Denne artikel beskriver kronologien af begivenheder forbundet med udviklingen af Teller-Ulam-designet ( eng. Teller-Ulam-design ) - det tekniske koncept, der ligger til grund for termonukleare våben , det vil sige brintbomben . På grundlag af denne ordning bygges næsten alle moderne atomvåbensystemer, der udgør de førende atommagters arsenaler .
Ideen om at bruge energien fra en atombombeeksplosion til at igangsætte en fusionsreaktion blev først foreslået af den italienske fysiker Enrico Fermi i New York i en samtale med sin kollega Edward Teller i efteråret 1941, da de var på vej tilbage fra frokost kl. Columbia University . Tænkte højt, foreslog Fermi, at man ved at detonere en atombombe ved siden af en beholder med deuterium kunne forårsage en reaktion til at smelte brintkerner sammen til heliumkerner og få det såkaldte brintvåben, hvori atombomben fungerer som en "lighter" . I teorien ville en sådan bombe være meget mere effektiv og meget kraftigere end en atombombe. Deuterium opnås let fra havvand, og en kubikmeter antændt deuterium vil give en eksplosion i størrelsesordenen flere megaton, mens en atombombe kan give et maksimalt udbytte på flere hundrede kiloton. Inspireret af denne idé begyndte Teller at udforske måder at evaluere og implementere den i praksis [1] .
Manhattan ProjectTeller deltog i juli 1942 konferencen for Oppenheimers [2] gruppe om detaljerne i bygningen af atombomben ved UC Berkeley . Allerede før konferencen lavede Teller simple beregninger og kom til den konklusion, at det ikke ville være muligt at sætte ild til deuterium med en atombombe, men så ændrede han mening, da han lavede nye beregninger med hjælp fra sin kollega Emil Konopinsky .
Under konferencen udfordrede Teller videnskabsmænd til en diskussion om superbomben, eller "Super" for kort. Da det allerede var besluttet, at alle spørgsmål om atombomben var blevet afklaret, tog Serber , Stan Frankel og Nelson dette friske og interessante problem op. Ifølge de første skøn syntes skabelsen af en brintbombe at være en ren ingeniøropgave. Lidt senere tjekkede Hans Bethe Tellers beregninger og fandt ud af, at Teller ikke havde taget højde for den vigtige Compton-effekt , en afkølingsproces på grund af strålingsspredning, hvorved varmen fra en atombombeeksplosion forsvinder meget hurtigere, end deuterium når at opvarme. op til den anslåede temperatur på 400 millioner grader for at starte fusionsreaktionen, og så vil atombomben simpelthen smadre den termonukleare enhed i små stykker. I et forsøg på at redde ideen foreslog Konopinski at blande deuterium med tritium , hvilket ville sænke den nødvendige temperatur til fusionsreaktionen, samtidig med at eksplosionens kraft øgedes. Tritium er dog en yderst sjælden isotop af brint og er meget dyr at fremstille. For at beregne den passende andel af blanding af deuterium med tritium ville det være nødvendigt at udføre kolossale beregninger, og praktiske eksperimenter var ikke tilladt på grund af de uhyrlige høje omkostninger ved selv milligram tritium [3] .
Forskere leverede aldrig en færdig opskrift på at skabe superbomben, og den skulle stadig bruge en atombombe for at virke, så lederne af Manhattan-projektet besluttede at udskyde arbejdet med Super til bedre tider og koncentrere sig om den første opgave: at skabe en atombombe i sommeren 1945 [4] .
Ikke desto mindre fortsatte Teller med at arbejde på Super-problemet i Los Alamos i det omfang, det begyndte at påvirke hans hovedarbejde med atombomben. Meget af det arbejde, som Teller nægtede at udføre, blev overdraget til Klaus Fuchs , som senere blev afsløret som en sovjetisk spion. Teller fik tildelt nogle ressourcer til at studere Super-problemet, men dets løsning undgik hele tiden, beregninger af problemet viste sig at være utroligt vanskelige, især under forhold, hvor det var umuligt at opnå svar eksperimentelt (til sammenligning, alle egenskaber ved fissionen) reaktion kunne simpelthen opnås på cyklotroner , kun det, der skabte atomreaktorer og udførte forskellige laboratorie- og bænktest).
