Из поколения победителей

Александр Чернышев,
член-корреспондент РАН,
Российский федеральный ядерный центр — Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики (Саров, Россия)
«Природа» №9, 2019

В этом году два взаимосвязанных юбилея. Исполняется 100 лет академику Исааку Марковичу Халатникову — ученому с мировым именем, физику-теоретику, участнику советского Атомного проекта, активному разработчику первых образцов атомных и термоядерных зарядов, ближайшему ученику Л. Д. Ландау, основателю и первому директору (1965–1992) Института теоретической физики имени Л. Д. Ландау АН СССР — РАН.

Также исполняется 70 лет со дня испытания первой отечественной атомной бомбы — РДС-1. Создание и испытание ее стало переломным моментом в мировой истории, а Халатников был одним из творцов этой истории. Для всех нас сегодня Атомный проект СССР — яркий пример того, как решать задачи по модернизации России в ХХI в.

Будучи еще студентом Днепропетровского университета (филиала Ленинградского физтеха), Халатников в феврале 1941 г. сдал теоретический минимум Ландау, после чего был приглашен в аспирантуру. Но... война вмешалась в жизнь всей страны, вошла в каждый дом. Исаак Маркович — участник Великой Отечественной войны, капитан, начальник штаба полка ПВО — стал аспирантом Ландау лишь в сентябре 1945 г. по рекомендации П. Л. Капицы, тогда директора Института физических проблем АН СССР (ИФП). В 1946 г. Капицу сместили с поста директора, его заменил А. П. Александров. С конца 1946 г. ИФП был переориентирован на атомную тематику, но работы по сверхпроводимости и сверхтекучести не прекращались, и Халатников защитил в 1948 г. кандидатскую, а в 1952 г. докторскую диссертацию по физике низких температур, не отрываясь от работ по Атомному проекту.

В руководящих официальных документах по Атомному проекту фамилия Халатникова упоминается 40 раз.

Статья основана на архивных документах, отчетах и рассекреченных материалах того периода, обобщенных, в первую очередь, в уникальном труде «Атомный проект СССР (1938–1954)» (в трех томах и 12 книгах), выполненном под руководством и под общей редакцией Л. Д. Рябева.

Новый стиль научно-технических работ

В Атомном проекте помимо выдающихся ученых были собраны замечательные конструкторы, инженеры, технологи, организаторы производства, прошедшие школу индустриализации и Великой Отечественной войны. Уникальная организация работ быстро привела к созданию не просто образцов ядерных зарядов, а оружия серийного производства. Это были крупнейшие достижения в области высоких технологий, основанных на совершенно новых научных знаниях.

Результаты Атомного проекта — наглядный пример того, какие научно-технические высоты могут быть достигнуты в России при сочетании трех главных условий: судьбоносной сверхзадачи, творческой работы специалистов различных профессий, объединенной в конечном уникальном продукте и, наконец, мощной государственной поддержки.

Руководство страны и руководители Атомного проекта сумели организовать работу, создав мультидисциплинарные группы специалистов, тесно увязав решение научных, инженерно-конструкторских, экспериментальных и технологических работ в единую систему, нацеленную на создание атомной бомбы за два-три года.

Безусловно, основой проекта были выдающиеся ученые XX в.: Н. Н. Боголюбов, И. М. Гельфанд, В. Л. Гинзбург, Я. Б. Зельдович, Л. В. Канторович, М. В. Келдыш, И. В. Курчатов, Л. Д. Ландау, С. А. Лебедев, А. Н. Самарский, А. Д. Сахаров, Н. Н. Семенов, И. Е. Тамм, А. Н. Тихонов, Г. Н. Флёров, И. М. Франк, Д. А. Франк-Каменецкий, Ю. Б. Харитон и сотни других специалистов по различным направлениям технологии, медицины, геологии.

В рамках Атомного проекта ученым при создании в заданное время надежного в военном смысле «изделия» пришлось изменить традиционные методологии научного подхода, обычно ограниченного только познанием. Впечатляет темп перехода от результатов фундаментальных исследований на «микроуровне» к проектированию и строительству новых гигантских заводов. Например, масштабы лабораторных (циклотронных) исследований плутония отличались от масштаба комбината «Маяк» в 10¹⁰ раз. Для сегодняшнего времени стиль работы был удивительным (особенно в период создания первых образцов термоядерного оружия): большинство персонала институтов составляли молодые люди в возрасте 25–35 лет. Сплав молодых специалистов с учеными мирового класса, ясное понимание целей проекта, умение администрации сконцентрировать ресурсы на нужных направлениях и отказаться от второстепенных проектов или проектов, которые не могли быть выполнены в срок от года до пяти лет, — вот что привело к таким выдающимся результатам за столь короткое время.

Отмечу приоритет ученых над «менеджерами» в работе над атомной бомбой. Именно ученые — руководители направлений формировали программы, планы, сроки. Решения принимались на заседаниях Специального комитета при Совете Министров СССР с участием высшего руководства страны и ученых, затем за один-три дня такие решения превращались в постановления Совета министров СССР за подписью И. В. Сталина и доводились до каждого исполнителя. Важным представляется также тесная связь теоретиков и экспериментаторов.

Выделение значительных ресурсов во многих случаях позволяло методом проб и ошибок компенсировать неполное знание о явлениях и процессах.

Начало работ по проекту

Руководители нашей страны с необыкновенной дальновидностью и верой в победу в Великой Отечественной войне уже 28 сентября 1942 г. (фашисты были еще под Сталинградом, и исход войны был далеко не очевиден) на государственном уровне приняли историческое решение Государственного комитета обороны (ГКО) «Об организации работ по урану».

Курчатов ясно представлял себе, что для изготовления атомной бомбы необходимо, в первую очередь, иметь сырьевую базу для получения урана, а для этого построить заводы на новых технологиях по разделению изотопов урана и промышленные ядерные реакторы для получения делящихся материалов, а также подготовить соответствующие кадры и много еще другого.

В его докладной записке для В. М. Молотова от 27 ноября 1942 г. на основе анализа результатов разведывательных материалов сделан вывод, что в исследованиях проблемы урана советская наука значительно отстала от науки Англии и Америки и располагает в данное время несравненно меньшей материальной базой для производства экспериментальных работ [1, с. 276]. Курчатов предложил для руководства такой сложной и громадной задачей образовать под председательством Молотова специальный комитет, а от науки в нем могли бы работать академик Иоффе, академик Капица П. Л., академик Семенов Н. Н. [1, с. 279].

