60 lat temu - 29 sierpnia 1949 r. - na poligonie Semipalatinsk pomyślnie przetestowano pierwszą radziecką bombę atomową RDS-1 o deklarowanej wydajności 20 kt. Dzięki temu wydarzeniu rzekomo ustanowiono na świecie strategiczny parytet militarny między ZSRR a Stanami Zjednoczonymi. A hipotetyczna wojna o katastrofalnych skutkach dla Związku Radzieckiego została zrealizowana w jego zimnym stanie skupienia.
Śladami projektu Manhattan
Związek Radziecki (jak zresztą Niemcy) miał wszelkie powody, by stać się liderem w wyścigu nuklearnym. Nie stało się tak z powodu wielkiej roli, jaką nauka odegrała w ideologii nowego rządu. Kierownictwo Partii Komunistycznej, kierując się nakazami nieśmiertelnej pracy „Materializm i empiriokrytycyzm”, z niepokojem obserwowało rozkwit „idealizmu fizycznego”. W latach 30. Stalin był skłonny ufać nie tym fizykom, którzy twierdzili, że za pomocą pewnej reakcji łańcuchowej w izotopach ciężkich pierwiastków można uwolnić ogromną energię, ale tym, którzy bronili materialistycznych zasad w nauce.
To prawda, że radzieccy fizycy zaczęli mówić o możliwościach militarnego wykorzystania energii jądrowej dopiero w 1941 roku. Georgy Nikolaevich Flerov (1913-1990), który przed wojną w laboratorium Igora Wasiljewicza Kurczatowa (1903-1960) pracował nad problemem reakcji łańcuchowej rozszczepienia uranu, a następnie służył jako porucznik w lotnictwie, dwukrotnie wysłany listy do Stalina, w których żałował „wielkiego błędu” i„ dobrowolnej rezygnacji z przedwojennych stanowisk w badaniach fizyki jądrowej”. Ale - na próżno.
Dopiero we wrześniu 1942 r., kiedy wywiad dowiedział się o rozmieszczeniu amerykańskiego Projektu Manhattan, kierowanego przez Roberta Oppenheimera (1904-1967), który wyrósł z działań Anglo-Amerykańskiej Komisji Uranu, Stalin podpisał dekret „O organizacji prac nad uranem.” … Nakazał Akademii Nauk ZSRR „wznowić prace nad badaniem możliwości wykorzystania energii atomowej przez rozszczepienie uranu i przedłożyć Komitetowi Obrony Państwa do 1 kwietnia 1943 r. Raport o możliwości stworzenia bomby uranowej lub paliwa uranowego”.
W połowie kwietnia 1943 r. w Moskwie, w Pokrovsky-Streshnevo, utworzono Laboratorium nr 2, w skład którego weszli najwięksi fizycy w kraju. Kurczatow kierował laboratorium, a ogólne kierownictwo „pracy z uranu” początkowo przydzielono Mołotowowi, ale potem Beria zastąpił go w tej funkcji.
Zrozumiałe jest, że zasoby Związku Radzieckiego były nieporównywalne z możliwościami, jakie posiadały państwa niezbyt obciążone wojną. Nie jest to jednak jedyne wytłumaczenie ogromnej luki w skali rozwoju prowadzonego w Los Alamos i Moskwie. W projekcie Manhattan wzięło udział 12 laureatów Nagrody Nobla z USA i Europy, 15 tys. naukowców, inżynierów i techników, 45 tys. robotników, 4 tys. stenografów, maszynistek i sekretarek, tysiąc pracowników ochrony, którzy pilnowali reżimu ekstremalnej tajemnicy. W Laboratorium nr 2 pracuje 80 osób, z czego tylko 25 to pracownicy naukowi.
Do końca wojny prace praktycznie nie ruszyły z miejsca: w Laboratorium nr 2, a także w otwartych na początku 1945 r. Laboratorium nr 3 i nr 4 poszukiwano metod otrzymywania plutonu w reaktorach różnych zasady działania. Oznacza to, że byli zaangażowani w rozwój naukowy, a nie eksperymentalny i projektowy.