Efter krigen ForskningsintensiveringEfter at USSR testede sin atombombe den 29. august 1949, annoncerede den amerikanske præsident Harry Truman den 31. januar 1950 lanceringen af et intensivt program til at skabe en termonuklear bombe [5] . Efter atombombningen af Hiroshima og Nagasaki var mange Los Alamos-forskere imod skabelsen af våben, der er tusind gange stærkere end den første atombombe. For videnskabsmænd var dette dels et teknisk spørgsmål - der var stadig ingen plan eller forståelse af, hvordan en termonuklear bombe fungerer, og dels et moralsk spørgsmål: det er meningsløst at bruge et så stærkt våben taktisk mod ophobning af fjendtlige tropper, det kun kan bruges strategisk mod civilbefolkningen, og bliver på den måde et folkemordsvåben [6] . Teller måtte endda offentliggøre en åben appel til videnskabsmænd med en appel om at "gå tilbage til laboratoriet" [7] . Mange førende amerikanske fysikere vendte tilbage til Los Alamos for at arbejde på Superbomben.
Og alligevel førte alle anstrengelser til løsninger, der viste sig ikke at fungere. Ifølge teorien om den klassiske Super-bombe, mente man, at varmen fra eksplosionen af en atombombe alene ville være nok til at sætte ild til termonuklear brændstof. Men beregninger viste, at det var umuligt. I nogen tid var mange videnskabsmænd enige (og mange håbede det), at en termonuklear bombe ikke var gennemførlig i praksis. I efteråret 1950 virkede udsigterne til Super-bomben håbløse.
På jagt efter en vej ud af denne situation foreslog forskere ved Los Alamos Laboratory, som et alternativ, at bruge termonuklear brændstof i det mindste som en "booster" for at øge atombombens kraft. Der var planlagt eksperimenter i maj 1951 , som skulle give svar på i det mindste nogle spørgsmål om forløbet af en termonuklear reaktion [8] .
Det er ikke muligt at rekonstruere den nøjagtige rækkefølge af begivenheder, der førte til Teller-Ulam-gennembruddet, dels fordi alle involverede giver deres version af begivenhederne, og dels på grund af sløret af hemmeligholdelse, der stadig dækker emnet termonukleare våben. Fra de tilgængelige dokumenter, afklassificerede rapporter, interviews og bøger kan følgende billede tegnes. Alle tidligere Super Bomb-modeller har forsøgt at placere fusionsbrændstoffet så tæt på den "lettere" som muligt, enten omkring den fissile kerne eller inde i den, i håbet om, at jo tættere brændstoffet er på kernen, jo større er chancen for, at brændstof vil simpelthen "antænde" fra eksplosionens høje temperatur.
I begyndelsen af 1951, efter så mange års frugtesløs søgning, kom Stanislav Ulam op med den første idé, som dannede grundlaget for Teller-Ulam-ordningen. Atombomben af implosionstypen brugte et skema til at komprimere den superkritiske masse af plutoniumkernen ved samtidig at detonere et højenergisprængstof fra alle sider, som med en eksplosiv bølge rettet mod midten pressede plutoniumkernen til en kritisk masse og forårsagede en eksplosiv fissionsreaktion. For det første foreslog Ulam i december 1950 ideen om at bruge en eksplosion af en anden atombombe ("det første trin") i stedet for sprængstoffer, hvilket ville presse plutoniumkernen i anden fase meget stærkere og derved øge eksplosionskraften flere gange. I de første mikrosekunder af en atomeksplosion udsender kernen en strøm af neutroner ("neutrongas"), som har en høj densitet, der kan sammenlignes med den for et fast legeme. I slutningen af januar 1951 fik Ulam ideen om at overføre dette princip til en termonuklear bombe: at komprimere det termonukleare brændstof med en strøm af neutroner fra detonationen af en atombombe og, uden at lade den sprede, sætte ild til det. . Ulam slog ideen først til Bradbury og derefter til Teller næste dag. Teller var først skeptisk over for Ulams forslag, men så gik det op for ham, at man i stedet for en neutronflux kunne bruge en røntgenflux til kompression. På det tidspunkt var der allerede udviklet atombomber på Los Alamos Laboratory, som var i stand til at omdanne energien fra en eksplosion til en kraftig strøm af stråling. Strålingsimplosion gjorde det muligt at komprimere det termonukleare stadium hurtigere og holde det i denne tilstand i længere tid. Den 9. marts 1951 skrev Teller og Ulam rapporten " On Heterocatalytic Detonations I: Hydrodynamic Lenses and Radiation Mirrors " [9] , som dannede grundlaget for alt videre arbejde med Super-bomben.