Несмотря на все трудности военного периода, работа шла по нарастающей...

В 1945 г. в системе Первого главного управления (первоначально при ГКО, затем при Совнаркоме СССР, а с 1946 г — при Совете министров СССР) трудилось около 380 тыс. человек, в 1950-м — уже более 700 тыс., включая заключенных и военнослужащих военно-строительных частей НКВД (с 1946 г. — МВД). К концу 1946 г. на стадии строительства находилось 11 ядерных объектов. Специалистов-физиков с высшим образованием было всего 4212. Роль физиков-теоретиков и квалифицированных экспериментаторов, инженеров и технологов была определяющей.

Для разработки РДС-1 большое значение имела физическая теория ядерного взрыва, в основе которой лежали уравнения газодинамики, диффузии теплового излучения и переноса нейтронов. Решение этих задач требовало использования методов приближенных вычислений. Большинство расчетно-теоретических работ в то время проводилось в четырех специализированных математических подразделениях: в отделе приближенных вычислений Математического института имени В. А. Стеклова АН СССР (МИАН), руководимом К. А. Семендяевым; в расчетном бюро ИФП во главе с Н. Н. Мейманом; в математическом отделе Института геофизики АН СССР, руководимом членом-корреспондентом А. Н. Тихоновым; в отделе приближенных вычислений Ленинградского отделения МИАН под руководством профессора Л. В. Канторовича.

Начиная с 1943 г., характеризуя Ландау как крупнейшего физика-теоретика нашей страны, Курчатов несколько раз обращался к высшим руководителям страны (последний раз к Л. П. Берии 18 декабря 1945 г.). Поражает настойчивость Игоря Васильевича по привлечению Ландау к теоретическим работам над Атомным проектом.

Первая атомная бомба есть!

Нашей стране безмерно повезло, что во главе научной части Атомного проекта стояли Курчатов и Харитон. А. Кармиш и Т. Рид (разработчики первых ядерных зарядов в США) писали: Не может быть никакого сомнения, что имена Курчатова и Харитона стоят в одном ряду с именами Чайковского, Циолковского и Толстого, которые принадлежат России — нации, порождающей гениев [2]. Курчатов привлек Харитона к атомной проблеме в 1943 г., и тот выполнил ряд работ по атомной бомбе в Институте химический физики АН СССР (ИХФ) у своего учителя Н. Н. Семёнова и в Лаборатории № 2. Харитон был назначен главным конструктором атомной бомбы в 1946 г., имея в своем активе работы (конец 1930-х — начало 1940-х годов) по физике цепных реакций в соавторстве с Зельдовичем, выдающимся физиком ХХ в.

В ИХФ (директор академик Н. Н. Семёнов) теоретическая группа Я. Б. Зельдовича (Д. А. Франк-Каменецкий, Н. А. Дмитриев, Н. Н. Боголюбов, Д. В. Ширков) с 1946 г. была вовлечена в работы по Атомному проекту (в первую очередь, по расчетам первой атомной бомбы).

Зельдович и Франк-Каменецкий предложили приближенную схему расчета гидродинамики и коэффициента полезного действия активного шара без оболочки. Они ввели усредненные характеристики \(\bar{ρ}\), \(\bar{P}\), \(\bar{T}\), \(R\)) и полную тепловую энергию \(E\). Это приближение «работает», если энергия равномерно выделяется по всему шару, а шар разлетается как целое.

На заседании технического совета Специального комитета по докладу Харитона 11 февраля 1946 г. было принято решение: Поручить группе физиков-теоретиков под общим руководством Л. Д. Ландау подготовить все материалы для количественного расчета испытаний образцов промышленной продукции (так условно называли атомные бомбы) [3, с. 93].

В декабре 1946 г. Халатникова перевели из аспирантов в младшие научные сотрудники, и он сразу же оказался в самой гуще работ ИФП по Атомному проекту. Исаак Маркович стал вторым после Е. М. Лифшица сотрудником теоретического отдела Л. Д. Ландау. Одновременно в ИФП была создана группа математиков-вычислителей во главе с талантливым математиком Н. Н. Мейманом (учеником Н. Г. Чеботарёва).

Первый раз фамилия Халатникова упоминается в официальных документах высшего уровня (постановление Совета министров СССР) 6 апреля 1948 г.: Институту физических проблем (Ландау, Халатников, Лифшиц) поручается провести расчеты КПД (энерговыделения) шара с бесконечной оболочкой [3, с. 425].

С июня 1948 г. (после получения разведданных по новым конструкциям атомных бомб и по водородной бомбе) интенсивность и объем работ возросли в разы. Незамедлительно выходит постановление Совета министров СССР, которое, в частности, обязывало ИФП (Александров, Ландау) провести вычисления коэффициентов полезного действия атомных бомб РДС-1, РДС-2, РДС-3, РДС-4, РДС-5 и водородной бомбы РДС-6. Этим же постановлением в Институте геофизики АН СССР было создано математическое бюро под руководством Тихонова для выполнения расчетов по заданиям ИФП. Одновременно усиливается расчетная группа в МИАН (И. Г. Петровский), а в Ленинградском филиале МИАН организуется расчетная группа Канторовича (будущего нобелевского лауреата). Этим группам поручается проведение расчетов по заданиям Харитона и Зельдовича (КБ-11¹).

Решение задачи о критических размерах для случая активного шара (т.е. из делящегося материала) без внешней изоляции (т.е. оболочки из инертных материалов) хорошо известно. Но при изоляции задача существенно усложняется. Найти собственные значения интегрального уравнения Пайерлса в общем случае не удавалось. Возникающие трудности и трудоемкость вычислений также были хорошо известны. Уже, например, при различных длинах свободного пробега нейтронов в активном шаре и в веществе изоляции возникли вычислительные трудности, которые в 1948 г. не удалось преодолеть.

