несколько промежуточных стадий. Водород является главным элементом Вселенной, составляя 75 % всей материи.

При взрыве урановой или плутониевой бомбы в эпицентре взрыва, согласно расчетам, температура может подниматься до нескольких миллионов или нескольких десятков миллионов градусов. Многие физики понимали, что атомная бомба может служить детонатором для более сложной бомбы ядерного синтеза. Однако необходимость в такой бомбе казалась совершенно нереальной. Если атомная бомба с мощностью в 15–20 килотонн тринитротолуола (ТНТ) могла разрушить большой город и убить сотни тысяч человек, то какое применение может иметь бомба, в тысячу раз более мощная, с взрывным эквивалентом в миллионы тонн обычных взрывчатых веществ? При каких обстоятельствах можно было бы оправдать применение бомб, которые убивают людей не сотнями тысяч, а сразу десятками миллионов?

Тем не менее в составе коллектива американских физиков, занятых практической разработкой атомной бомбы в Манхэттенском проекте, оказался достаточно авторитетный физик Эдвард Теллер (Edward Teller), который еще в 1942 году решил сконцентрировать свои усилия именно на создании водородной бомбы и начал предварительные расчеты, чтобы доказать реальность этого проекта.

Эдвард Теллер родился в 1908 году в Будапеште, но получил образование в Германии и начал свои исследования в Мюнхене. В 1935 году он переехал в США, где был принят в лабораторию Роберта Оппенгеймера в Калифорнийском университете. Первые расчеты Теллера показали, что температура в несколько миллионов градусов от атомного взрыва не сможет вызвать слияние ядер обычного легкого водорода. Но эта температура могла быть достаточно высокой, чтобы продуцировать слияние ядер тяжелого изотопа водорода, дейтерия, с образованием легкого изотопа гелия. Термоядерная реакция в этом случае могла происходить по очень простой формуле:

D + D = ЗНе + п + 3,27 мегаэлектронвольта (МэВ).

В результате этой реакции два ядра дейтерия, сливаясь, образуют одно ядро легкого изотопа гелия. При этом выделяется один нейтрон и огромное количество энергии. Еще легче могло бы идти слияние ядра дейтерия с ядром более тяжелого водорода – трития. В этом случае образуется ядро тяжелого гелия (4Не), выделяется один нейтрон и в пять раз больше энергии – 17,3 МэВ.

Помимо своей колоссальной мощности, водородная бомба по своим размерам могла быть не больше атомной. Кроме этого, в подобной реакции синтеза не образуются многочисленные радиоактивные продукты деления, загрязняющие атмосферу при взрывах плутониевой или урановой бомб. Более того, взрывной потенциал водородной бомбы, которую уже в проекте стали называть «супербомба», оказывался намного дешевле атомной при расчете на каждую килотонну ТНТ. Можно было поэтому затратить меньше средств, чтобы разрушить большой город одной водородной бомбой, по сравнению с использованием для этой же цели нескольких атомных.

После окончания Второй мировой войны в сентябре 1945 года большинство физиков, работавших в Лос‑Аламосе и в других атомных военных центрах США, стали возвращаться в свои прежние университеты и лаборатории, предпочитая «свободную» жизнь, возможность публикаций, путешествий и преподавания. Лос‑Аламосу грозила консервация. В этих условиях Теллер, который был поглощен идеей водородной бомбы, решил поставить перед лабораторией в Лос‑Аламосе новые задачи и обеспечить ее новыми грантами от правительства. С этой целью в апреле 1946 года Теллер организовал в Лос‑Аламосе секретный семинар по проблемам осуществимости создания водородной или термоядерной бомбы. В работе семинара приняли участие около сорока ученых, среди которых был и Клаус Фукс. Фукс, начавший работу в британском атомном проекте с 1941 года, в 1944 году приехал в США. В этом году США и Великобритания решили объединить свои усилия по созданию атомных бомб. Британия в это время лидировала в разработках урановой бомбы, США – в разработке плутониевой бомбы. В Лос‑Аламосе Фукс был включен в группу Оппенгеймера. В конце 1946 года британская делегация, участвовавшая в атомном проекте, вернулась в Англию, и Фукс возобновил свою работу в британском атомном центре в Харуэлле. Он также возобновил и свои прежние связи с советской разведкой в Англии. Благодаря этому о семинаре по водородной бомбе, состоявшемся в Лос‑Аламосе, стало известно и советскому руководству.

Все детали того, каким образом поступали в СССР сведения об американских исследованиях по проблемам водородной бомбы, воспроизвести трудно, так как в отличие от почти полного рассекречивания данных в этом отношении по атомной бомбе значительная часть сведений по разработкам водородной бомбы остается закрытой. Кроме того, и сами успехи советской разведки после 1945 года, когда атомная программа в США полностью перешла под военный контроль, были уже очень скромными.

В общей форме о новом направлении исследований в Лос‑Аламосе Курчатов и другие ведущие участники уранового проекта в СССР знали уже слета 1946 года. Потенциальная возможность создания термоядерного оружия была очевидна и советским физикам. Однако для его практической разработки нужно было первоначально создать атомную бомбу, для которой к этому времени еще не было никакой промышленной базы. Было тем не менее очевидно, что водородная бомба потребует новых материалов и новых производств, из которых главным было получение значительных количеств дейтерия. Условия термоядерных реакций, которые происходили при астрономических, «звездных», температурах, нельзя было проверить экспериментально, и поэтому все разработки в этой области требовали колоссального количества расчетов.

Было принято решение о мобилизации для теоретических расчетов почти всех математических институтов и отделов Академии наук СССР. Координировать эту работу было поручено молодому талантливому физику Якову Борисовичу Зельдовичу, возглавлявшему теоретический отдел Института химической физики. Был привлечен к расчетам и руководитель теоретического отдела Института физических проблем Лев Давыдович Ландау.

Директор этого института Петр Леонидович Капица из‑за конфликта с Берией к концу 1945 года отказался от работ по атомной бомбе и достаточно откровенно объяснил свои мотивы в двух подробных письмах Сталину. Отстранение Капицы от работ по атомной бомбе с осени 1945 года не привело, однако, к освобождению его от руководства институтом. Участие этого института в создании атомной бомбы не было ключевым. Однако начатые в 1946 году подготовительные шаги на пути к созданию водородной бомбы уже не могли игнорировать научный потенциал института Капицы. Было с самого начала очевидно, что в конструкцию бомбы должен входить жидкий или даже твердый дейтерий. Технологии получения больших количеств жидких газов, в основном кислорода и гелия, были разработаны именно в Институте физических проблем на уникальных установках, изобретателем которых был Капица. Исследования физических свойств газов, сжиженных охлаждением до температур, близких к абсолютному нулю, принесли Капице мировую славу. Для изменения профиля института с решения проблем жидкого кислорода и гелия на решение задач разделения изотопов водорода, выделения дейтерия и получения его в жидкой форме и в форме тяжелой воды возникла необходимость изменения руководства этого института.