Выпускник физфака Андрей Дмитриевич Сахаров

К 100-летию академика А.Д. Сахарова

Андрей Дмитриевич Сахаров, пожалуй, самый известный в России и в мире отечественный физик. И хотя известность ему принесла не наука, а его политическая деятельность и Нобелевская премия мира, это именно выдающийся физик, выпускник физического факультета.

Его отец, Дмитрий Иванович (1889–1961), ученик П.Н. Лебедева, был преподавателем физики Московского пединститута имени Ленина, автором четырёх научно-популярных книг, изданных в 1925–1930 гг., и задачника по физике (последнее, 13-е, издание которого вышло в 2003 г.).

Сахаров окончил с отличием физфак МГУ в 1942 году и в сентябре был распределен в распоряжение Наркомата вооружений, откуда направлен на патронный завод № 3 им. Володарского в Ульяновск, где до 1945 года работал инженером-исследователем и стал автором нескольких приборов проверки качества патронов [1]. С 1943 года по 1944 год Сахаров сделал самостоятельно несколько научных работ, две из которых его отец послал в ФИАН СССР им. Лебедева своему знакомому, чл.-корр. И.Е. Тамму (1895–1971), который в январе 1945 году и стал научным руководителем Андрея Дмитриевича в аспирантуре. После окончания аспирантуры в 1947 г. Сахаров был принят на работу в ФИАН. С 1947 г. он преподавал в МЭИ, опубликовал несколько статей по разным проблемам физики, но вскоре судьба сделала крутой разворот. В 1948 г. в ФИАНЕ была создана научно-исследовательская группа по разработке термоядерного оружия, которой руководил чл.-корр. Тамм. И в июне 1948 г. его 27-летний ученик был подключен к спецработе, а 18 октября 1948 г. написал свой первый отчет С-1 «Скорость термической реакции в дейтерии» (всего за 20 лет работы в КБ-11 Сахаровым написано около 40 секретных отчётов).

Кроме ФИАНовской группы Тамма с февраля 1948 г. в Арзамасе-16 над водородным оружием работала группа Я.Б. Зельдовича (теоретический отдел № 50), она рассчитывала детонацию дейтерия в цилиндре, подожженном с одного конца «запалом» обычной атомной бомбы. Эта схема была предложена британским физиком и советским шпионом Клаусом Фуксом (1911–1988).

3 ноября 1948 г. Сахаров защитил диссертацию на соискание степени к.ф.-м.н. под названием «К теории ядерных переходов типа 0?0*», текст диссертации опубликован в [2]. Оппонентами были будущие академики А.Б. Мигдал и И.Я. Померанчук.

4–9 июня 1949 г. состоялся первый визит Сахарова на «объект», а с 17 марта 1950 г. он жил там постоянно. Через месяц в Арзамас-16 на постоянное местожительство переехал и И.Е. Тамм. Теперь в КБ-11 были образованы теор. сектор №1 (руководитель Тамм, а с августа 1953 г., после отъезда Тамма — Сахаров) и теор. сектор №2 (руководитель Зельдович). Возможно, увидев сверхсекретные чертежи РДС-1, в сечении напоминающей слои разрезанной луковицы, и родилась идея «Слойки», впервые упомянутая в отчете С-2 от 20 января 1949 г. «Стационарная детонационная волна в гетерогенной системе А-9+180». Первоначально «Слойка» состояла из слоев U238 (продукт А-9) и D2O (продукт 180) в цилиндре диаметром около 400 мм. Лежащий в ее основе принцип ионизационного сжатия термоядерного горючего обозвали «сахаризацией» («первая идея», как её назвал Сахаров в своих «Воспоминаниях»). Немногим ранее, 2 декабря 1948 г. в своём втором отчете Г-2 «Исследование вопроса о детонации дейтерия» В.Л. Гинзбург предложил использование лития для получения трития во время взрыва по схеме Li6+n?T+He+4,8Мэв. А 3 марта 1949 г. появилась «вторая идея»: отчет В.Л. Гинзбурга «Использование Li6D в слойке» [3, 4].