Группа Ландау (в нее входил Халатников) развивала другой подход применительно к РДС-1. Первый отчет Халатников выпустил в 1947 г. Решение задачи о критических размерах активных шаров ему довольно быстро удалось получить, используя интерполяцию между предельными случаями, для которых были найдены точные аналитические решения. Точность «интерполяционной формы Халатникова» (так ее называли разработчики изделий) была достаточно высокой, формой пользовались до середины 1950-х годов. В августе 1948 г. был выпущен итоговый отчет «Полная система интегро-дифференциальных уравнений, описывающая процесс сгорания» (авторы — Ландау, Лифшиц, Халатников). Система из пяти уравнений описывала взрыв активных размножающих систем.

В конце 1948 г. вычислительным бюро ИФП (под руководством Меймана) по заданиям Харитона и Зельдовича было рассчитано около 15 вариантов методических задач и различных вариантов конкретных конструкций. Всего в течение 1947–1948 гг. группа Л. Д. Ландау (Е. М. Лифшиц, И. М. Халатников, а также В. Б. Берестецкий, И. Л. Померанчук, А. И. Ахиезер) выпустила 14 отчетов по различным вопросам создания первой атомной бомбы. Во многих из них Халатников был единственным автором. В те же годы Исаак Маркович участвовал также в работах по определению пробегов излучения в тяжелых веществах, что было для того времени весьма сложной задачей.

Чтобы представить масштаб трудностей в расчетном обосновании характеристик первых образцов атомных бомб, приведу данные по трудозатратам на расчеты газодинамической стадии сжатия системы типа РДС-1. Группа вычислителей (4–6 человек) на трофейных электрических арифмометрах «Мерседес» тратила примерно шесть месяцев (дневная норма одного вычислителя — 800 операций).

В 1947 г. Тихонов предложил проводить прямые расчеты ядерного взрыва на основе полной математической модели физических процессов при взрыве в переменных Лагранжа (т.е. системы нелинейных уравнений в частных производных). Для расчета полной системы уравнений взрыва изделия он со своим учеником Самарским разработал разностные методы решения этих уравнений. Расчеты начали проводиться уже в 1948 г., тогда же Самарский внедрил метод распараллеливания. Тихонов и Самарский по праву считаются одними из ведущих в мире разработчиков теории разностных схем и создателями теории устойчивости таких схем.

В конце 1949 г., после успешного испытания первой отечественной атомной бомбы, 845 участников проекта были отмечены государственными наградами (33 стали Героями Социалистического Труда, а Б. Л. Ванников², Н. Л. Духов, Б. Г. Музруков — первыми в стране дважды Героями). По наивысшему разряду был отмечен Зельдович — как руководитель работ по построению общей теории атомной бомбы — он стал Героем Социалистического Труда и лауреатом Сталинской премии 1-й степени. Он был в числе участников, подписавших благодарственное письмо Сталину. Участники группы Зельдовича в ИХФ (с 1948 г. в КБ-11) были отмечены за участие в разработке теории атомной бомбы.

Другое направление расчетно-теоретического обоснования было представлено руководителями направлений: Ландау получил за разработку теории расчета КПД атомной бомбы орден Ленина, Сталинскую премию 2-й степени и был в числе подписавших коллективное благодарственное письмо Сталину, а Петровский, Семендяев, Кантарович и Тихонов за выполнение расчетных работ по обжатию заряда атомной бомбы и КПД бомбы получили ордена Трудового Красного Знамени и Сталинскую премию 2-й степени. Кроме того, Петровский и Тихонов подписали благодарственное письмо Сталину.

В начале 1950 г. группа Ландау (в составе более чем тысячи участников разработки первой атомной бомбы) получила денежные премии, Халатников и Мейман получили премии наибольшего размера из всего списка.

На пути к термоядерному оружию

Работы по созданию термоядерного оружия в СССР были начаты в 1945 г., когда стало известно о проведении в США программы по сверхбомбе (проект Super).

17 декабря 1945 г. на заседании технического совета Спецкомитета был заслушан доклад Зельдовича «Использование ядерной энергии легких элементов» (авторы — И. И. Гуревич, Я. Б. Зельдович, И. Я. Померанчук, Ю. Б. Харитон).

С июня 1946 г. изучение теоретической возможности использования ядерной энергии легких элементов было начато в ИХФ группой под руководством Я. Б. Зельдовича (в нее вошли С. П. Дьяков и А. С. Компанеец). Зельдович первым в нашей стране выполнил теоретические исследования по физике термоядерных процессов и привлек многих выдающихся ученых к изучению неравновесных режимов горения дейтерия и трития. Эти труды стали важнейшей базой для создания первых термоядерных зарядов.

Достаточно быстро было осознано, что строго стационарный неравновесный режим в бесконечной среде невозможен (из-за огромной зоны реакции и определяющего влияния обратного комптон-эффекта).

В течение 1947–1948 гг. на научно-техническом совете Первого главного управления неоднократно рассматривались проблемы дейтериевой сверхбомбы по работам, выполненным в ИХФ (группа Зельдовича), в которых принимал участие и Ландау.

Главная проблема, над решением которой работали все группы теоретиков и математиков, — это исследование физических процессов баланса энергии. Для реализации самоподдерживающейся термоядерной реакции (дейтерий + дейтерий) необходимо, чтобы энергия, выделяющаяся при синтезе, была больше, чем энергия, выходящая из системы («трубы»). Расчеты, выполненные под руководством Зельдовича и Ландау, показали, что для зажигания подобной трубы необходимо поддерживать на фронте волны горения температуру, более чем в 10 раз превышающую ту, которую удавалось получить в оптимистичных расчетах.

После получения новых разведданных по сверхбомбе и о новых конструкциях атомных бомб от Берии мгновенно последовало указание Харитону дать заключение. Уже 10 июня 1948 г. были приняты два постановления Совета министров СССР, которые на государственном уровне дали новый импульс работам по термоядерным зарядам в нашей стране. В них был указан конкретный срок (к 1 июня 1949 г.) для проработки осуществимости конструкции с жидким дейтерием (она получила индекс РДС-6), помещенным в цилиндрический сосуд — трубу. Интегратором этого проекта назначалось КБ-11 при Лаборатории № 2 АН СССР. В постановлении было указано: Расчетно-теоретические работы должны были проводиться по заданиям и под руководством Ю. Б. Харитона и Я. Б. Зельдовича в КБ-11, в МИАН, в Ленинградском отделении МИАН (группа Канторовича). Институт геофизики АН СССР (Тихонов) должен производить расчеты по заданиям ИФП (Ландау). ФИАН должен был разработать теорию горения трития (дейтерия) по заданиям Харитона и Зельдовича. Для решения этой задачи в ФИАНе была организована группа под руководством И. Е. Тамма в составе С. З. Беленького, В. А. Фока, А. Д. Сахарова и Ю. А. Романова [5, с. 121]. В постановлении детально прописывались не только сроки, но и условия материального стимулирования: размеры премий, выделение квартир и комнат в Москве.

