2.12. Работы в условиях действия Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний

Весь современный ядерный арсенал создавался в условиях возможности проведения ядерных полигонных испытаний, и такие испытания являлись обязательной составной частью разработки ядерных зарядов.

Создание и поддержание надежности и безопасности арсенала ядерных боеприпасов СССР (России) всегда базировались на нескольких основных компонентах: расчетно-теоретическом и численном проектировании, моделировании, лабораторной газодинамической отработке макетов ядерных зарядов на внутренних полигонах федеральных ядерных центров и натурных испытаниях ядерных зарядов на полигонах.

Наше последнее ядерное испытание было проведено 24 октября 1990 г. (Центральный полигон Российской Федерации, Новая Земля). В 1990—1996 гг. остальные четыре государства «ядерного клуба» провели в совокупности 53 ядерных испытания, причем Франция и КНР закончили проведение своих экспериментов только в 1996 г., но их в 1998 г. продолжили Индия и Пакистан, а 9 октября 2006 г. и Северная Корея показала свой «ядерный кулачок».

Поддержание ядерного арсенала России в условиях запрещения ядерных испытаний становится сложной научно-технической проблемой, поскольку натурные испытания ядерных зарядов – ключевое звено, подтверждающее качество разработок и квалификацию специалистов, – в настоящее время должны быть замещены огромным объемом расчетно-теоретических и экспериментальных исследований.

24 сентября 1996 г. в Вашингтоне был подписан Договор о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний (ДВЗЯИ). Было очевидно, что для сохранения высокого уровня технической готовности, надежности и безопасности ядерного боезапаса в условиях действия ДВЗЯИ необходима реализация специальной программы ядерных оружейных исследований. В США такая программа существует. Основной объем работ по этой программе выполняют оружейные лаборатории Министерства энергетики США.

Цель программы: сохранение научно-технического, производственного и интеллектуального потенциала ядерного оружейного комплекса; сохранение и обеспечение возможности проектирования, производства и сертификации новых видов ядерных боеприпасов; демонстрация возможностей производства и сертификации существующих типов ядерных боеприпасов и их компонентов.

Российский опыт разработки, производства и эксплуатации ядерных боеприпасов требует принятия аналогичного подхода при решении задачи научно-технического поддержания ядерного потенциала России. В настоящее время у Российской Федерации нет средств для сохранения и развития всех компонентов технологии разработки ядерных боеприпасов, поэтому были определены ключевые технологии, от которых зависит само существование ядерного оружия России, введена приоритетность и обозначены этапы финансирования работ по разным группам технологических звеньев. При этом выделены ключевые задачи:

1) развитие физико-математического моделирования, разработка физических моделей, численных методик и расчетных программ;

2) развитие лабораторной экспериментальной испытательной базы, предусматривающей создание в первую очередь современных газодинамических и рентгенографических комплексов, новых лазерных и электрофизических моделирующих установок и замещающих полигонные испытания облучательных установок;

3) усиление контроля качества серийно выпускаемых изделий, находящихся в эксплуатации;

4) проведение неядерно-взрывных экспериментов (НВЭ) или субкритических опытов и обеспечение функционирования Центрального полигона Российской Федерации на Новой Земле.

Основные направления работ российских федеральных ядерных центров – РФЯЦ-ВНИИЭФ и РФЯЦ-ВНИИТФ, требующие вычислительных экспериментов с использованием высокопроизводительных суперЭВМ, предполагают учет фундаментальных физических процессов. Работы по созданию таких математических методик ведутся интенсивными темпами несколько десятилетий.

Компьютерные технологии должны опираться на физические модели, основанные на фундаментальных физических законах. При этом необходимо постепенно отказаться от использования разного рода эмпирических закономерностей. Компьютерные комплексы должны быть калиброваны на результатах полигонных испытаний ядерных боеприпасов, а также на неядерных и лабораторных экспериментах.