Схема «Слойки» показана на рис. 1. Слои радиоактивных элементов сильно нагревались (особенно тритий, дававший почти 400 Вт), и поэтому были проложены медными теплоотводящими прослойками [5]. В середине размещался нейтронный запал, аналогичный запалу РДС-1. Рассчитать толщину слоев слойки было непросто. Ведь дейтерид лития — хороший замедлитель нейтронов, а уран-238 — их отражатель. Кстати, в отличие от американцев, использовали только чистый литий-6. В итоге слоев легких элементов проложили два, а урана-238 — три. Эти слои в 24 раза различались по плотности и перемешивались таким сложным способом, который было трудно рассчитать с помощью вычислительной техники того времени. Считалось, что неустойчивость перемешивания снизит мощность на 20–25%.

Для «Слойки» же началось освоение и тритиевых технологий — разработчики РДС-6с были пионерами в освоении этого капризного материала. Помимо военных целей учёными не упускалось и мирное использование термояда. В сентябре 1950 г. Сахаров и Тамм предложили схему удержания плазмы магнитными ловушками. Это изобретение послужило основой для создания ТОКАМаков. Следующая работа Сахарова, близкая по тематике магнитным ловушкам и сверхмощ-ным полям, — Магнитно-кумуляционный генератор МК-1 (май 1952 г.).

Рис.1. Знаменитая «Слойка»

При начальном поле в 30 тысяч гаусс уже в первых опытах было достигнуто поле в 1,5 млн гаусс (к 1964 г. с помощью аналогичного устройства в СССР получена магнитная индукция 25 млн гаусс (в США 14,6 млн гаусс получены только в 1968 г.)).

Рис. 2. Взрывомагнитный генератор

Однако в разработке термоядерного оружия США опережали СССР. 9 марта 1951 года американские ученые Теллер и Улам предложили обжатие термоядерного горючего бомбой деления («первичной ступенью»), которая взорвалась бы внутри массивной камеры, которая отражает ее излучение, чтобы сжать «вторичную» ступень синтеза внутри той же камеры. Эта схема позже стала известна как схема Улама — Теллера (в «Воспоминаниях» — «третья идея»). Первый прототип конструкции Теллера — Улама был испытан в ноябре 1952 года и стал известен как взрыв Mike в серии испытаний Ivy, его мощность составила 10,4 Мт. Криогенное оборудование Mike, предназначенное для получения дейтерия в жидком виде, весило около 82 тонн. И было, как писали в советских источниках, совершенно не транспортабельным. Однако на базе устройства «Майк» всё же было создано 5 бомб ЕС-16 мощностью 6–8 Мт и весом 17,7–19,0 т, которые перед применением заправлялись жидким дейтерием. Состояли они на вооружении с января по апрель 1954 г. и были сняты после появления бомб с твёрдым дейтеритом лития.

А в СССР конструкторы-бомбоделы эксплуатировали пока только первую и вторую идеи, до испытаний «Слойки» был почти год. Для страховки, на случай неудачи «Слойки», в КБ-11 разрабатывался заряд РДС-7 «Дурак», он использовал максимально возможное количество делящегося ядерного топлива. Такое название характеризовало отношение к этому решению советских учёных, ведь на один заряд Orange Herald (сделанный по подобной схеме) англичане использовали весь свой годовой запас обогащенного урана (117 кг), добившись мощности 720 кТ.

15 июля 1953 г. И.Е. Таммом, Я.Б. Зельдовичем и А.Д. Сахаровым был подписан заключительный отчёт по «Слойке» — «Модель изделия РДС-6с». Заряд РДС-6с мог помещаться в корпус авиационной бомбы (изделие 501-6), но был взорван на вышке на площадке П-1 Семипалатинского полигона. Ведь при сбросе с самолета можно надежно измерить только мощность взрыва, но для правильной регистрации всех параметров было важно, чтобы центр выделения энергии был сонаправлен регистрирующей аппаратуре. Сигнал на подрыв изделия был дан в 7:30 утра 12 августа 1953 г.