Гонка ядерных вооружений

Успешное испытание в 29 августа 1949 г. первой советской атомной бомбы привело не только к началу невиданной гонки вооружений по созданию термоядерных зарядов и новых средств доставки (баллистических ракет, подводных лодок с ракетами и т.д.), но и к усилению идеологического противостояния. В гонке ведущая роль принадлежала США (достаточно сравнить масштабы американской и советской программ создания термоядерного оружия).

Г. Трумэн, президент США, долго не мог поверить, что эти азиаты могли сделать такое сложное оружие, как атомная бомба. Только 23 сентября 1949 г. он официально сообщил, что СССР испытал атомную бомбу. 31 января 1950 г. было объявлено о начале полномасштабной программы по разработке и изготовлению водородной бомбы в США.

В 1952 г. США испытали водородную бомбу, основанную на принципе радиационной имплозии, мощностью 10,4 Мт (опыт Mike), а в 1954 г. провели серию испытаний водородных бомб мощностью 1–15 Мт с использованием дейтерида лития с разной степенью обогащения изотопом литий-6. И хотя конструктивно устройство Mike не было оружием, на его основе в 1953 г. были разработаны и поставлены на вооружение пять зарядов ТХ-16 массой 14 т и мощностью 7 Мт. Жидкий дейтерий запускался в бомбу непосредственно перед вылетом самолета [6, 7]!

Спустя месяц после заявления президента США о начале широкомасштабных работ по разработке супербомбы (водородной бомбы) вышло постановление Совета министров СССР «О работах по созданию РДС-6», которое обязывало Первое главное управление и КБ-11 провести расчетно-теоретические, экспериментальные и конструкторские работы по созданию водородных изделий РДС-6с («слойка») и РДС-6Т («труба»). В первую очередь должно было быть создано изделие РДС-6с с тротиловым эквивалентом 1 Мт и массой 5 т. Харитон назначался научным руководителем всех работ по водородным бомбам, Тамм — заместителем научного руководителя по РДС-6с, а вся его группа из ФИАН переводилась в КБ-11. Зельдович назначался заместителем научного руководителя по разработке РДС-6Т.

Исследования по заряду РДС-6Т (они были начаты и первоначально велись в ИХФ) были переданы в КБ-11, куда в 1948 г. перевели группу Зельдовича. Сотрудники ИФП (Александров, Ландау), должны были осуществлять расчетно-теоретическое сопровождение работ по РДС-6Т по заданиям КБ-11. Группа Ландау начала интенсивно работать по проекту «труба», и в 1950 г. Ландау, Лифшиц и Халатников выпустили свой первый отчет «К теории детонации дейтерия», посвященный вычислению различных физических характеристик электронно-ядерного дейтериевого газа при высоких температурах.

Постановлением Совета министров СССР от 26 февраля 1950 г. были расставлены приоритеты в разработке водородной бомбы. Первой стояла РДС-6с («слойка» Сахарова) мощностью 1 Мт в тротиловом эквиваленте в габаритах авиационной бомбы для самолета Ту-4. В июне 1952 г. предписывалось испытать модель РДС-6с с малым «многослойным зарядом». По существу КБ-11 становилось интегратором всех работ в СССР по водородному оружию. Для координации теоретических и расчетных работ и контроля за выполнением заданий при Лаборатории № 2 был создан специальный закрытый семинар под руководством академика С. Л. Соболева (в нем участвовали: Л. Д. Ландау, И. Г. Петровский, С. Л. Соболев, В. А.  Фок, Я. Б. Зельдович, И. Е. Тамм, А. Н. Тихонов, Ю. Б. Харитон, К. И. Щёлкин).

Ландау подготовил отчет по анализу состояния работ по РДС-6Т, который лег в основу доклада от 25 марта 1951 г. «О работе ПГУ», направленного Сталину. В докладе отмечалось, что основной вопрос о возможности или невозможности распространения реакции дейтерия еще не решен [5, с. 382]. После успешного испытания РДС-37 в 1955 г. проблема РДС-6Т («труба») была окончательно закрыта.

«Слойка» Сахарова

Другое направление работ по созданию термоядерного заряда было связано с исследованиями, которые проводила группа сотрудников под руководством Тамма, и прежде всего с работами Сахарова.

Участвуя в анализе результатов расчетов группы Зельдовича, Сахаров в сентябре-октябре 1948 г. независимо от Э. Теллера пришел к идее гетерогенной схемы с чередующимися слоями из дейтерия и урана-238.

Вот как об этом Сахаров писал впоследствии: По истечении двух месяцев я сделал крутой поворот в работе. А именно: я предложил альтернативный проект термоядерного заряда, совершенно отличный... по происходящим при взрыве физическим процессам и даже по основному источнику энерговыделения. Я назвал это предложение «первой идеей» [8, с. 149]. Новый принцип осуществления термоядерной реакции стал важнейшим вкладом ученого в разработку термоядерного оружия нашей страны. Предложенная им схема получила название «слойка». Лежащий в ее основе принцип ионизационного сжатия термоядерного горючего разработчики называют «сахаризацией». Удивительно, что Сахаров пришел к идее «слойки» всего лишь через четыре месяца после начала работы.

Физические принципы своего предложения (ионизационная имплозия) он охарактеризовал следующим образом [8, с. 154]:

1. В «слойке» осуществляется локальное температурное равновесие вещества и излучения. Вопрос о существовании такого детонационного режима не встает (он, несомненно, существует). Ширина зоны детонационной волны не очень велика.
2. В результате тепловых реакций в дейтерии возникают быстрые нейтроны, способные вызывать деление ядер U-238, что значительно повышает калорийность.
3. Малая прозрачность урана по отношению к фотонам обеспечивает умеренную ширину зоны ударной волны, идущей впереди зоны горения.
4. ...температура в соседних фазах выравнивается теплопроводностью излучения... из равенства давлений в соседних фазах следует равенство числа частиц в единицах объема U и D; ионизованный уран «разбухает», сжимая D своим электронным давлением.