В 1990 г. специалисты предложили проведение неядерно-взрывных (субкритических) экспериментов на Центральном полигоне Российской Федерации (ЦП РФ), существенных для поддержания готовности боезапаса, которые возможно проводить в условиях действия ДВЗЯИ. По своей сути такие эксперименты – это подрыв макетов ядерных зарядов с уровнем энерговыделения, определяемым только энергией химического взрывчатого вещества. На их базе возможна разработка технологии контроля качества воспроизводства различных типов ядерных зарядов. Важность экспериментов состоит в том, что их результаты могут быть использованы для создания модернизированных ядерных зарядов повышенной безопасности. Проводятся они глубоко под землей в штольне, предназначенной для ядерных испытаний. Комплекс защитных сооружений представляет собой многобарьерную техническую систему, рассчитанную на обеспечение гарантированной экологической безопасности работ, и отвечает повышенным радиационным требованиям. Экологическая, в том числе и радиационная, обстановка в районе выполнения экспериментов нормальная и нисколько не отличается от установившейся здесь за последние 17 лет, в течение которых Россия не проводит ядерные испытания.

Одним из приоритетных направлений обеспечения безопасности ядерных объектов являются также исследования диспергирования делящихся материалов в натурных экспериментах с использованием имитаторов делящихся материалов. Эти работы необходимы для определения реальной опасности гипотетических аварий и оценки эффективности защитных средств, а также конструкционных способов повышения безопасности ядерного оружия.

Специалисты наших ядерных центров имеют по сравнению со специалистами США значительно больший опыт и научный задел в исследованиях режима неядерно-взрывных цепных реакций в реальных конструкциях ядерных зарядов, что в определенной степени может компенсировать возможное отставание по другим элементам ключевых технологий. Основная цель работ последнего времени – обеспечение ядерного сдерживания в условиях современного мира и при возможных вариантах развития ситуации.

После 1990 г. коллективы ядерных институтов работают над следующими проблемами:

1. Продление сроков гарантии ядерных зарядов. Эта работа необходима для поддержания на должом количественном уровне ядерного арсенала страны, поскольку объем их выпуска в течение последних 15 лет резко сократился. В рамках этой задачи тщательно исследуется возможность расширения эксплуатационных ресурсов узлов из взрывных составов, делящихся материалов, органопластов до 30 и более лет; по-новому решаются вопросы защиты от коррозии.

2. Формирование ограниченной номенклатуры ядерных зарядов для современного и перспективного боезапаса. По этому направлению выполняется обширная программа, включающая в себя немало сложных задач. В них входят такие актуальные темы:

• расчетно-теоретическое и экспериментальное изучение функциональных характеристик зарядов на основе современных физических моделей и газодинамических установок;

• разработка и внедрение решений, которые позволят отобрать для пополнения боезапаса ядерные заряды, обладающие определенными качествами. Эти «избранные» заряды должны отличаться функциональными свойствами, строго согласованными с параметрами цели для снижения сопутствующего ущерба; высокой надежностью и экспериментально подтвержденной устойчивостью характеристик к отклонению от номинальных параметров при изготовлении и эксплуатации; высоким уровнем ядерной взрывобезопасности, в том числе и групповой; возможностью адаптации поражающих характеристик к типу цели и уровням промахов.

Особое значение в обеспечении надежности зарядов имеют работы по созданию систем, позволяющих стабилизировать бустерный режим в течение срока гарантии.

3. Повышение эксплуатационной безопасности зарядов и их безопасности при несанкционированных действиях. По данному направлению выполняются широкомасштабные работы следующего содержания:

• изучение и использование всех современных возможностей характеристик ЯВБ боезапаса ядерных зарядов, демонтаж тех из них, которые не отвечают самым высоким требованиям;

• оснащение ядерных зарядов дополнительными устройствами и системами, повышающими их безопасность в процессе эксплуатации;

• введение в конструкцию заряда дополнительной защиты, повышающей его устойчивость к действию аварийных факторов;

• создание и внедрение защитных контейнеров, обеспечивающих уровень требований МАГАТЭ при транспортировке и хранении ядерных зарядов и их узлов;

• исключение из боезапаса зарядов с большими массами взрывчатых составов;

• создание и внедрение комплекса устройств, оборудования и технологии, обеспечивающих возможность обращения с зарядами при гипотетических авариях.