Хотя мощность взрыва была не самой большой для Семипалатинского полигона, она дала 80% загрязнений за всю его историю. На землю полигона выпало 22 KKu (164 г) Sr90 и 29 KKu (335 г) Cs137.

Рис.3. 37-м вышка для размещения РДС-6с

8 июня 1953 г. по написанному им секретному реферату Сахарову была присвоена степень д.ф.-м.н. В октябре 1953 г. он был избран действительным членом АН СССР по Отделению физико-математических наук, став вторым по молодости на момент избрания академиком в истории. 4 января 1954 Сахаров был награжден званием Героя Социалистического труда и Сталинской премией. Всего звания Героя Социалистического Труда за РДС-6с были удостоены 10 сотрудников КБ-11 (в.т.ч. Тамм И.Е.).

20 ноября 1953 г. было принято постановление правительства о создании более мощной бомбы РДС-6сд — развитие схемы «Слойки», содержащей сжатый до 150 атм. (или жидкий) дейтерий. Под неё конструировалась королёвская баллистическая Р-7 и крылатая «Буря» С.А. Лавочкина [1]. Но к середине 1954 года стало ясно, что даже улучшенная конструкция «Слойки» имела серьезные недостатки: выход термоядерного синтеза был ограничен и увеличить мощность свыше 0,5–1,0 Мт можно было, только увеличивая радиус бомбы настолько, что она не помещалась внутри носителя. Назревала необходимость в новых идеях.

Кому принадлежала идея радиационной имплозии («третья идея»), до сих пор не известно. Только после открытия архивов мы узнаем приоритеты и вклады разных учёных. Так или иначе, на основе «третьей идеи» с 1954 г. стали создавать РДС-37.

Двухступенчатое оружие позволяло получать многомегатонный выход. При этом РДС-37 использовало около четверти ядерных взрывчатых материалов, используемых РДС-6сд, и имело небольшие габариты, в заряде не использовался тритий, термоядерным горючим был дейтерид лития, а основным делящимся материалом был U238, [3] заряд имел грушевидный кожух и РДС-4 в качестве первичного модуля. Первичный, вторичный модули и диафрагма были покрыты нейтронопоглощающим материалом (бором). Согласно [7] отношение длины к диаметру составляло около 1,5. Американские термоядерные заряды традиционно были более продолговатыми.

Рис.4. Схема заряда РДС-37

25 июня 1955 г. был подписан заключительный отчёт по РДС-37. За отчёт расписались А.Д. Сахаров, В.Б. Адамский (1923–2005), Ю.Н. Бабаев (1938–1986), Ю.Н. Смирнов (1937), Ю.А. Трутнев (1927) и др. (всего 15 подписей). Чтобы уменьшить заражение полигона и исключить соприкосновение раскалённого облака с землёй, взрыв решено было провести на высоте 1500 м. В начале октября 1955 г. все три дублирующие друг друга конструкции РДС-37, РДС-6сд и РДС-7 были доставлены на Семипалатинский полигон [1, стр.271].

Заряд сбросили с бомбардировщика Ту-16 22 ноября 1955 г. со второй попытки. Первая (за два дня до этого) не удалась: из-за 9-балльной облачности, накрывшей полигон, и отказа радиолокационного прицела «Рубидий». Самолёт- носитель вынужден был садиться с несброшенной бомбой и с выработанным запасом топлива. 22 ноября погода была хорошая, но температурная инверсия «прижала» ударную волну к земле, что привело к человеческим жертвам.

