Данная статья описывает хронологию событий, связанных с разработкой схемы Теллера — Улама () — технической концепции, лежащей в основе термоядерного оружия, то есть водородной бомбы. На основе этой схемы построены практически все современные системы ядерного оружия, составляющие арсеналы ведущих ядерных держав.
История
Проект «Super»
Идея использования энергии от взрыва атомной бомбы для инициации реакции синтеза впервые была предложена итальянским физиком Энрико Ферми в Нью-Йорке в беседе с его коллегой Эдвардом Теллером осенью 1941 года, когда они возвращались после обеда в Колумбийский университет. Размышляя вслух, Ферми предположил, что взорвав атомную бомбу рядом с ёмкостью с дейтерием можно вызвать реакцию слияния ядер водорода в ядра гелия и получить так называемое водородное оружие, в котором атомная бомба выступает «зажигалкой». В теории такая бомба была бы намного более эффективной и намного более мощной, чем атомная. Дейтерий легко получается из морской воды, и кубометр подожжённого дейтерия произведёт взрыв мощностью порядка несколько мегатонн, в то время как атомная бомба максимум может выдать мощность в несколько сотен килотонн. Вдохновлённый этой идеей, Теллер принялся исследовать пути её оценки и практической реализацииFitzpatrick, p.101.
Манхэттенский проект Теллер принял участие в июльской конференции 1942 года группы Оппенгеймераполный список участников конференции: сам Оппенгеймер, Феликс Блох, Ганс Бете, Эмиль Конопински, Роберт Сербер, Эдвард Теллер, Джон Ван Флек и два молодых физика Stanley Frankel and Eldred Nelson. Также к обсуждению привлекались John Manley, Эдвин Макмиллан и Эмилио Сегре по деталям создания атомной бомбы в Калифорнийском университете в Беркли. Ещё до конференции Теллер делал простые расчёты и пришёл к выводу, что поджечь дейтерий атомной бомбой не получится, но потом поменял своё мнение, когда сделал новые расчёты с помощью своего коллеги Эмиля Конопинского.
Во время конференции Теллер вызвал учёных на дискуссию о супер-бомбе, или коротко «Super». Так как уже было решено, что все вопросы по атомной бомбе выяснены, Сербер, Стен Френкель (Stan Frankel) и Нельсон занялись этой свежей интересной проблемой. По первым оценкам создание водородной бомбы казалось чисто инженерной задачей. Чуть позднее Ганс Бете (Hans Bethe) проверил расчёты Теллера и обнаружил, что Теллер не учёл важный эффект Комптона — процесс охлаждения за счёт рассеивания излучения, из-за которого тепло от взрыва атомной бомбы рассеется гораздо быстрее, чем успеет нагреться дейтерий до расчётной температуры 400 миллионов градусов, чтобы началась реакция синтеза, а потом атомная бомба просто разнесёт на мелкие кусочки термоядерное устройство. Пытаясь спасти идею, Конопински предложил смешать дейтерий с тритием, что позволило бы снизить требуемую температуру реакции синтеза, и при этом ещё и повысилась бы мощность взрыва. Однако тритий — чрезвычайно редкий изотоп водорода и очень дорог в производстве. Для вычисления подходящей пропорции смешивания дейтерия с тритием надо было бы провести колоссальные расчёты, а провести практические эксперименты не позволяла чудовищная дороговизна даже миллиграммов тритияFitzpatrick, p.104.
Учёные так и не предоставили готового рецепта создания Супер-бомбы, а для её работы всё равно нужна была атомная бомба, поэтому руководители Манхэттенского проекта решили отложить работы по «Super» до лучших времён и сконцентрироваться на первоочередной задаче: создании атомной бомбы к лету 1945 годаFitzpatrick, p.105.