Bombardowania atomowe Hiroszimy i Nagasaki faktycznie otworzyły oczy rządowi ZSRR na poziom zagrożenia wiszącego nad krajem. A potem utworzono specjalny komitet pod przewodnictwem Berii, który otrzymał uprawnienia awaryjne i nieograniczone fundusze. Powolna praca badawcza została zastąpiona energicznym, innowacyjnym krokiem naprzód. W 1946 r. Reaktor uranowo-grafitowy uruchomiony w laboratorium Kurczatowa zaczął produkować pluton-239 poprzez bombardowanie uranu powolnymi neutronami. Na Uralu, w szczególności w Czelabińsku-40, powstało kilka przedsiębiorstw do produkcji uranu i plutonu przeznaczonego do broni, a także składników chemicznych niezbędnych do stworzenia bomby.
W Sarowie koło Arzamas zaczęto tworzyć oddział Laboratorium nr 2 o nazwie KB-11, któremu powierzono opracowanie projektu bomby i jej przetestowanie nie później niż wiosną 1948 roku. A na początku trzeba było zrobić bombę plutonową. Wybór ten był z góry przesądzony faktem, że Laboratorium nr 2 posiadało szczegółowy schemat amerykańskiej bomby plutonowej „Fat Man” zrzuconej na Nagasaki, która została przekazana wywiadowi sowieckiemu przez niemieckiego fizyka Clausa Foocksa (1911-1988), który brał udział w jego rozwoju, którzy trzymali się poglądów komunistycznych. Sowieckie kierownictwo spieszyło się w obliczu napiętych stosunków ze Stanami Zjednoczonymi i chciało uzyskać gwarantowany pozytywny wynik. W związku z tym kierownik naukowy projektu Kurczatow nie miał wyboru.
Uran czy pluton?
Klasyczny schemat jądrowej reakcji łańcuchowej w izotopie uranu 235U jest wykładniczą funkcją czasu o podstawie 2. Neutron zderzając się z jądrem jednego z atomów dzieli go na dwa fragmenty. To uwalnia dwa neutrony. Oni z kolei rozszczepiają już dwa jądra uranu. W następnym etapie następuje dwa razy więcej rozszczepień – 4. Następnie – 8. I tak dalej, stopniowo, aż znowu, mówiąc względnie, cała materia nie będzie składać się z fragmentów dwóch typów, których masy atomowe wynoszą około 95/ 140. W rezultacie uwalniana jest ogromna energia cieplna, której 90% jest dostarczana przez energię kinetyczną latających fragmentów (każdy fragment odpowiada 167 MeV).
Ale aby reakcja przebiegała w ten sposób, konieczne jest, aby nie zmarnować ani jednego neutronu. W małej objętości „paliwa” wylatują z niego neutrony uwalniane w procesie rozszczepiania jąder, nie mając czasu na reakcję z jądrami uranu. Prawdopodobieństwo wystąpienia reakcji zależy również od stężenia izotopu 235U w „paliwie”, na które składa się 235U i 238U. Ponieważ 238U pochłania szybkie neutrony, które nie biorą udziału w reakcji rozszczepienia. Naturalny uran zawiera 0,714% 235U, wzbogacony, klasa broni, musi być co najmniej 80%.
Podobnie, choć z własną specyfiką, reakcja przebiega w izotopie plutonu 239Pu
Z technicznego punktu widzenia łatwiej było stworzyć bombę uranową niż plutonową. To prawda, że wymagało to o rząd wielkości więcej uranu: masa krytyczna uranu-235, w którym zachodzi reakcja łańcuchowa, wynosi 50 kg, a dla plutonu-239 5,6 kg. Jednocześnie uzyskanie plutonu przeznaczonego do broni przez bombardowanie uranu-238 w reaktorze jest nie mniej pracochłonne niż oddzielenie izotopu uranu-235 od rudy uranu w wirówkach. Oba te zadania wymagały co najmniej 200 ton rudy uranu. A ich rozwiązanie wymagało maksymalnego zainwestowania zarówno środków finansowych, jak i produkcyjnych w stosunku do całego kosztu sowieckiego projektu nuklearnego. Jeśli chodzi o zasoby ludzkie, Związek Radziecki z czasem wielokrotnie przewyższał Stany Zjednoczone: ostatecznie w tworzenie bomby zaangażowanych było 700 tysięcy osób, głównie więźniów.