4. Изучение проблем создания возвратного потенциала ядерных зарядов и ядерных боеприпасов для поддержания ядерного арсенала в обозримой перспективе на должном уровне.

Успешное выполнение работ по указанным направлениям гарантирует поддержание отечественного ядерного арсенала на высоком качественном уровне и сохранение критических технологий в области создания ядерных зарядов, что должно обеспечить безопасность границ нашей страны сегодня и в будущем.

Разработка неядерных вооружений

Сегодня федеральные ядерные центры вышли на рынок неядерных вооружений. В институтах обеспечен замкнутый цикл работ по созданию оружия – от расчетно-теоретических исследований и экспериментальной обработки до конструирования изделий, создания новых технологий, стендовых и полигонных испытаний, опытного и серийного производства.

Проводимые научные исследования в области кумуляции, взрывного формирования поражающих элементов, направленного метания, создания адаптивной автоматики позволили развить работы в области неядерных вооружений и разработать боевые части на уровне лучших мировых образцов. Созданные и запущенные в серийное производство боевые части целого ряда зенитных, противотанковых и реактивных систем обеспечивают поражение всех современных и перспективных целей с высокой эффективностью. Эта деятельность по своей значимости и объему должна стать в один ряд с разработкой ядерного оружия.

С начала 1990-х годов ВНИИЭФ и ВНИИТФ включились в разработку противотанковых боеприпасов с кумулятивными зарядами. Так, разработан и передан на вооружение тандемный кумулятивный заряд «Атака», который при калибре 130 мм обеспечивает пробитие брони более 800 мм. Завершена отработка заряда «Хризантема-С», который среди отечественных аналогов имеет максимальное бронепробитие. Проведенная модернизация боевой части ПТУР «Малютка», находящейся на вооружении более чем в 40 странах мира, позволила увеличить бронепробитие с 460 до 850 мм.

Оба института успешно работают и в области создания боеприпасов для комплексов ПВО и ПРО. Специалисты институтов создают не только зарядную часть, но и автоматику, приборы, взрыватели, обеспечивающие оптимальный подрыв изделия. Это позволяет значительно повысить эффективность заряда, уменьшить его массу и габариты.

Основа оружейных разработок – расчетно-теоретический и газодинамический комплексы. Работая над ядерным оружием, центры создали программы для моделирования сложных газодинамических процессов различного характера. Это дает возможность вести целенаправленную оптимизацию проектируемых боеприпасов расчетными методами, используя эксперимент на заключительном этапе.

Математическое моделирование и ЭВМ

Разработка ядерного оружия оказала колоссальное влияние на развитие отечественной прикладной математики и вычислительной техники. Уже в самом начале работ в КБ-11 Ю. Б. Харитон не только привлек к расчетам самых известных математиков страны, но и создал на объекте собственный сильный математический отдел, который превратился во всемирно известный центр прикладной математики. Первые образцы отечественных ЭВМ поступили в КБ-11 в 1955 г. Специалисты ВНИИЭФ получили такие технические характеристики, которые удивляли даже самих разработчиков ЭВМ. Становление и развитие математического отделения проходило под руководством академика Н.Н. Боголюбова, профессора И.Д. Софронова.

В математическом отделении ВНИИЭФ были выполнены первые в нашей стране работы по созданию неоднородного вычислительного комплекса ЭВМ и распараллеливанию счета больших задач.

Прямые контакты между математиками института и математиками американских ядерных центров убедительно демонстрируют высокий уровень работ наших специалистов по математическому моделированию сложных физических процессов и культуру математического моделирования.