Senere i marts 1951 tilføjede Teller endnu en vigtig detalje til ordningen. Han placerede den anden fissile komponent inde i det andet trin for at øge effektiviteten af fusionsbrændstoffets forbrændingsreaktion. Når en symmetrisk stødbølge komprimerer væggene i en cylinder af deuterium, møder den sig selv ved cylinderens akse, hvor dens bevægelse forsinkes og omdannes til varme. Dette lille område langs cylinderens akse blev kaldt "tændrøret" ("tændrør"), fordi. Det var her den termonukleare reaktion startede. Teller indså, at hvis en superkritisk stang af U235 eller plutonium blev placeret langs cylinderens akse, ville stødbølgen komprimere stangen til en superkritisk masse. Den resulterende eksplosion vil skabe en anden chokbølge, der bevæger sig mod den eksterne chokbølge, som samtidig vil komprimere og antænde det termonukleare brændsel mere effektivt, end det ville være uden et sådant "stearinlys". Teller nævnte denne tilføjelse i sin rapport af 4. april 1951 [10] og kaldte den "en ligevægts termonuklear gadget". Således tog Teller-Ulam-ordningen endelig form: kompression af termonukleært brændstof ved strålingsimplosion og intensivering af dets forbrænding ved hjælp af et ekstra nukleart stearinlys .
Efter disse opdagelser fik de planlagte eksperimenter til maj 1951 en anden betydning. Nu var disse ikke eksperimenter, men en reel test af driften af strålingsimplosion og en test af forstærkningen af kraften af en atombombe ved at brænde en DT-blanding . Før afprøvningen blev Teller-Ulam-ideen betragtet som lovende, men med skepsis. Teller og Ernest Lawrence fløj til Enewetak Atoll for at teste . Eksplosionen af George [11] viste, at ud af 225 kt eksplosionskraft blev 25 kt produceret af en lille kapsel med en deuterium-tritium-blanding (omkring dobbelt så meget som kraften af bomben, der blev kastet over Hiroshima ). Item - eksplosionen [12] viste, at injektionen af deuterium-tritiumgas fordoblede atombombens udbytte til 45,5 kt.
I juli 1951 beregnede Richard Garvin på vegne af Teller det tekniske design (dimensioner, layout, form) af en termonuklear enhed til at teste Teller-Ulam-ordningen. [13]
Den 1. november 1952 blev Teller-Ulam-kredsløbet testet under Evie Mike -testen . Eksplosionens kraft var 10,4 Mt (mere end 450 gange kraftigere end bomben, der blev kastet mod Nagasaki). Flydende deuterium blev brugt som fusionsbrændstof i Evie Mike-testen. Deuterium blev valgt af den grund, at man allerede vidste meget om det under arbejdet med Super-bomben. I februar 1954 kom de første TX-16/EC-16 brintbomber , som blev lavet på flydende deuterium , ind i det amerikanske arsenal . Designet af denne bombe blev også designet af Richard Garvin. Efter i marts 1954 (kun seks måneder efter afprøvning af RDS-6'erne med en kapacitet på 400 kt), under Castle Bravo -testene, blev en lithium-deuteridbombe med en kapacitet på omkring 10-15 megaton (i Mk.17 -serien ) testet, bomber TX-16 blev trukket ud af drift i oktober 1954.
Efter en indledende periode med afprøvning af multi-megaton brintbomber, skiftede USA's indsats til at miniaturisere Teller-Ulam-designet, så ladningerne kunne passe ind i ICBM'er og ubåds-affyrende ballistiske missiler . I midten af 1970'erne blev der lavet endnu et gennembrud, da afgifter blev oprettet i henhold til Teller-Ulam-ordningen, som blev placeret i individuelle målretningsenheder for flere reentry-køretøjer fra ICBM .
