Сахаров предложил сделать «слойку» с обратным размещением слоев: внутри атомная бомба, обложенная слоем обычной взрывчатки для обжатия при взрыве последней, далее — внешний сферический слой термоядерной взрывчатки (на основе дейтерида лития, предложенного В.Л. Гинзбургом, см. в Гл. 6, подраздел «В.Л. Гинзбург»), еще выше — наружный слой урана-238. Последний слой как раз и составляет суть гениального инженерно-физического решения, найденного Сахаровым. Во-первых, в слое с большей поверхностью, содержащем дейтерид лития, можно разместить гораздо больше термоядерной взрывчатки, чем в маленькой области внутри атомного заряда (как у американцев). Но еще важнее второе. Уран-238, основной природный изотоп урана, не поджигается медленными нейтронами, которые возникают в цепной реакции в обычной атомной бомбе — поэтому-то и приходится выделять крайне дорогой уран-235, ядра которого способны захватывать медленные нейтроны и испускать дополнительные, вторичные нейтроны, приводя к цепной реакции со взрывом. Но в тысячи раз более дешевый уран-238 все же можно поджечь — и он взорвется, если получит откуда-нибудь мощный поток энергичных быстрых нейтронов. Тогда атомный взрыв будет таким же, как от урана-235. В конструкции Сахарова быстрые нейтроны получаются при термоядерном взрыве, и они запускают цепную реакцию еще одного атомного взрыва внешней оболочки из урана-238 Есть еще и третья важнейшая особенность слойки. Гигантское давление фотонов от атомного взрыва внешней урановой оболочки успевает на миг сжать внутренний слой дейтерида лития, в котором микросекундой раньше уже началась термоядерная реакция, запущенная атомным взрывом внутренней взрывчатки (плутония). Тритий, появившийся при этом, сжимается излучением из внешней, урановой оболочки Это способствует более полному протеканию термоядерной реакции, вследствие сближения соединяющихся ядер дейтерия и трития. Итак, последовательность срабатывания взрывчатых веществ такова: (1) взрыв обычной взрывчатки, обжимающий плутоний внутри бомбы; (2) атомный взрыв плутония, дающий поток нейтронов и огромную температуру для поджига дейтерида лития; (3) термоядерный взрыв, дающий поток быстрых нейтронов; (4) инициация последними второго атомного взрыва во внешнем слое урана-238; (5) резкое усиление термоядерной реакции в дейтериде лития благодаря обжатию излучением внешнего атомного взрыва.
Понятно, что эта гениальная принципиальная схема должна быть просчитана. Во-первых, с точки зрения кинетики процессов: успеют ли произойти все эти четыре (!) взрыва один за другим еще до того, как все устройство разлетится? Во-вторых, с точки зрения неравновесной термодинамики: какие доли энергии будут передаваться при взрывах слоев последовательно от первого ко второму и так далее? Может быть, энергия, поглощаемая в этих реакциях, или рассеиваемая, т. е. идущая на бесполезные процессы, будет больше, чем энергия, идущая на полезные процессы? (Так оно, кстати, и оказалось в расчетах первой модели водородной бомбы, названной «трубой», над которой два года билась группа Я.Б. Зельдовича. В конце концов, было теоретически показано, что в ней баланс энергии не может быть положительным и проект «трубы» был забракован.)
Последнюю задачу можно назвать коротко задачей о коэффициенте полезного действия термоядерной бомбы (Ландау с сарказмом говорил о «коэффициенте вредного действия».) Ясно, что математические вычисления упомянутых процессов необычайно сложны и трудоемки. Тем более что даже в Атомном проекте США в те годы еще не было достаточно мощных электронно-вычислительных машин. Поэтому американцы отложили подобные расчеты до появления у них современных (по тем годам) компьютеров. В СССР огромная по размерам ЭВМ, пригодная для указанных расчетов, появилась только в 1954 г. А до этого несколько параллельных групп проводили вычисления вручную: группа Л.Д. Ландау в Институте физпроблем, группа Н.Н. Боголюбова в КБ-11 и группа А.Н. Тихонова в Институте прикладной математики.
Приводим текст совершенно секретной записки Л.Д. Ландау И.Е. Тамму:
«Дорогой Игорь Евгеньевич. В присланной Вами очень поучительной записке, к сожалению, отсутствуют значения скоростей частиц всех групп. Просьба срочно <неразборчиво> их нам. Ваш 11/IV 52 Л.Ландау» (из книги: [Горелик, 1997; 2000, С. 240]).