До 1948 г. математические работы по ядерной тематике выполнялись в известных математических коллективах страны: отделе прикладной математики (ОПМ) МИАН СССР (позже – ИПМ), по заданиям специалистов КБ-11 работала группа под руководством академика М.В. Келдыша, в Ленинградском оптико-механическом институте (ЛОМИ) АН СССР – под руководством Л.В. Канторовича, в Институте физических проблем – под руководством академика Л.Д. Ландау.

Первая математическая расчетная группа была образована в КБ-11 в 1948 г., в 1950 г. она преобразована в отдел, в 1952 г. – в сектор.

Когда разрабатывались первые образцы атомного оружия, электронных вычислительных машин в стране не было. Необходимые расчеты выполнялись на механических и электромеханических настольных машинах. Впервые расчеты на ЭВМ для обоснования работы двухстадийного термоядерного заряда РДС-37 были сделаны в 1954—1955 гг.

За 50 с лишним лет мощность вычислительного парка ВНИИЭФ возросла в 10 000 раз.

Физика взрыва и высоких давлений

Исследования свойств веществ ядерных зарядов на газодинамической стадии, когда диапазон давлений достигает сотен миллионов атмосфер, показали, что нужна разработка принципиально новых методов исследований, кинетика которых требовала высокой точности – до сотых долей микросекунды. Появилась необходимость в новых методах регистрации высокоскоростных процессов. В КБ-11 были заложены основы отечественной высокоскоростной фотохронографии со скоростью развертки до 10 км/с и скоростью съемки порядка 1 млн кадров в секунду. Сверхскоростной регистратор, разработанный А.Д. Захаренковым, Г.Д. Соколовым и В.К. Боболевым (1948), стал прототипом серийных приборов.

Исследования веществ в условиях динамического сжатия привели к созданию во ВНИИЭФ всемирно известной школы физики высоких импульсных давлений (Я.Б. Зельдович, К.И. Щёлкин, В.К. Боболев, Л.В. Альтшулер, С.Б. Кормер, А.Г. Иванов, Л.М. Тимонин, С.А. Новиков, Р.Ф. Трунин).

Важное значение имеет разработка во ВНИИЭФ не имеющего аналога в России рентгенографического комплекса с просвечиванием в нескольких направлениях на основе импульсных циклических и линейных ускорителей электронов.

Физика горячей плазмы

В 1963 г. после предварительных исследований возможности использования лазеров для целей поражения военной техники, а также появления в 1964 г. идеи инерциального лазерного термоядерного синтеза (Н.Г. Басов, О.Н. Крохин) началось бурное развитие лазерной тематики во ВНИИЭФ. Появились принципиально новые предложения у группы Н.Г. Басова (ФИАН) – принцип фотодиссоциации для создания инверсной населенности, и у группы С.Б. Кормера (ВНИИЭФ) – накачка лазера светом фронта ударной волны. Первый такой лазер был запущен в начале 1966 г.

Разработка во ВНИИЭФ лазерных установок с мощностью излучения в десятки и сотни тераватт началась с 1973 г. по инициативе С.Б. Кормера, Г.А. Кириллова и при энергичной поддержке Ю.Б. Харитона. В результате такие установки («Искра-4» и «Искра-5») были созданы во ВНИИЭФ. В опытах была получена рекордно горячая плазма с температурой ионной компоненты около 12 кэВ. Нейтронный выход достигал значений 10¹⁰ ОБ-нейтронов за импульс.

Стратегическая оборонная инициатива США в начале 1980-х годов породила во ВНИИЭФ ряд интересных проектов на стыке фундаментальных и прикладных наук.

Ядерно-физические исследования

Для конструирования ядерных зарядов прежде всего требовалось определение ядерно-физических констант основных делящихся материалов и критических масс. От точного значения критических параметров зависела безопасность производства самих делящихся материалов, мощность ядерного оружия. Поэтому весной 1948 г. в КБ-11 появился научно-исследовательский сектор, в котором впервые была создана нейтронно-физическая лаборатория.