Separat omtale bør computeres rolle i løsningen af problemet med termonuklear reaktion. Igennem den 10-årige (1941-1952) historie med udviklingen af Super-bomben har computere spillet en nøglerolle i projektets succes. Beregningernes volumen og kompleksitet var så stor, at det var umuligt at lave dem manuelt inden for rimelig tid. På grund af umuligheden af at gennemføre fuldgyldige tests, skulle eksplosionen simuleres og beregnes på baggrund af, hvad der var tilgængeligt for forskere på et givet tidspunkt. Jo kraftigere maskiner der kom i drift som tiden gik, jo hurtigere og mere fuldstændige blev beregningerne foretaget. I praksis krævede problemet med brintbomben en samtidig udvikling af viden inden for kernefysik, højere matematik, ingeniørvidenskab og computerteknologi.
Selv under Manhattan-projektet i Los Alamos greb de først til at bruge mekaniske adderingsmaskiner og derefter IBM 601 tabulatorer. Teller forsøgte at bruge dem til beregninger tilbage i sommeren 1945, men kompleksiteten og volumen af beregninger på atombomben kunne ikke sammenlignes med beregninger på Super bombe.
I slutningen af 1945 blev den første almindelige elektroniske computer ENIAC sat i drift , og med hjælp fra von Neumann blev der i december 1945 - januar 1946 udført beregninger på den på Super-bombe-problemet med store forenklinger ( beregninger blev foretaget i et-dimensionelt rum uden at tage hensyn til effekten Compton) på grund af de begrænsede ressourcer og omfanget af denne første computer. Især til beregninger på Super-bomben i 1946 begynder von Neumann projektet med en højhastigheds-computer -IAS-maskine ved Institute for Advanced Study, som han lover at bygge om to år (maskinen blev sat i drift i foråret fra 1951). I 1948, på grund af forsinkelser med IAS-maskinen, planlægger Los Alamos Laboratory at bygge sin MANIAC -computer (kommissioneret i marts 1952). I marts 1950 blev en del af Super-bombe-opgaverne beregnet på IBM SSEC elektromekaniske computer. Matematikerne Stanislav Ulam og Cornelius Everett laver manuelle beregninger ved hjælp af Monte Carlo - metoden . I foråret-sommeren 1950 lavede von Neumann gentagne beregninger på en forbedret version af ENIAC . I foråret 1952 træder MANIAC i drift, og de begynder straks at lave beregninger på Evie Mike -testen , som var seks måneder væk [3] . De samme beregninger blev udført i sommeren 1952 under en kontrakt med Los Alamos Laboratory på SEAC -computeren ved US National Bureau of Standards i Washington og på UNIVAC I-computeren i Philadelphia [14] .
I øjeblikket har Los Alamos og Livermore National Laboratories i USA de mest kraftfulde computersystemer, der gør det muligt at simulere eksplosionen af en termonuklear bombe så tæt på virkeligheden som muligt .
I USSR blev tilføjelsesmaskiner brugt til beregninger på et termonuklear projekt, derefter dukkede Mercedes elektromekaniske regnemaskiner op, og siden 1954 er Strela -computeren fra Institute of Applied Mathematics blevet brugt . Instituttets bedste kræfter var engageret i beregninger: I.M. Gelfand , A.A. Samarsky , A.N. Tikhonov , K.A. Semendyaev under ledelse af Mstislav Keldysh . Programmerne er skabt af programmeringsafdelingen ledet af M.R. Shura-Bura . [femten]
Teller og Ulam nærede ikke meget kærlighed til hinanden. Teller, som er en ret forfængelig person, opgav aldrig titlen "far til den amerikanske brintbombe" ( Far til H-bomben ), og henviste Ulam til baggrunden. I begyndelsen af 1950'erne, efter vellykkede første forsøg, skrev han en artikel "The Work of Many People" [16] , hvori han oplistede de videnskabsmænd, der var involveret i den vellykkede implementering af projektet (mere end 40 navne, uden at nævne Ulam). I sin erindringsbog The Legacy of Hiroshima, udgivet i 1962, rapporterer Teller, at han selv tænkte på alting i februar 1951, og hans assistent Frederic de Hoffmann lavede derefter alle beregningerne. I et interview i 1979 ændrer han igen sin historie og fortæller, at ideen kom til ham i december 1950 [17] . I sin erindringsbog "Memoirs" fra 2001 nævner han allerede november 1950 [18] [19] .