„Dzieciak” czy „Grubas”?
Bomba uranowa zrzucona przez Amerykanów na Hiroszimę i nazwana „Kid” została zebrana w lufie wypożyczonej z 75-milimetrowego działa przeciwlotniczego wywierconego do wymaganej średnicy. Ułożono sześć połączonych szeregowo butli uranowych o łącznej masie 25,6 kg. Długość pocisku wynosiła 16 cm, średnica 10 cm, na końcu lufy znajdował się cel - wydrążony cylinder uranu o masie 38,46 kg. Jego średnica zewnętrzna i długość wynosiła 16 cm, aby zwiększyć moc bomby, cel został zamontowany w reflektorze neutronowym wykonanym z węglika wolframu, co pozwoliło uzyskać pełniejsze „spalanie” uranu uczestniczącego w reakcji łańcuchowej.
Bomba miała średnicę 60 cm, długość ponad dwóch metrów i ważyła 2300 kg. Jego działanie polegało na zapaleniu ładunku proszkowego, który napędzał cylindry uranowe wzdłuż dwumetrowej beczki z prędkością 300 m/s. W tym samym czasie zniszczeniu uległy borowe osłony ochronne. Na „końcu ścieżki” pocisk wszedł w cel, suma dwóch połówek przekroczyła masę krytyczną i nastąpiła eksplozja.
Rysunek bomby atomowej, który pojawił się w 1953 roku na rozprawie w sprawie małżonków Rosenberga oskarżonych o szpiegostwo atomowe na rzecz ZSRR. Co ciekawe, rysunek był tajny i nie został pokazany ani sędziemu, ani ławie przysięgłych. Rysunek został odtajniony dopiero w 1966 roku. Fot. Departament Sprawiedliwości. Biuro USA Adwokat Południowego Okręgu Sądowego w Nowym Jorku
Wojsko, któremu powierzono bojowe użycie „Małysza”, obawiało się, że w przypadku nieostrożnego obchodzenia się z nim każdy cios może doprowadzić do detonacji lontu. Dlatego proch ładowano do bomby dopiero po starcie samolotu.
Urządzenie sowieckiej bomby plutonowej, z wyjątkiem wymiarów, w które weszła w komorę bombową ciężkiego bombowca Tu-4, oraz urządzenie wyzwalające po osiągnięciu ciśnienia atmosferycznego o określonej wartości, dokładnie powtarzało „nadzienie” kolejna amerykańska bomba - „Fat Man”.
Metoda armatnia polegająca na zbliżeniu do siebie dwóch części masy półkrytycznej nie jest odpowiednia dla plutonu, ponieważ substancja ta ma znacznie wyższe tło neutronowe. A kiedy kawałki są łączone z prędkością osiągalną za pomocą popychacza strzałowego, przed rozpoczęciem reakcji łańcuchowej z powodu silnego ogrzewania, powinno nastąpić topienie i odparowanie plutonu. A to nieuchronnie powinno doprowadzić do mechanicznego zniszczenia konstrukcji i uwolnienia nieprzereagowanej substancji do atmosfery.
Dlatego w bombie radzieckiej, podobnie jak w amerykańskiej, zastosowano metodę dynamicznego ściskania kawałka plutonu za pomocą kulistej fali uderzeniowej. Prędkość fali osiąga 5 km / s, dzięki czemu gęstość substancji wzrasta 2, 5 razy.