Принципиальные особенности «слойки» позволяли широко варьировать особенности ее конструкции и входящие в ее состав материалы. Вот как ученый написал об этом: Вскоре мое (АДС) предложение существенно дополнил В. Л. Гинзбург, выдвинув «вторую идею». В отчете 3 марта 1949 г. «Использование Li⁶D в слойке» В. Л. Гинзбург отметил преимущества, связанные с использованием в «слойке» Li⁶D. При этом в результате реакции Li⁶ + n → He⁴ + T возникает тритий, который в результате реакции D + T → He⁴ + n дает нейтроны, делящие уран-238 [8, с. 177].

Эти принципы стали основополагающими для всего термоядерного оружия, а практическая реализация была связана сначала с совмещением их с принципом газодинамической имплозии (РДС-6с), а затем с принципом радиационной имплозии (РДС-37), осуществленным Сахаровым и коллективом сотрудников КБ-11. Все это определяло (на протяжении десятилетий вплоть до настоящего времени) базовые особенности и свойства термоядерных модулей нескольких поколений боевого оснащения нашего ядерного арсенала.

Перед Сахаровым и его соратниками стояли задачи исключительной сложности. Отсутствовали необходимые данные о нейтронно-ядерных процессах для тритий-дейтериевых нейтронов и процесса конверсии нейтронов в тритий на изотопе литий-6. Было понятно, что в условиях слоистой системы будут развиваться гидродинамические неустойчивости, масштаб которых представлялся весьма неопределенным. Отсутствовали данные о газодинамической имплозии слоистых систем. Определение процессов горения ядерного и термоядерного материалов в «слойке» и ее энерговыделения требовали сложных математических расчетов, аналогов которым не было. Нужно было определить, каким образом нужно провести ядерные испытания с тем, чтобы можно было сделать исчерпывающее заключение о качестве реализации термоядерного горения.

Группа Ландау была привлечена к расчетам коэффициента полезного действия «слойки» Сахарова в конце 1949 г. после письма Харитона Берии. В итоговом отчете КБ-11 за 1951 г. «Теория действия многослойного заряда» по результатам работ за 1950 г. дана ссылка на работы группы Ландау из ИФП (три отчета).

Из-за невозможности в начале 1950-х годов проводить численные расчеты массово большую роль играли приближенные методы и интерполяционные формулы (применявшиеся в КБ-11 и ИФП). Сочетание аналитических методов и расчетов полной системы уравнений разностными методами в конечном счете и позволило обосновать характеристики и конструкции термоядерных зарядов.

На первом этапе работ (в 1950 г.) Зельдович и Сахаров использовали подход Халатникова при проведении расчетов по новой бомбе с многослойным зарядом для оценки характеристик физических процессов и оптимизации конструкции заряда. В дополнение к основной стадии расчетов многослойного заряда РДС-6с было проведено более 20 расчетов. Результаты таких работ использовались для экстраполяции численного («точного») расчета группы Тихонова.

Впечатляет состав научного коллектива, участвовавшего в обосновании характеристик РДС-6с. Шесть будущих нобелевских лауреатов: Тамм, Ландау, Франк, Гинзбург, Семенов, Канторович. Физики-экспериментаторы и математики из Ленинграда, Обнинска, Дубны, Харькова и Москвы. Основатели замечательных научных школ в нашей стране.

Создание «слойки» РДС-6с

Расчет водородных термоядерных зарядов значительно сложней, чем обычных атомных зарядов типа РДС. Для расчета изделий первых образцов атомных зарядов в КБ-11, ИХФ (Зельдович) и ИФП (Ландау, Халатников, Мейман) удалось создать удовлетворительные модели, используя в расчетах лишь усредненные характеристики процессов: среднюю энергию нейтронов, среднюю плотность оболочки из урана, среднюю температуру основного заряда и т.д.

В случае РДС-6с подобный подход был невозможен по двум причинам: во-первых, нейтроны разных энергий играют качественно различную роль в процессе взрыва и естественно разбиваются на «энергетические группы», а во-вторых, наличие в системе слоистой структуры не позволяет обходиться усредненными величинами и требует знания в каждом из слоев температуры, плотности вещества, плотности нейтронов и т.д.

По заданиям КБ-11 (А. Д. Сахаров, Я. Б. Зельдович, Е. И. Забабахин, Ю. А. Романов, В. И. Ритус, Ю. Н. Бабаев) были разработаны методы расчета процесса взрыва в группах Отделения прикладной математики (ОПМ) МИАН (Тихонов, Самарский) и ИФП (Халатников, Мейман и Ландау).

В отчете Сахарова от 20 апреля 1953 г. по физическим основам работ модели РДС-6с была обозначена технология расчетов. По заданиям КБ-11 в группе Семендяева (МИАН) были проведены расчеты газодинамики, результаты которых в качестве начальных данных были переданы группам Ландау, Тихонова и Гельфанда. Трехгрупповой расчет энерговыделения «слойки» выполнялся полгода двенадцатью вычислителями. К лету 1953 г. все вопросы по обоснованию характеристик РДС-6с были решены. Ответы на многие из них были получены в рамках фундаментальной физики.

15 июля 1953 г. (до испытания оставалось менее месяца) было выпущено расчетно-теоретическое обоснование работы модели изделия РДС-6с, подписанное Таммом, Сахаровым и Зельдовичем. Отчет назван «Модель изделия РДС-6c», хотя испытываемая модель ничем не отличается от боевого изделия... кроме большей в 2–3 раза массы активных материалов в боевом изделии [9, с. 21]. Авторы отчета отметили, что в основе определения характеристик РДС-6с лежал точный математический расчет, проведенный группой Ландау (т.е. Халатниковым и Мейманом).

Во второй части расчетно-теоретического обоснования отмечалось, что к моменту начала работы над РДС-6с отсутствовали количественные данные об основных процессах, определяющих протекание ядерного взрыва водородного изделия, ввиду чего не было возможности рассчитать мощность изделия и необходимое для его изготовления количество трития. Для получения этих данных потребовалось выполнить очень обширный круг экспериментальных и теоретических исследований и существенно повысить точность ядерных измерений и математических расчетов [9, с. 23].