Появление РДС-37 поставило на усовершенствованной «Слойке» крест. Несколько изготовленных РДС-6сд было демонтировано, чтобы их литий-6 и обогащенный уран могли быть использованы в более современном оружии. Но 6 ноября 1955г. на площадке П-3 испытали «бюджетный» вариант «Слойки» — изделие РДС-27, которая совсем не содержала трития, но имела двойной источник нейтронного инициирования. Показанная ею мощность (250 кТ) оказалась в 1,6 раза ниже мощности РДС-6с. Очередное усовершенствование двухстадийного термоядерного заряда сделали Ю.А. Трутнев и Ю.Н. Бабаев («изделие 49» впервые взорвано 23 февраля 1958 г.). При почти такой же энергоотдаче заряд был более продолговатым, и объём на единицу энерговыделения был уменьшен в 2,1–2,4 раза [7].

«Рай для теоретика» — так называл разработку термоядерного оружия А.Д. Сахаров*, поэтому он не ушел из КБ-11 сразу после создания водородной бомбы, как Тамм в 1953 г. или Зельдович в 1963 г. Но чем глубже Сахаров проникал в физику ядерного взрыва, тем сильнее были сомнения в безопасности ядерных испытаний. 8 июля 1958 г. в журнал «Атомная энергия» т.4, вып. 6., с.576 [2] была направлена статья академика Сахарова «Радиоактивный углерод и непороговые биологические эффекты». Приведённый в ней расчёт показывал, что испытание бомбы мощностью 1 Мт приводит к гибели около 10000 человек.

16 мая 1960 Т. Мейманом (1927–2007) был продемонстрирован первый оптический квантовый генератор, а через год Сахаров предложил использовать лазерное обжатие мишени для получения управляемой термоядерной реакции.

Одно из последних военных созданий, в которых принимал участие Сахаров, 50-мегатонная «Царь–бомба», которая стала апофеозом в гонке за мощностью. Сахаров и его сотрудник Адамский были инициаторами заключения 5 августа 1963 года в Москве договора «О запрещении ядерных испытаний в атмосфере, в космосе и под водой».

Рис. 5. Изделие АН602 «Царь–бомба».

До 11 июля 1968 г. академик Сахаров был начальником теоретического отдела НИИЭФ (так с 1966 г. называлось КБ-11) и заместителем Ю.Б. Харитона. В августе 1968 г. он был уволен за опубликованную за границей статью «Размышления о прогрессе, мирном сосуществовании и интеллектуальной свободе», и навсегда уехал из «Арзамаса–16» 14 сентября 1969 г.

30 июня 1969 года он был зачислен в Отдел теоретической физики ФИАН и за 1967–1980 годы опубликовал более 15 научных работ по космологии и теории элементарных частиц.

Именем Сахарова названы улицы и проспекты в городах РФ и зарубежных стран. В 2003 г. в Санкт-Петербурге на Васильевском острове был установлен памятник Андрею Дмитриевичу Сахарову на площади, носящей его имя. В 1992 г. имя академика было присвоено горной вершине на Алтае, его именем также был назван астероид № 1979.

1. Сахаров А.Д. «Воспоминания» Т.1. — М.: Колибри, 2016.

2. Сахаров А.Д. «.Научные труды»: сборник / ОТФ ФИАН. — М. : ЦентрКом, 1995.

3. «История советского атомного проекта». М.: ИздАт, т.3, 1999.

4. «Рыцарь ядерного оружейного комплекса» (к 80-летию Г.А.Смирнова). Тамбов: Изд. «Юлис», 2019.

5. Ритус В.И. «Группа Тамма — Сахарова в работе над первой водородной бомбой» УФН 2014– №9 (184) — с. 975–983.

6. A. Wellerstein, E. Geist «The secret of the Soviet hydrogen bomb» Physics Today, April 2017, pages 40–47

7. «Ядерные испытания СССР» — М.: ИздАт, 1997

В.Г. Лукашик, выпускник физического факультета МГУ 1991 г.

*Выделено мной — Главный редактор.