Тем не менее Теллер продолжал заниматься в Лос-Аламосе проблемой «Super» до такой степени, что это стало сказываться на его основной работе над атомной бомбой. Большая часть работы, которую Теллер отказывался выполнять, была передана Клаусу Фуксу, который позднее был разоблачён как советский шпион. Теллеру были выделены некоторые ресурсы для изучения проблемы Super, но её решение всё время ускользало, вычисления по проблеме оказались невероятно сложными особенно в условиях, когда невозможно было получить ответы экспериментальным путем (для сравнения, все свойства реакции деления можно было просто получить на циклотронах, только что созданных ядерных реакторах и проводя различные лабораторные и стендовые испытания).
После войны
Интенсификация исследований После того, как СССР провёл испытание своей атомной бомбы 29 августа 1949 года, Президент США Гарри Трумен 31 января 1950 объявил о запуске интенсивной программы по созданию термоядерной бомбы. После атомной бомбардировки Хиросимы и Нагасаки многие учёные Лос-Аламоса выступили против создания оружия в тысячу раз более мощного, чем первая атомная бомба. Для учёных это был вопрос отчасти технический — не существовало ещё ни схемы, ни понимания как работает термоядерная бомба, и, отчасти, моральный: такое мощное оружие бессмысленно применять тактически против скопления войск противника, оно может быть использовано только стратегически против гражданского населения, и таким образом становится оружием геноцида. Теллеру даже пришлось публиковать открытое обращение к учёным с призывом "вернуться назад в лаборатории""Back to the Laboratories", Bulletin of the Atomic Scientists, март 1950 г.. Многие ведущие физики США вернулись в Лос-Аламос для работы над Super-бомбой.
И всё же все усилия приводили к решениям, которые оказывались нерабочими. По теории классической Super-бомбы считалось, что одного тепла от взрыва атомной бомбы будет достаточно, чтобы поджечь термоядерное топливо. Но расчёты показывали, что это невозможно. Некоторое время многие учёные сходились во мнении (а многие и надеялись на это), что термоядерная бомба неосуществима на практике. К осени 1950 года перспективы Super-бомбы казались безнадёжными.
В поисках выхода из создавшегося положения, учёные Лос-Аламосской лаборатории в качестве альтернативы предлагали использовать термоядерное топливо хотя бы в качестве "бустера" для увеличения мощности атомной бомбы. На май 1951 года были запланированы эксперименты, которые должны были дать ответы хоть на какие-то вопросы течения термоядерной реакцииRhodes, ch.23.
Идеи Улама и Теллера
Не представляется возможность восстановить точную последовательность событий приведших к прорыву Теллера-Улама, отчасти из-за того, что все участники событий излагают свою версию, и отчасти из-за завесы секретности, которая до сих пор покрывает тему устройства термоядерного оружия. Из имеющихся документов, рассекреченных отчётов, интервью и книг можно составить следующую картину. Все предыдущие модели Super-бомбы пытались разместить термоядерное топливо как можно ближе к "зажигалке": либо вокруг делящегося ядра, либо внутри него в надежде на то, что чем ближе топливо окажется к ядру, тем выше шанс того, что топливо "загорится" просто от высокой температуры взрыва.