Разработка математических методов детального расчета, выполненная по заданиям КБ-11, потребовала серьезной исследовательской и большой вычислительной работы. В ходе поисков оптимального варианта РДС-6с и методических изысканий в КБ-11, ОПМ и ИФП было проведено 12 детальных расчетов сжатия РДС-6с (семь расчетов в бюро Тихонова, три — в бюро Ландау и два — в бюро Семендяева и Гельфанда). Количество произведенных при этом арифметических операций исчисляется многими десятками миллионов. Халатников обосновал также параметры уравнения состояния дейтерида лития-6, которым широко пользовались разработчики того времени.

Авторы отчета особо отметили, что был выработан такой метод расчета, в котором неизбежные в столь громоздких вычислениях малые ошибки не накапливались и не приводили к существенной погрешности в конечном результате. Решение этой проблемы открывает, в частности, возможность применения электронных вычислительных машин взамен медленного и трудоемкого ручного счета [9, с. 26].

Революция в численных методах произошла в процессе работы над первой отечественной водородной бомбой РДС-6с — «слойкой» Сахарова. При интегрировании уравнений в частных производных разностными методами Ландау, Мейман, Халатников (ИФП), а также Тихонов и Самарский (ОПМ) решили важную проблему устойчивости разностных методов.

Особые трудности в проблеме расчета РДС-6с (преодоленные лишь в 1952 г. группой Ландау и группой Тихонова и Самарского) вызывало появление в изделии ударных волн, возникающих при сжатии легких слоев в стадии ядерного взрыва и обусловленных слоистой структурой изделий. Особенно эффективным для разрешения этой проблемы стал семинар Келдыша. Халатников выступал посредником между физиками и математиками не только в ИФП, но и между исполнителями в ОПМ, КБ-11 и ИХФ.

Ряд необходимых для расчета процесса взрыва величин — теплопроводность и уравнение состояния урана при температурах 100 млн градусов, характеристики перемешивания, вязкости и диффузии — были вычислены в Физическом институте АН СССР (В. Л. Гинзбург, Е. С. Фрадкин). Существенную часть работы в КБ-11 составляла выработка метода расчета диффузии, замедления нейтронов и определение из ядерно-физических экспериментов сечений ядерных реакций, входящих в начальные данные для расчетов.

В 1951 г. в КБ-11 Ю. А. Романов, А. Д. Сахаров, В. Н. Климов, В. Д. Ширков выпустили отчет, в котором обобщались результаты расчетов действия многослойного заряда на основе расчетов, выполненных в основном группами Ландау и Тихонова.

К концу весны 1953 г. Сахаров выбрал в качестве номинального расчета для прогнозирования мощности изделия, закладки радиохимических реперов и настройки измерительной аппаратуры результаты, полученные группой Ландау. Отметим, что в процессе проведения расчетов Сахаров, Романов, Ритус постоянно контактировали с Халатниковым.

Испытание РДС-6с 12 августа 1953 г. было четвертым в серии ядерных испытаний СССР и полностью подтвердило физические и конструкторские принципы водородной бомбы, а также методы ее расчета. Измеренный различными методами, полный тротиловый эквивалент составил 400 кт и в пределах точности измерений совпал с расчетной мощностью. Расчеты энерговыделения РДС-6с, проведенные в 2003 г. с использованием современных методик, показали удивительное согласие с результатами группы Ландау и Халатникова в 1953 г.

Новости из Советского Союза поразили ученых всего мира: Ученые США во главе с лауреатом Нобелевской премии Г. Бёте в своем докладе Президенту США отметили, что СССР «на высоком техническом уровне произвел водородный взрыв, и осуществил кое-что из того, что США надеялись получить в результате опытов, назначенных на весну 1954 г.» [10, с. 117]. Испытание стало непреходящим по своему значению событием в истории создания термоядерного оружия СССР и важнейшим этапом в развитии отечественной ядерной оружейной программы.

Выдающиеся успехи специалистов в период 1948–1953 гг. по созданию и испытанию усовершенствованных атомных бомб и первой термоядерной бомбы имели важное научно-техническое и политическое значение и были высоко оценены правительством СССР. Основные разработчики в конце 1953 г. были отмечены Сталинскими премиями различных степеней и высшими наградами страны. Особо выделен вклад Сахарова. Он стал Героем Социалистического Труда, получил Сталинскую премию 1-й степени и был избран действительным членом АН СССР, минуя ступень член-корреспондента.

За расчетно-теоретические работы по РДС-6с и РДС-5 Ландау стал Героем Социалистического Труда, лауреатом Сталинской премии 1-й степени. Халатников, Мейман и Лифшиц получили Сталинскую премию 2-й степени и были награждены орденами Трудового Красного Знамени.

По признанию самого Халатникова, ИФП не играл решающей роли в создании атомного оружия [11, с. 53]. Мне представляется, что такая оценка Исаака Марковича занижена: во многом именно благодаря физикам-теоретикам и математикам класса Зельдовича, Келдыша, Ландау, Сахарова, Тамма, Тихонова, Халатникова, Меймана и многим другим замечательным ученым, в отсутствие вычислительной техники удалось создать в столь короткие сроки ядерное и термоядерное оружие нашей страны. Результаты работы группы Ландау (ИФП) были, безусловно, значимыми и признанными, несмотря на постоянные препятствия и инициативы со стороны «охраняющих органов»

Фронт работ по термоядерным зарядам расширяется

В конце 1940-х и вплоть до середины 1950-х годов физики-теоретики и математики проводили уникальные расчетно-теоретические работы по различным физическим схемам термоядерных зарядов. И во всех этих работах участвовал Халатников в составе группы Ландау.

Основные усилия после успешного испытания РДС-6с были брошены на разработку заряда мощностью 1–2 Мт, названного РДС-6СД. Научным руководителем этого направления в конце 1953 г. назначили Сахарова.

Трудности на этом пути были связаны с тем, что не удавалось в габаритах РДС-6с (они определялись возможностями носителей того времени) получить необходимые характеристики без использования значительного количества трития. Еще большие проблемы возникали при рассмотрении зарядов сверхбольшой мощности (порядка 10 Мт).