Персонально отвечал за экспериментальное определение величины критической массы ядерной взрывчатки Ю.Б. Харитон. Реализация программы ядерных экспериментов потребовала создания во ВНИИЭФ уникальной (и не только в масштабах СССР) экспериментальной базы, состоявшей из парка крупных физических установок и позволявшей не только проводить профильные исследования, но и решать задачи фундаментальной науки.

В 1953—1954 гг. КБ-11 предписывалось выполнить теоретические работы по таким фундаментальным направлениям, как теория деления тяжелых ядер, квантовая теория поля, изобарные состояния нуклонов.

Большой цикл работ по определению ядерно-физических констант и критическим сборкам был проведен на созданном во ВНИИЭФ в 1949 г. под руководством Г.Н. Флёрова, Д.В. Ширкова, Ю.А. Зысина и А.А. Малинкина физическом котле на быстрых нейтронах (ФКБН). В конце 1960-х годов во ВНИИ экспериментальной физики начинают развиваться пионерские работы по разработке апериодических быстрых реакторов (А.М. Воинов, В.Ф. Колесов, М.И. Кувшинов, А.А. Малинкин, Б.Д. Сциборский). На базе этих исследований был создан парк импульсных реакторов с уникальными характеристиками (БИГР, ГИР, ВИР, БР-1).

В настоящее время в Институте ядерно-радиационной физики ВНИИЭФа ведутся работы по созданию мультитерраваттной установки «Гамма» как источника жесткого рентгеновского излучения, выполняются исследования свойств ядер и механизмов ядерных реакций, способствующие решению термоядерных проблем. На уникальной экспериментальной базе ядерного центра осуществляются и получают дальнейшее развитие исследования по обоснованию живучести образцов военной техники в условиях воздействия различных излучений, моделирующих воздействия поражающих факторов ядерного взрыва.

Исследования с использованием мощных электрофизических установок

На основе работ, начатых в начале 1950-х годов по инициативе И.Е. Тамма и А.Д. Сахарова, в целях получения термоядерной энергии с помощью взрывомагнитных источников энергии во ВНИИЭФ был создан самый мощный спиральный взрывомагнитный генератор со следующими характеристиками:

энергия, МДж ............................................................................. 30

амплитуда импульса тока при времени нарастания

6 мкс, МА....................................................................................15

скорость схлопывающейся оболочки, км/с..............................10

относительное сжатие алюминия (давление 10 Мбар) ... 2,5—2,9

скорость сформированной кумулятивной струи, км/с........... 40

Сверхмощный дисковый взрывомагнитный генератор имеет следующие характеристики:

энергия, МДж...........................................................................200

амплитуда импульса тока при времени нарастания

4 мкс, МА.............................................................................30—35

скорость схлопывающейся оболочки, км/с.......................10—15

Развивая идеи А.Д. Сахарова о магнитной кумуляции, В.Н. Мохов и В.К. Чернышев с сотрудниками разработали для инерциального термоядерного синтеза генераторы МАГО, с помощью которых был достигнут нейтронный выход до 5 • 10¹³ нейтронов в импульсе; время жизни подогретой ОТ-плазмы в экспериментах составляет 2—3 мкс.

Под руководством А.И. Павловского при сжатии магнитного потока во взрывомагнитном генераторе (предложение А.Д. Сахарова) была получена рекордная величина магнитного поля – 17 • 10⁶ Гс (1992). Его ученик В.Д. Селемир в 1998 г. довел мировой рекорд в получении магнитного поля до 28 • 10⁶ Гс.

Одно из самых значительных достижений КБ-11 в 1960—1970-е годы – создание новых физических установок, на которых проводились впоследствии уникальные эксперименты. К концу 1960-х годов появились гамма-графическая установка БИМ-117, импульсные генераторы жесткого рентгеновского излучения ВИР и ТИБР, первый в мире линейный импульсный ускоритель ЛИУ-2 и многие другие, не имеющие аналогов в мире. Таким является, например, ракетный трек (рельсовый путь) для различных испытаний боевых частей, введенный в строй в 1963 г. Он был уложен с точностью, поражающей воображение: отклонение от идеальной прямой составляло 1 мм на километр (учитывалась даже кривизна поверхности земного шара). Со временем длина трека была увеличена до 3000 м. Эти работы завершились уже в 1980-х годах.