В начале 1951 года после стольких лет бесплодных поисков Станиславу Уламу пришла первая идея, лёгшая в основу схемы Теллера-Улама. В атомной бомбе имплозивного типа использовалась схема сжатия надкритической массы плутониевого ядра одновременным подрывом со всех сторон высокоэнергетического взрывчатого вещества, которое взрывной волной, направленной к центру, сдавливало плутониевое ядро до критической массы и вызывало взрывную реакцию деления. Сначала в декабре 1950 года Улам предложил идею использовать вместо взрывчатки взрыв другой атомной бомбы ("первая ступень"), которая сдавит плутониевое ядро второй ступени намного сильнее и тем самым увеличит мощность взрыва в несколько раз. В первые микросекунды атомного взрыва ядро выделяет поток нейтронов ("нейтронный газ"), который имеет высокую плотность, сравнимую с плотностью твёрдого тела. В конце января 1951 года Уламу пришла идея перенести этот принцип на термоядерную бомбу: потоком нейтронов от подрыва атомной бомбы сжать термоядерное топливо и, не давая ему разлететься, поджечь его. Улам поделился этой идеей сначала с Брэдбери, а потом на следующий день с Теллером. Теллер сначала скептически оценил предложение Улама, но потом его озарило, что вместо потока нейтронов для обжатия можно использовать поток рентгеновского излучения. К тому времени в Лос-Аламосской лаборатории были уже разработаны атомные бомбы, которые были способны конвертировать энергию взрыва в мощный поток радиации. Радиационная имплозия позволяла сжать термоядерную ступень быстрее и держать её в таком состоянии дольше. 9 марта 1951 года Теллер и Улам написали отчет "On Heterocatalytic Detonations I: Hydrodynamic Lenses and Radiation Mirrors" на сайте Nuclear Non-Proliferation Institute . Это фото-копия оригинального отчёта Теллера и Улама, в которой они излагают принципы радиационной имплозии. Рассекреченный документ сильно вымаран цензорами, и для чтения остается только несколько абзацев, который послужил основой всей дальнейшей работы над Super-бомбой.
Позднее в марте 1951 года Теллер добавил ещё одну важную деталь к схеме. Он поместил второй делящийся компонент внутри второй ступени для увеличения эффективности реакции горения термоядерного топлива. Когда симметричная ударная волна сжимает стенки цилиндра с дейтерием, она встречается сама с собой в оси цилиндра, где её движение тормозится и превращается в тепло. Эту небольшую область по оси цилиндра называли "свечой зажигания" ("sparkplug"), т.к. именно отсюда начиналась термоядерная реакция. Теллер понял, что если поместить надкритический стержень из U235 или плутония по оси цилиндра, ударная волна сожмёт стержень до сверхкритической массы. Произошедший взрыв создаст вторую ударную волну, движущуюся навстречу внешней ударной волне, которая одновременно сожмёт и подожжёт термоядерное топливо более эффективно, чем это было бы без такой "свечи". Об этом дополнении Теллер упомянул в отчёте за 4 апреля 1951 годаTeller, Edward, “The Sausage: A New Thermonuclear System,” LA-1230, Los Alamos Scientific Laboratory, April 4, 1951. Именно в этом отчёте будущее устройство получило название "Сосиска", назвав его "an equilibrium thermonuclear gadget". Так окончательно оформилась схема Теллера-Улама: сжатие посредством радиационной имплозии термоядерного топлива и усиление его горения с помощью дополнительной ядерной свечи.
После этих открытий эксперименты, намеченные на май 1951 года, приобрели другой смысл. Теперь это были не опыты, а реальная проверка работы радиационной имплозии и проверка усиления мощности атомной бомбы горением DT-смеси. До испытаний идея Теллера-Улама рассматривалась как перспективная, но со скепсисом. На испытания на атолл Эниветок прилетели Теллер и Эрнест Лоуренс. Взрыв George8-9 мая 1951 года показал, что из 225 кт мощности взрыва 25 кт выдала маленькая капсула с дейтерий-тритиевой смесью (примерно в два раза больше, чем мощность бомбы, сброшенной на Хиросиму). Взрыв Item20 мая 1951 года показал, что впрыскивание дейтерий-тритиевого газа увеличило мощность атомной бомбы в два раза до 45,5 кт.
В июле 1951 года Ричард Гарвин по поручению Теллера рассчитал инженерный проект (размеры, компоновку, форму) термоядерного устройства для испытания схемы Теллера — Улама.Garwin, Richard, “Some Preliminary Indications of the Shape and Construction of a Sausage, Based on Ideas Prevailing in July 1951,” Los Alamos Scientific Laboratory. report LAMD-746.