Разработка мощных водородных зарядов с середины 1954 г. велась сразу по нескольким направлениям: РДС-6СД — модификация РДС-6с с целью повышения мощности, РДС-27 — модификация РДС-6с без использования трития и, наконец, создание заряда на основе нового физического принципа, родившегося в КБ-11 в 1954 г., — радиационной имплозии («третья идея», по терминологии Сахарова). Это заряд получил индекс РДС-37 и был успешно испытан 22 ноября 1955 г.

Организация работ была направлена на обеспечение безусловной разработки и испытание в 1955 г. мощной водородной бомбы (1–2 Мт) и отражала сложнейшую военно-политическую обстановку того времени.

План испытаний 1955 г., представленный Харитоном руководству страны, предусматривал также испытание одного из страховочных вариантов с гарантированным успехом (РДС-27), но с меньшей мощностью (250 кт). Модификация РДС-6с без трития была успешно испытана 6 ноября 1955 г., т.е. перед РДС-37 [7].

ИФП (в лице Халатникова) активно принимал участие в обосновании характеристик РДС-27 и РДС-6СД. Кроме того, ряд работ был выполнен для обоснования уравнения состояния легких веществ и расчета страховочной конструкции атомной бомбы РДС-7 — аналога американской бомбы King (500 кт). Также Халатников участвовал в многочисленных экспертизах, проведении расчетов с ОПМ (группой Тихонова). Исаак Маркович не только внес вклад в расчетное обоснование характеристик «водородного оружия больших мощностей», но и исследовал ряд физических эффектов для повышения мощности РДС-6СД и предложил ряд конструктивных элементов для увеличения мощности.

Как отметили Харитон и Сахаров, Халатников и Мейман выполнили важные оптимизационные расчеты по подготовке к серийному производству РДС-6СД увеличенной мощности. Харитон и Сахаров на основании этих расчетов, а также результатов обработки натурного испытания РДС-6с с привлечением расчетов ОПМ (группа Семендяева и Гельфанда) окончательно выбрали конструкцию изделия РДС-6СД с конкретными закладками основных материалов. Халатников также участвовал в экспертизе изделия РДС-6СД.

В процессе работы Исаак Маркович неоднократно выступал с новыми предложениями по увеличению мощности водородных изделий. Вот как Харитон 6 мая 1953 г. деликатно ответил на одно из предложений Халатникова об увеличении мощности РДС-6с: Хотя предложение и не очень обнадеживающее, но полезно и дает ориентировку в области, которая пока еще слабо изучена [9, с. 134]. Ванников 12 апреля 1954 г. направил Харитону новое предложение сотрудников ИФП Халатникова и Дьякова — о возможности повышения мощности термоядерного изделия за счет использования размножающих свойств бериллия по каналу (n, 2n) реакции на бериллии [9, с. 186].

Харитон, Сахаров и Зельдович в докладе Ванникову от 29 января 1954 г. отметили, что по результатам успешного испытания РДС-6с в 1953 г. проводились интенсивные расчеты РДС-6СД в ОПМ (группа Тихонова и Семендяева), в КБ-11 (группа Сахарова, Романова и Ритуса) и ИФП (Ландау, Халатников и Мейман).

Важно подчеркнуть роль экспертных комиссий из специалистов различных научных школ и специализаций: в те годы в ИФП были развиты приближенные, аналитические и разностные методы расчетов, в ОПМ развивались численные методы, а в КБ-11 применялись оба подхода. Но... не хватало специалистов и расчетных мощностей первых ЭВМ в нашей стране. Важно, что наши ученые понимали не только ограниченность возможностей, но и учитывали все эти факторы в организации работы.

Творческая свобода в различных коллективах, экспертиза проектов, ответственность за конечный результат — вот стиль Атомного проекта!

Харитон и Сахаров в своем отчете от 24 января 1954 г. В. А. Малышеву, руководителю Министерства среднего машиностроения³, отметили изобретательскую инициативу Халатникова. А в связи с частичным отходом Ландау к более отвлеченным задачам Харитон и Сахаров рекомендовали поручить непосредственное руководство теоретической группой Ландау Халатникову И. М., оставив общее руководство за Ландау" [9, с. 134]. Лаборатория Халатникова была создана по постановлению Совета министров СССР от 26 апреля 1954 г. в интересах создания сверхмощных водородных бомб.

В 1954 г. наступил кризис в разработке мощных водородных изделий. Не удавалось исполнить постановление Совета министров СССР о разработке изделия мощностью 2 Мт в габаритах РДС-6с. Все это происходило на фоне мощных (10–15 Мт) испытаний США в Тихом океане.

В сентябре Малышев дал жесткие поручения по выполнению работ по РДС-6СД. Была создана экспертная комиссия с участием «гвардии»: Тамма (председатель), Ландау, Сахарова, Зельдовича, Халатникова, Забабахина и с привлечением молодых сотрудников. Курчатову объявили выговор за срыв правительственных сроков. Поэтому работы по увеличению мощности РДС-6с интенсивно продолжались, как это было определено постановлением правительства.

Сахаров написал в «Воспоминаниях...», что после успешного испытания РДС-6с не удавалось получить показатели водородной бомбы мощностью 2 Мт, неудачно анонсированные мной руководству страны [8, с. 251].

Расчеты, проведенные группами Халатникова и Тихонова, давали неудовлетворительные результаты, а сама конструкция требовала больших затрат делящихся материалов и трития.

Создание первой термоядерной бомбы РДС-37

История создания РДС-37, так же как и история создания водородной бомбы в США, полна драматизма.

«Третья идея» (двухступенчатый заряд, основанный на физическом принципе радиационной имплозии) появилась как фундаментальный научный ответ на практическую потребность создания качественно нового, универсального термоядерного оружия. Она позволила решить задачи исключения большого количества трития из термоядерных зарядов и создания термоядерных зарядов многомегатонного класса.

В отчете КБ-11 от 6 августа 1954 г. за первое полугодие работ по термоядерному заряду, основанному на принципе радиационной имплозии, Сахаров и Романов написали: ...принципы радиационной имплозии выработаны в результате коллективной работы теоретических секторов № 2 и № 1 (Зельдович, Трутнев, Сахаров) [9, с. 230].

