60 anni fa - il 29 agosto 1949 - la prima bomba atomica sovietica RDS-1 con una resa dichiarata di 20 kt fu testata con successo nel sito di prova di Semipalatinsk. Grazie a questo evento, sarebbe stata stabilita nel mondo la parità militare strategica tra l'URSS e gli Stati Uniti. E un'ipotetica guerra dalle conseguenze catastrofiche per l'Unione Sovietica si è realizzata nel suo freddo stato di aggregazione.
Sulle tracce del progetto Manhattan
L'Unione Sovietica (come, in effetti, la Germania) aveva tutte le ragioni per diventare un leader nella corsa al nucleare. Ciò non è avvenuto a causa del grande ruolo che la scienza ha svolto nell'ideologia del nuovo governo. La dirigenza del Partito Comunista, seguendo i precetti del lavoro immortale "Materialismo ed empiriocritica", guardava con ansia il fiorire dell'"idealismo fisico". Negli anni '30, Stalin era incline a fidarsi non di quei fisici che sostenevano che con l'aiuto di una certa reazione a catena negli isotopi di elementi pesanti era possibile rilasciare un'enorme energia, ma di quelli che difendevano i principi materialisti nella scienza.
È vero, i fisici sovietici hanno iniziato a parlare delle possibilità di uso militare dell'energia nucleare solo nel 1941. Georgy Nikolaevich Flerov (1913-1990), che prima della guerra nel laboratorio di Igor Vasilyevich Kurchatov (1903-1960) lavorò al problema della reazione a catena della fissione dell'uranio, e poi prestò servizio come tenente nell'Air Force, inviato due volte lettere a Stalin in cui si rammaricava di "un grosso errore" E" rinuncia volontaria di posizioni prebelliche nella ricerca in fisica nucleare ". Ma invano.
Solo nel settembre 1942, quando l'intelligence venne a conoscenza dello spiegamento del Progetto Manhattan americano, guidato da Robert Oppenheimer (1904-1967), nato dalle attività della Commissione anglo-americana dell'uranio, Stalin firmò un decreto "Sull'organizzazione di lavoro sull'uranio." … Ordinò all'Accademia delle scienze dell'URSS "di riprendere il lavoro sullo studio della fattibilità dell'uso dell'energia atomica per fissione dell'uranio e di presentare al Comitato di difesa dello Stato entro il 1 aprile 1943, un rapporto sulla possibilità di creare una bomba all'uranio o combustibile all'uranio."
A metà aprile 1943 a Mosca, a Pokrovsky-Streshnevo, fu creato il Laboratorio n. 2, che comprendeva i più grandi fisici del paese. Kurchatov diresse il laboratorio e la direzione generale del "lavoro sull'uranio" fu inizialmente assegnata a Molotov, ma poi Beria lo sostituì in questa funzione.
È abbastanza comprensibile che le risorse dell'Unione Sovietica fossero incomparabili con le capacità che possedevano gli Stati non troppo gravati dalla guerra. Tuttavia, questa non è certo l'unica spiegazione per l'enorme divario nella scala dello sviluppo realizzato a Los Alamos ea Mosca. Al progetto Manhattan hanno preso parte 12 premi Nobel dagli Usa e dall'Europa, 15mila scienziati, ingegneri e tecnici, 45mila operai, 4mila stenografi, dattilografi e segretari, mille addetti alla sicurezza che hanno assicurato il regime di estrema segretezza. Ci sono 80 persone nel Laboratorio n. 2, di cui solo venticinque erano ricercatori.
Alla fine della guerra, il lavoro praticamente non decollò: nel Laboratorio n. 2, così come nei Laboratori n. 3 e n. 4 aperti all'inizio del 1945, si cercavano metodi per ottenere plutonio in reattori di vari principi operativi. Cioè, erano impegnati in sviluppi scientifici, non sperimentali e di design.
I bombardamenti atomici di Hiroshima e Nagasaki hanno di fatto aperto gli occhi al governo dell'URSS sul livello della minaccia che incombe sul Paese. E poi è stato creato un comitato speciale, guidato da Beria, che ha ricevuto poteri di emergenza e finanziamenti illimitati. Il lento lavoro di ricerca è stato sostituito da un energico balzo in avanti innovativo. Nel 1946, il reattore di uranio-grafite lanciato nel laboratorio di Kurchatov iniziò a produrre plutonio-239 bombardando l'uranio con neutroni lenti. Negli Urali, in particolare a Chelyabinsk-40, sono state create diverse imprese per la produzione di uranio e plutonio per armi, nonché componenti chimici necessari per creare una bomba.
A Sarov, vicino ad Arzamas, iniziò a essere creato un ramo del Laboratorio n. 2, chiamato KB-11, a cui fu affidato lo sviluppo del progetto della bomba e il suo collaudo entro la primavera del 1948. E all'inizio era necessario fare una bomba al plutonio. Questa scelta è stata predeterminata dal fatto che il Laboratorio n. 2 aveva un diagramma dettagliato della bomba al plutonio americana "Fat Man" sganciata su Nagasaki, che è stata consegnata all'intelligence sovietica dal fisico tedesco Claus Foocks (1911-1988) che ha partecipato a suo sviluppo, che aderì alle idee comuniste. La dirigenza sovietica aveva fretta di fronte alle relazioni tese con gli Stati Uniti e voleva ottenere un risultato positivo garantito. A questo proposito, il leader scientifico del progetto, Kurchatov, non aveva scelta.