Stanislav Ulam giver i sin erindringsbog Adventures of a Mathematician sin beskrivelse af begivenhederne:
Kort efter mit svar tænkte jeg på et iterativt skema. Efter at have sat mine tanker i orden og skitseret en grov plan, gik jeg for at diskutere det med Carson Mark. Men Mark, som på det tidspunkt var blevet leder af den teoretiske afdeling, stod allerede i spidsen for det meget omfattende teoretiske arbejde i specialgrupperne Teller og Wheeler. Så tog jeg til Norris Bradbury samme dag og fortalte ham om denne plan. Han forstod hurtigt dets muligheder og viste straks stor interesse for at acceptere det. Om morgenen talte jeg med Teller. Jeg tror ikke, at han behandlede mig med ægte fjendtlighed på grund af de negative resultater af mit arbejde med Everett, som gav et sådant slag mod hans planer, men vores forhold var tydeligvis anstrengt. Edward accepterede straks mine forslag, først med tøven og efter et par timer med entusiasme. Han så ikke kun nye elementer i dem, men så også parallelle versioner, alternative til det, jeg talte om, måske mere bekvemme og generaliserede. Siden da har pessimismen givet plads til håbet. I de følgende dage mødtes jeg med Edward flere gange, under hvert af vores møder diskuterede vi dette problem i en halv time. Jeg skrev den første note om mit forslag. Teller lavede nogle ændringer og tilføjelser, og vi skrev hurtigt en fælles rapport. [tyve]
Hans Bethe [19] [21] , Herbert York [22] , J. Carson Mark [23] , der stod i spidsen for den teoretiske afdeling (T-Division) i Los Alamos Laboratory, efterlod deres minder om disse begivenheder , Norris Bradbury - direktør Laboratorier på det tidspunkt, selv konen til Stanislav Ulam, som føjede sine erindringer til epilogen af hans erindringer, udgivet efter hans død. Alle deltagere i disse begivenheder præsenterer deres versioner afhængigt af deres sympatier og antipatier over for Teller og Ulam, egenskaberne ved deres karakter og hukommelse [24] .
Mange videnskabsmænd deltog i udviklingsprojektet af den amerikanske brintbombe: først og fremmest fastansatte i Los Alamos Laboratory, blandt dem Norris Bradbury, Mark Carson, Teller, Ulam, de Hoffmann, Robert D. Richtmyer, kun ca. 45 personer i 1951-1952 Hans Bethe , Enrico Fermi , Georgy Gamow , Emil Konopinski, Lothar Wolfgang Nordheim, John von Neumann , John Wheeler fungerede som konsulenter . En del af det teoretiske arbejde med bomben blev også udført på Princeton University under ledelse af John Wheeler (det såkaldte "Project Matterhorn"-projekt, kun 10 personer). Argonne National Laboratory udførte også strålingsabsorptionsberegninger under ledelse af Maria Goeppert-Mayer . Også involveret i projektet var et lille Yale -hold ledet af Gregory Breit [25] [26] .
I Sovjetunionen oplevede forskere, der arbejdede med udviklingen af brintbomben, også vanskeligheder. På grund af det faktum, at Klaus Fuchs kun deltog i Los Alamos-laboratoriets arbejde med en brintbombe på et meget tidligt tidspunkt indtil 15. juni 1946 og blev afsløret i begyndelsen af 1950 af året (dvs. længe før ideen om Planen tog form Teller-Ulam), sovjetisk efterretningstjeneste kunne ikke hjælpe videnskabsmændene på nogen måde, og de måtte selv lede efter veje til målet.