Изделие РДС-37 было разработано в удивительно короткие сроки: от идеи до изготовления и испытания на полигоне 22 ноября 1955 г. прошло менее полутора лет!

В отчете по итогам испытаний РДС-37 от 8 июля 1955 г. руководители теоретических секторов Зельдович и Сахаров написали: Разработка принципа окружения (радиационной имплозии) является одним из ярких примеров коллективного творчества. Одни давали идеи (идей потребовалось много, и некоторые из них независимо выдвигались несколькими авторами). Другие более отличались в выработке методов расчета и выяснении значения различных физических процессов. В разработке столь сложной системы особенно велика роль математических расчетов, в ряде случаев расчеты уравнений в частных производных кардинально исправляли наши представления о работе того или иного узла или о роли того или иного изменения в системе. Эти расчеты проводились в основном в Отделении прикладной математики Математического института АН СССР под общим руководством М. В. Келдыша и А. Н. Тихонова (отделы К. А. Семендяева, А. А. Самарского, И. М. Гельфанда). Только по процессам газодинамического сжатия ОПМ и КБ-11 провели 13 расчетов.

Расчеты КПД взрыва основного изделия проводились в ОПМ (в отделе Самарского). Два расчета КПД, а также расчет параметров уравнения состояния были проведены группой Халатникова. Ряд расчетов был проведен непосредственно в КБ-11 (отдел И. А. Адамской).

Многие расчеты в ОПМ проводились на электронной машине «СТРЕЛА». Были решены весьма сложные задачи разработки методов программирования и организации [9, с. 377].

По постановлению Совета министров СССР в КБ-11 1 июля 1955 г. работала экспертная комиссия (Келдыш, Леонтович, Сахаров, Гинзбург, Зельдович, Халатников, председатель — Тамм), которая ознакомилась с теоретическими и экспериментальными работами, ведущимися по изделию РДС-37.

Комиссия в своих выводах отметила, что применение атомного обжатия открыло возможность использования термоядерной реакции в качестве основного источника энерговыделения. Можно ожидать, что в габаритах, допустимых для авиавариантов, окажется возможным создать систему, дающую энерговыделение порядка десятка Мт. В системе с атомным обжатием почти все энерговыделение происходит за счет термоядерных реакций в дешевом легком продукте Li⁶D и вызванного этими реакциями деления природного урана [9, с. 371].

Путь практической реализации атомного обжатия был открыт, и работа завершилась блестящим подтверждением этого принципа в испытании РДС-37.

Для сравнения с точностью расчетов того времени приведу данные по шести термоядерным испытаниям Castle Bravo, проведенным США в 1954 г. Разброс в оценках мощности достигал от 2,5 до 8 раз (например, при взрыве Bravo вместо расчетных 6 Мт получили 15 Мт), что и привело к радиоактивному облучению японских рыбаков на шхуне «Счастливый Дракон».

Вклад Сахарова в разработку принципа атомного обжатия и изделия РДС-37 был высоко оценен. Ему было присвоено (вторично) звание Героя Социалистического Труда, и он стал вместе с Харитоном, Зельдовичем и Курчатовым одним из первых лауреатов только что учрежденной Ленинской премии. За работы по изделию РДС-37 в 1956 г. Халатников был награжден орденом Трудового Красного Знамени.

В 1955 г. СССР достиг уровня США, а в некоторых моментах оказался даже впереди. Так, в СССР в ходе испытания 1955 г. впервые произвели сброс термоядерной бомбы с самолета. США провели такое испытание лишь в 1956 г.

Харитон, вспоминая о начальном этапе Атомного проекта, написал в 1996 г.: Я поражаюсь и преклоняюсь перед тем, что было сделано нашими людьми в 1946–1949 годах. Было нелегко и позже. Но этот период по напряжению, героизму, творческому взлету и самоотдаче не поддается описанию. <...> Ядерное оружие своей невиданной разрушительной силой, применение которой угрожает жизни на Земле, удерживало мировые державы от войны, от непоправимого шага, ведущего к всеобщей катастрофе. <...> Самое изощренное оружие массового уничтожения до сих пор содействует миру на Земле, являясь мощным сдерживающим фактором [12, с. 5].

Литература
1. Атомный проект СССР: Документы и материалы (Под общ. ред. Л. Д. Рябева). Т. I: Атомная бомба. 1938–1945. Ч. 1. М., 1998.
2. Reed T., Kramish A. Trinity at Dubna // Physics Today. 1996; 49(11): 30–35.
3. Атомный проект СССР: Документы и материалы. Т. II: Атомная бомба. 1945–1954. Кн. 6. М.; Саров, 2004.
4. Атомный проект СССР: Документы и материалы. Т. II: Атомная бомба. 1945–1954. Кн. 1. М., 1999.
5. Атомный проект СССР: Документы и материалы. Т. III: Водородная бомба. 1945–1956. Кн. 1. М.; Саров, 2008.
6. Андрюшин И. А., Илькаев Р. И., Чернышев А. К. Решающий шаг к миру. Водородная бомба с атомным обжатием РДС-37. Саров, 2010.
7. Mikhailov V., Andryushin I., Chernyshev A. Catalog of Worldwide Nuclear Testing. N.Y., 1999.
8. Сахаров А. Д. Воспоминания. М., 1996.
9. Атомный проект СССР: Документы и материалы. Т. III. Водородная бомба. 1945–1956. Кн. 2. М.; Саров, 2009.
10. Андрюшин И. А., Илькаев Р. И., Чернышев А. К. «Слойка» Сахарова: Путь Гения. Саров, 2011.
11. Халатников И. М. Дау, Кентавр и другие: Top nonsecret. М., 2008.
12. Андрюшин И. А., Чернышев А. К. 65 лет мира. Саров, 2014.

---

¹ КБ-11 — конструкторское бюро, созданное 9 апреля 1946 г. для разработки ядерного, а затем термоядерного оружия, с 10 января 1967 г. — Всесоюзный научно-исследовательский институт экспериментальной физики (ВНИИЭФ), располагается в г. Сарове.

² Борис Львович Ванников — в 1945–1953 гг. начальник Первого главного управления, генерал-полковник инженерно-технической службы.

³ Министерство среднего машиностроения было образовано в 1953 г. на базе Первого главного управления при Совете министров СССР.