Najtrudniejszą częścią bomby implozyjnej jest stworzenie systemu wybuchowych soczewek, wizualnie przypominających geometrię piłki nożnej, które kierują energię ściśle do środka kawałka plutonu wielkości kurzego jaja i ściskają go symetrycznie za pomocą błąd mniejszy niż jeden procent. Co więcej, każda taka soczewka, wykonana ze stopu TNT i RDX z dodatkiem wosku, miała dwa rodzaje fragmentów - szybkie i wolne. Kiedy w 1946 roku jeden z uczestników Projektu Manhattan został zapytany o perspektywy stworzenia sowieckiej bomby, odpowiedział, że pojawi się ona nie wcześniej niż 10 lat później. I tylko dlatego, że Rosjanie długo będą walczyć o problem idealnej symetrii implozji.
Radziecki „Grubas”
Radziecka bomba RDS-1 miała długość 330 cm, średnicę 150 cm i ważyła 4700 kg. Wewnątrz korpusu w kształcie kropli umieszczono koncentrycznie zagnieżdżone kule z klasycznym stabilizatorem w kształcie litery X.
W centrum całej konstrukcji znajdował się „lont neutronowy”, czyli berylowa kula, wewnątrz której znajdowało się źródło neutronów polon-210 osłonięte powłoką berylową. Kiedy fala uderzeniowa dotarła do lontu, beryl i polon zostały zmieszane, a neutrony „rozpalające” reakcję łańcuchową zostały uwolnione do plutonu.
Następnie pojawiły się dwie 10-centymetrowe półkule plutonu-239 w stanie o zmniejszonej gęstości. Ułatwiło to przetwarzanie plutonu, a wymagana gęstość końcowa była wynikiem implozji. Dystans 0,1 mm między półkulami wypełniono warstwą złota, co zapobiegło przedwczesnemu wnikaniu fali uderzeniowej do lontu neutronowego.
Funkcję reflektora neutronowego pełniła warstwa naturalnego uranu o grubości 7 cm i wadze 120 kg. Nastąpiła w nim reakcja rozszczepienia z uwolnieniem neutronów, które częściowo powróciły do kawałka plutonu. Uranium-238 dawał 20% mocy bomby.
Warstwa „pchająca”, czyli kula z aluminium o grubości 11,5 cm i wadze 120 kg, miała za zadanie tłumić falę Taylora, co prowadzi do gwałtownego spadku ciśnienia za czołem detonacji.
Konstrukcję otaczał pocisk wybuchowy o grubości 47 cm i wadze 2500 kg, który składał się ze złożonego systemu soczewek wybuchowych zogniskowanych w kierunku środka systemu. 12 soczewek było pięciokątnych, 20 sześciokątnych. Każda soczewka składała się z naprzemiennych sekcji szybko detonujących i wolnych materiałów wybuchowych, które miały inny wzór chemiczny.
Bomba posiadała dwa autonomiczne systemy detonacji – od uderzenia w ziemię i gdy ciśnienie atmosferyczne osiągnęło z góry określoną wartość (zapalnik na dużej wysokości).
Wyprodukowano pięć bomb RDS-1. Pierwszy z nich został wysadzony w powietrze na składowisku pod Semipalatinsk w pozycji naziemnej. Siła wybuchu została oficjalnie zarejestrowana na poziomie 20 kt, ale z czasem okazało się, że to zbyt wysokie szacunki. Prawdziwe - na pół poziomie. W tym czasie Amerykanie mieli już 20 takich bomb, a wszelkie roszczenia o parytet były bezpodstawne. Ale monopol został złamany.
Cztery kolejne z tych bomb nigdy nie zostały uniesione w powietrze. RDS-3, oryginalny sowiecki projekt, został wprowadzony do użytku. Bomba ta, o mniejszych wymiarach i wadze, miała wydajność 41 tys. Stało się to możliwe w szczególności dzięki wzmocnieniu reakcji rozszczepienia plutonu przez termojądrową reakcję fuzji deuteru i trytu.