Uranio o plutonio?
Lo schema classico di una reazione nucleare a catena nell'isotopo dell'uranio 235U è una funzione esponenziale del tempo con base 2. Un neutrone, urtando il nucleo di uno degli atomi, lo divide in due frammenti. Questo rilascia due neutroni. Essi, a loro volta, dividono già due nuclei di uranio. Nella fase successiva, si verificano il doppio delle fissioni - 4. Poi - 8. E così via, in modo incrementale, fino a quando, di nuovo, relativamente parlando, tutta la materia non sarà costituita da frammenti di due tipi, le cui masse atomiche sono circa 95/ 140. Di conseguenza, viene rilasciata un'enorme energia termica, il 90% della quale è fornita dall'energia cinetica dei frammenti volanti (ogni frammento rappresenta 167 MeV).
Ma perché la reazione proceda in questo modo, è necessario che non venga sprecato un solo neutrone. In un piccolo volume di "combustibile", i neutroni rilasciati nel processo di fissione dei nuclei ne volano fuori, senza avere il tempo di reagire con i nuclei di uranio. La probabilità che si verifichi una reazione dipende anche dalla concentrazione dell'isotopo 235U nel "combustibile", che consiste in 235U e 238U. Poiché 238U assorbe neutroni veloci che non prendono parte alla reazione di fissione. L'uranio naturale contiene lo 0,714% di 235U, arricchito, per armi, deve essere almeno l'80%.
Allo stesso modo, sebbene con le sue specifiche, la reazione procede nell'isotopo di plutonio 239Pu
Da un punto di vista tecnico era più facile creare una bomba all'uranio che una al plutonio. È vero, ha richiesto un ordine di grandezza in più di uranio: la massa critica dell'uranio-235, in cui avviene la reazione a catena, è di 50 kg e per il plutonio-239 è di 5,6 kg. Allo stesso tempo, ottenere plutonio per uso militare bombardando l'uranio-238 in un reattore non è meno laborioso della separazione dell'isotopo dell'uranio-235 dal minerale di uranio nelle centrifughe. Entrambi questi compiti richiedevano almeno 200 tonnellate di minerale di uranio. E la loro soluzione richiedeva il massimo investimento di risorse sia finanziarie che produttive in relazione all'intero costo del progetto nucleare sovietico. Per quanto riguarda le risorse umane, l'Unione Sovietica nel tempo ha superato molte volte gli Stati Uniti: alla fine, 700mila persone, per lo più prigionieri, sono state coinvolte nella creazione della bomba.
"Ragazzino" o "Uomo grasso"?
La bomba all'uranio sganciata dagli americani su Hiroshima e soprannominata "Kid" è stata raccolta in una canna presa in prestito da un cannone antiaereo da 75 millimetri forato al diametro richiesto. Vi furono posati sei cilindri di uranio collegati in serie tra loro con una massa totale di 25,6 kg. La lunghezza del proiettile era di 16 cm, il diametro era di 10 cm Alla fine della canna c'era un bersaglio: un cilindro di uranio cavo con una massa di 38, 46 kg. Il suo diametro esterno e la sua lunghezza erano di 16 cm Per aumentare la potenza della bomba, il bersaglio era montato in un riflettore di neutroni in carburo di tungsteno, che consentiva di ottenere una "combustione" più completa dell'uranio che partecipava alla reazione a catena.
La bomba aveva un diametro di 60 cm, una lunghezza di oltre due metri e pesava 2300 kg. La sua operazione è stata eseguita accendendo una carica di polvere, che ha guidato i cilindri di uranio lungo un barile di due metri ad una velocità di 300 m / s. Allo stesso tempo, i gusci protettivi di boro furono distrutti. Alla "fine del percorso" il proiettile è entrato nel bersaglio, la somma delle due metà ha superato la massa critica e si è verificata un'esplosione.
Il disegno della bomba atomica, apparso nel 1953 al processo nel caso dei coniugi Rosenberg, accusati di spionaggio atomico a favore dell'URSS. È interessante notare che il disegno era segreto e non è stato mostrato né al giudice né alla giuria. Il disegno è stato declassificato solo nel 1966. Foto: Dipartimento di Giustizia. Ufficio degli Stati Uniti Avvocato per il Distretto Giudiziario Meridionale di New York
I militari, a cui era stato affidato l'uso in combattimento del "Malysh", temevano che, se maneggiato con noncuranza, qualsiasi colpo potesse portare alla detonazione della miccia. Pertanto, la polvere da sparo è stata caricata nella bomba solo dopo il decollo dell'aereo.