Гордостью коллектива института является крупнейшая в Европе лазерная установка «Искра-5», введенная в действие в октябре 1989 г. Идея ее создания для решения задач инерциального термоядерного синтеза в институте зародилась в начале 1970-х годов. На воплощение идеи от чертежей до строительства комплекса в целом ушло более 15 лет.

В «Искре-5» с помощью оптических зеркал 12 лазерных лучей направляются на мишень в центре установки. Внутри мишени лазерное излучение преобразуется в рентгеновское, которое, в свою очередь, обеспечивает сжатие мишени. На установке можно имитировать процессы, происходящие при ядерном взрыве. В условиях полного запрещения проведения ядерных испытаний это позволяет лучше понять физику ядерного взрыва.

Во ВНИИЭФ в последние годы ведутся работы по созданию «Искры-6», энергия которой в 10 раз будет превышать лазерную энергию «Искры-5». Эксперименты, проведенные на «Искре-6», позволят расширить возможности поддержания ядерного арсенала и обеспечения его безопасности и надежности.

В 1993 г. в институте введена в полном объеме в эксплуатацию еще одна уникальная установка – радиационно-облучательный комплекс «Пульсар», созданный на базе мощного ускорителя электронов ЛИУ-30 и импульсного ядерного реактора БР-1 и предназначенный для имитации комплексного воздействия на испытываемые образцы узлов и изделий проникающих излучений ядерного взрыва.

На базе реактора БИГР, единственного в мире быстрого импульсного реактора с керамической активной зоной, создан облучательный комплекс, моделирующий аварии с возрастанием реактивности для твэлов энергетических реакторов типа ВВЭР. Отработана технология исследования твэлов. Проведена также серия испытаний, в результате которых определены энергетические значения порогов разрушения твэлов – важного параметра границы работоспособности в аварийных условиях.

Во ВНИИТФе для решения технических задач имеются:

• импульсные ядерные реакторы БАРС-5, ИГРИК, ЯГУАР;

• импульсные электронные ускорители с плотностью тока ~100 кА ИГУР-3М, ЭМИР;

• генераторы тока СИГНАЛ и СИГНАЛ-М;

• однолучевая лазерная установка с энергией ~ 200 Дж/м, пикосекундный лазерный стенд и стенд ЭБР-Л для исследования лазерных сред при их возбуждении осколками деления;

• установки ЭКАП, СОМ, ОСА для изучения турбулентного перемешивания в ударных и взрывных процессах;

• генератор нестационарных ударных волн (ГНУВ);

• лазерный стенд «Факел» с диодной накачкой.

Институт обладает средствами для спектральных измерений ядерных излучений, разработаны методы локальной дозиметрии нейтронов, гамма– и рентгеновских излучений, спектрометрия электронных пучков и др.

К памятным страницам истории ВНИИЭФ с полным правом можно отнести международное научно-техническое сотрудничество. Его основоположником был академик А.И. Павловский. В 1990 г. в «Арзамас-16» побывала первая делегация американских специалистов.

В начале 1992 г. состоялся обмен визитами руководителей атомных центров США и России.

Важным этапом в развитии международного сотрудничества явилась проведенная в 1993 г. серия совместных российско-американских экспериментов в области сверхмощных взрывомагнитных источников энергии, физики высоких плотностей энергии и замагниченной плазмы, управляемого термоядерного синтеза. Она способствовала росту взаимного доверия и расширению контактов с ведущими научными центрами и компаниями ряда зарубежных стран (США, Франция, Германия, Великобритания, Китай, Чехия и др.).

В последние годы развитию внешних контактов продолжает способствовать деятельность Международного научно-технического центра (МНТЦ) и Центров международной связи (ЦМС) ВНИИЭФ и ВНИИТФ.