И.М. Халатников вспоминает: «Расчёт водородной бомбы оказался задачей, на много порядков сложнее, чем атомной. И то, что нам удалось “ручным способом” такую задачу решить, — конечно, чудо. По существу, тогда произошла революция в численных методах интегрирования уравнений в частных производных <оригинальный “метод сеток”>, и произошла она в Институте физических проблем под руководством Ландау. Главной тогда оказалась проблема устойчивости. И это было нетривиально. Математики в отделе у Тихонова считали, что проблемы устойчивости вообще нет, и высокому начальству докладывали, что мы выдумали несуществующую задачу. А если не думать об устойчивости, то в наших схемах вместо гладких кривых возникает “пила”. У Тихонова эту пилу сглаживали с помощью лекала и т. д. Но таким способом достоверных результатов нельзя получить. Я помню историческое заседание под председательством М.В. Келдыша, оно длилось несколько дней. Мы доказывали, что есть проблема и что мы её решили, а группа Тихонова доказывала, что никакой проблемы не существует. В результате пришли к консенсусу — высокое начальство приказало передать наши схемы в отдел Тихонова. Там убедились в достоинствах предложенных нами схем, поскольку мы сначала поставили вопрос об устойчивости, а потом нашли способ обойти трудности. Здесь сложно всё это объяснять. Эти неявные схемы необычайно красивы. И они позволили нам считать быстро — не за годы, а за месяцы» [Халатников, 1993].
Поясним для неспециалистов. Математически правильное, но неустойчивое решение не имеет физической ценности — малейшее отклонение в реальной физической системе приведет к еще большему отклонению в ней и система «поплывет» (согласно теории устойчивости Ляпунова). В списке трудов Ландау значится единственная его работа из области вычислительной математики, выполненная совместно с И.М. Халатниковым и Н.Н. Мейманом (которого потом много лет не выпускали в Израиль по причине его участия в Советском Атомном проекте).
Испытание «слойки», проведенное в августе 1953 г., показало, что группа Ландау верно вычислила КПД водородной бомбы. Распределение энергетических вкладов в результирующем взрыве было такое: 0,1 — атомный взрыв внутреннего плутониевого заряда; 0,2 — взрыв промежуточной термоядерной взрывчатки; 0,7 — атомный взрыв внешнего заряда с ураном-238. Таким образом, взрыв «слойки» был связан с термоядерным взрывом на 20 % + 70 % = 90 %. Это не был просто взрыв атомной бомбы, слегка усиленный за счет успевшей подключиться реакции синтеза в совсем небольшой доле вещества из термоядерного заряда.
Известно, что «в сентябре 1949 года, встретив знакомого, Тамм спросил ликующе: “Слышали?! Наши бомбу взорвали! Как быстро сделали!” То было испытание атомной бомбы, в создании которой Тамм не участвовал. Два десятилетия спустя после успешного испытания водородной бомбы Сахаров написал: “До конца жизни, я думаю, Игорь Евгеньевич имел полное право чувствовать удовлетворение при воспоминаниях об этих годах <…>. Подобное чувство удовлетворения испытывало огромное большинство советских физиков, участвовавших в “деле”. Но не все. У Ландау отношение было совсем другим, исключительно другим”» [Горелик, 2000. С. 239].
Таким образом, цитируемый автор вводит в историю науки однозначный тезис: Ландау был категорическим противником советской атомной бомбы, в отличие от едва ли не всех других советских физиков. Однако попробуем разобраться, так ли всё здесь однозначно.
Действительно, есть материалы, свидетельствующие о том, что Ландау был противником разработки термоядерного оружия. Вот что содержится в стенограмме «прослушки» Ландау (1952—53): «Разумный человек должен держаться как можно дальше от практической деятельности такого рода. Надо употребить все силы, чтобы не войти в гущу атомных дел. В то же время всякий отказ и самоотстранение от таких дел должны делаться очень осторожно. <…>. Если бы не 5-й пункт, я не занимался бы спецработой, а только наукой, от которой я сейчас отстаю. Спецработа, которую я веду, дает мне в руки какую-то силу <…>. Но отсюда далеко до того, чтобы я трудился “на благо Родины” и пр.» [По данным агентуры…, 1993]. Еще раз обратим внимание на годы, в которые были зафиксированы эти слова. Они были сказаны уже после появления советской атомной бомбы и пока непонятно, относились ли ретроспективно к ней тоже или нет.