Den første version af en termonuklear bombe, foreslået af Andrei Sakharov og Vitaly Ginzburg i 1949 (selv før atombomben blev testet), blev kaldt Sloyka og var meget forskellig fra Teller-Ulam-ordningen. Pusten var en samling af lag af fissilt materiale og lithiumdeuterid blandet med tritium. Sakharov ville senere kalde denne mulighed "Den første idé". Selvom der teknisk blev opnået en fusionsreaktion under eksplosionen, havde denne ordning ingen udsigt til at øge kraften. Bomben eksploderede den 12. august 1953 ifølge Sloyk- skemaet udgav en effekt på 400 kt (fusionsreaktionen gav 15% -20% af denne kraft) og havde på trods af sin "falskhed" den fordel, at den repræsenterede, i i modsætning til Evie Mike Noget lignende Sloyka blev også foreslået af Teller i 1946 i form af et alarmkredsløb (dvs. et " vækkeur ", der var designet til at vække videnskabsmænd til at arbejde på Super-bomben), men så viste beregningerne, at kredsløbet var ikke besværet værd, og det blev ikke indbefattet selv i form af en prototype.
Forsøg på at øge Sloika-ordningens kraft til megaton-niveau viste sig håbløse. Sovjetiske videnskabsmænd beregnede, at ordningen i bedste fald ville give et eksplosionsudbytte på 1 megaton. Efter at USA testede "Evie Mike" den 1. november 1952, hvilket beviste muligheden for at skabe multi-megaton ladninger, begyndte sovjetiske videnskabsmænd at lede efter andre muligheder, mens de fortsatte med at arbejde på "Sloika". Den "anden idé", som Sakharov kalder det i sine memoirer, var Ginzburgs mangeårige forslag i november 1948 om at bruge lithiumdeuterid som brændstof til brintbomben. Når det bombarderes med neutroner, omdannes lithium til mangelfuldt tritium, hvilket vil forstærke forløbet af en termonuklear reaktion [27] . I slutningen af 1953 fik Viktor Davidenko det første gennembrud efter at have gættet at opdele bombens "første" og "anden" stadie i to separate dele (ideen om "multi-stage"). Det andet gennembrud blev lavet af Sakharov og Yakov Zel'dovich i foråret 1954, efter at de havde gættet muligheden for at bruge stråling fra den første fase til at komprimere den anden . Sakharovs "tredje idé" (under dette navn blev Teller-Ulam-ordningen kendt i USSR) blev inkorporeret i RDS-37- bomben , som blev testet den 22. november 1955. Kraften af dens eksplosion var 1,6 Mt.
Sovjetunionen demonstrerede den fulde kraft af flertrinsskemaet den 30. oktober 1961 med eksplosionen af Tsar Bomba - en 58 Mt brintbombe, hvis kraft blev opnået fra en fusionsreaktion. Hvis denne bombes uranmanipulation ikke var blevet erstattet med bly, ville eksplosionsstyrken have været 100 Mt. Selvom bomben teknisk set kunne bruges som et våben (smidt fra et dedikeret bombefly), var den militært upraktisk og blev designet og testet primært for at demonstrere USSR's evne til at udvikle brintbomber uanset udbytte.
Detaljerne om udviklingen af Teller-Ulam-ordningen i andre lande er mindre kendte. Under alle omstændigheder havde Storbritannien udviklingsmæssige vanskeligheder, der førte til den mislykkede test af Grapple 1 i Operation Grapple testserien i maj 1957. Det andet forsøg på Grapple X i november 1957 var vellykket (eksplosionsstyrken var 1,8 Mt.). Den britiske vej til Teller-Ulam-ordningen var tilsyneladende uafhængig, selvom USA tillod dem at gøre sig bekendt med det radioaktive nedfald fra deres termonukleare test, hvilket var til stor hjælp for britiske videnskabsmænd. Efter at briterne med succes testede megaton-ladningen (og demonstrerede, at de kendte hemmeligheden bag Teller-Ulam-ordningen), indvilligede USA i at dele nogle af detaljerne i deres plan med Storbritannien, hvilket til sidst førte til 1958-aftalen om gensidigt forsvar . .
Folkerepublikken Kina udførte den første test af sin 3,3 Mt termonukleare bombe ved hjælp af Teller-Ulam-designet i juni 1967, kun 32 måneder efter at have testet sin første atombombe. Lidt er kendt om denne bombes enhed.
Meget lidt er kendt om den franske Teller-Ulam-ordning udover det faktum, at Frankrig testede en 2,6 Mt enhed i august 1968.