Il dispositivo della bomba al plutonio sovietica, ad eccezione delle sue dimensioni, montato sul vano bombe del bombardiere pesante Tu-4, e l'attrezzatura di innesco al raggiungimento della pressione atmosferica di un dato valore, ripetevano esattamente il "ripieno" di un'altra bomba americana - "Fat Man".
Il metodo del cannone per avvicinare due pezzi di massa semicritica l'uno all'altro non è adatto per il plutonio, poiché questa sostanza ha uno sfondo di neutroni significativamente più alto. E quando i pezzi vengono uniti a una velocità raggiungibile con lo spintore di sabbiatura, prima dell'inizio di una reazione a catena dovuta al forte riscaldamento, dovrebbe verificarsi la fusione e l'evaporazione del plutonio. E questo dovrebbe inevitabilmente portare alla distruzione meccanica della struttura e al rilascio di sostanza non reagita nell'atmosfera.
Pertanto, nella bomba sovietica, come in quella americana, è stato utilizzato il metodo di compressione dinamica di un pezzo di plutonio mediante un'onda d'urto sferica. La velocità dell'onda raggiunge i 5 km / s, a causa della quale la densità della sostanza aumenta di 2, 5 volte.
La parte più difficile di una bomba ad implosione è creare un sistema di lenti esplosive, visivamente simili alla geometria di un pallone da calcio, che indirizzano l'energia rigorosamente al centro di un pezzo di plutonio, delle dimensioni di un uovo di gallina, e lo schiacciano simmetricamente con un errore inferiore all'uno per cento. Inoltre, ciascuna di queste lenti, realizzata in una lega di TNT e RDX con l'aggiunta di cera, aveva due tipi di frammenti: veloce e lento. Quando nel 1946 a uno dei partecipanti al Progetto Manhattan fu chiesto delle prospettive per la creazione di una bomba sovietica, rispose che sarebbe apparsa non prima di 10 anni dopo. E solo perché i russi lotteranno a lungo sul problema della simmetria ideale dell'implosione.
"Uomo grasso" sovietico
La bomba sovietica RDS-1 aveva una lunghezza di 330 cm, un diametro di 150 cm e pesava 4.700 kg. Sfere nidificate concentricamente sono state collocate all'interno del corpo a forma di goccia con un classico stabilizzatore a forma di X.
Al centro dell'intera struttura c'era una "miccia di neutroni", che era una palla di berillio, all'interno della quale c'era una sorgente di neutroni di polonio-210 schermata da un guscio di berillio. Quando l'onda d'urto ha raggiunto la miccia, il berillio e il polonio si sono mescolati e i neutroni che "accendono" una reazione a catena sono stati rilasciati nel plutonio.
Poi vennero due emisferi da 10 centimetri di plutonio-239 in uno stato con una densità ridotta. Ciò ha reso il plutonio più facile da lavorare e la densità finale richiesta è stata il risultato dell'implosione. La distanza di 0,1 mm tra gli emisferi è stata riempita con uno strato d'oro, che ha impedito la penetrazione prematura dell'onda d'urto nella miccia di neutroni.
La funzione di riflettore di neutroni era svolta da uno strato di uranio naturale dello spessore di 7 cm e del peso di 120 kg. In esso ebbe luogo una reazione di fissione con il rilascio di neutroni, che furono parzialmente restituiti a un pezzo di plutonio. L'uranio-238 ha fornito il 20% della potenza della bomba.
Lo strato "pusher", che è una sfera di alluminio spessa 11,5 cm e del peso di 120 kg, aveva lo scopo di smorzare l'onda di Taylor, che porta a un forte calo di pressione dietro il fronte di detonazione.
La struttura era circondata da un guscio esplosivo dello spessore di 47 cm e del peso di 2500 kg, che consisteva in un complesso sistema di lenti esplosive focalizzate verso il centro del sistema. 12 lenti erano pentagonali, 20 erano esagonali. Ogni lente consisteva in sezioni alternate di esplosivi a detonazione rapida e lenti, che avevano una formula chimica diversa.
La bomba aveva due sistemi di detonazione autonomi: dall'impatto al suolo e quando la pressione atmosferica raggiungeva un valore predeterminato (miccia ad alta quota).
Sono state prodotte cinque bombe RDS-1. Il primo di essi è stato fatto saltare in aria in una discarica vicino a Semipalatinsk in una posizione a terra. La potenza dell'esplosione è stata ufficialmente registrata a 20 kt, ma nel tempo si è scoperto che questa era una stima troppo alta. Reale - a metà del livello. A quel tempo, gli americani avevano già 20 di queste bombe e qualsiasi richiesta di parità era infondata. Ma il monopolio era rotto.
Altre quattro di queste bombe non sono mai state sollevate in aria. L'RDS-3, uno sviluppo sovietico originale, fu messo in servizio. Questa bomba, di dimensioni e peso ridotti, aveva una resa di 41 kt. Ciò è diventato possibile, in particolare, grazie al potenziamento della reazione di fissione del plutonio mediante la reazione termonucleare di fusione di deuterio e trizio.
