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RDS-37（ロシア語: РДС-37）は、ソビエト連邦初の2段階式水素爆弾で、1955年11月22日に初めて実験が行われた。この兵器の公称出力は約3メガトンであったが、実弾実験では1.6メガトンに縮小された。[ 1 ]
RDS-37は、アメリカ合衆国の取り組みに対する反応として開発された。ソ連は以前、核爆弾の開発方法やアイデアを生み出すために、アメリカ国内に多くのスパイを送り込んでいたとされている。水素爆弾の開発では、この方法の使用頻度は減ったものの、クラウス・フックスをはじめとする一部のスパイからの支援は依然として受けていた。
1945年、ソビエト連邦は「超爆弾」の設計に取り組むことを決定した。同じく1945年、エンリコ・フェルミはロスアラモスで核融合プロセスについて講演を行った。講演の最後に彼は「これまでのところ、超爆弾の起爆計画はすべてかなり曖昧だ」と述べた。[ 2 ]
1946年の春、エドワード・テラーは水素爆弾に関する既知のすべての情報を評価するための会議を開催した。クラウス・フックスもこの会議に出席した。[ 3 ]同年、テラーは水素爆弾の新しい設計を提唱し、それを「アラームクロック」と名付け、純粋な重水素の代わりにリチウム6重水素化物を使用することを提案した。[ 3 ]
クラウス・フックスは、核爆弾と水素爆弾の両方に関する情報をソ連に提供していた。この情報により、イゴール・タムのグループが採用され、彼らの研究は水素爆弾の開発に貢献した。[ 3 ]フックスが1948年に提供した内容は、水素爆弾だけでなく、原子力産業全体にも関連していた。それは、2段階点火ブロックを使用した爆弾設計に関する詳細な洞察を提供した。
設計図はすぐにヨシフ・スターリンによってロシアの爆弾計画の責任者に任命されていたラヴレンティー・ベリヤに送られ、イゴール・クルチャトフ、ボリス・ヴァンニコフ、ユーリー・ハリトンに転送され、これらの設計図を検証および評価した。[ 3 ] 1948年5月5日、ヴァンニコフとクルチャトフは次のように返信した。[ 3 ]
資料番号713aに関して言えば、ウラン235起爆薬から重水素への爆発の伝達におけるトリチウムの役割、ウラン起爆薬の威力の慎重な選定の必要性、そして重水素への爆発の伝達における粒子と光子の役割に関する基本的な考え方は新しいものです。これらの資料は、第一総局が承認した作戦計画に基づいて実施されているゼルドビッチ同志の超爆弾開発作業に役立つという点で価値があります。この分野の研究にさらに力を注ぎ、実用設計作業に着手すべきです。
ヴァンニコフは重水素とその影響の研究に着手した。ハリトンも1948年5月5日に返信を送り、ソ連に設計グループの設立を促した。
当時、水素爆弾の設計について知っている人はほとんどいなかった。アメリカの科学者たちも、自分たちの設計を完全に理解していなかった。ソビエト連邦は水素爆弾に取り組むグループを設立した。1948年8月、アンドレイ・サハロフは、ウランと熱核燃料を交互に重ねた「スロイカ」、つまり層ケーキ方式を提唱した。 [ 3 ] 1949年初頭、この層ケーキ方式は、熱核燃料として重水素化リチウム6を使用するように改良された。
1950年初頭、クラウス・フックスはイギリスで逮捕され、ソ連のためにスパイ活動を続けることができなくなった。[ 4 ]
ソ連の科学者たちは、重水素密度を高めるというアイデアを持っていた。サハロフとそのチームは、層状ケーキの中で小型の核爆弾を爆発させる可能性を見出した。[ 3 ]このアイデアは成功し、最初の実装はRDS-6sで使用された。RDS-6sはRDS-37への道を開いた。1952年までに、ソ連は2段階爆弾を本格的に検討し始めた。しかし、1954年に計画はついに実現した。1954年以前は、熱核装置は放射線ではなく衝撃波によって起爆されると考えられていた。
1952年11月1日、米国は「アイビー・マイク」というコードネームの最初の「水素爆弾」の実験を行った。[ 5 ]この設計はテラー・ウラム方式に基づいていた。アイビー・マイクは実用的な兵器ではなかった。その大きさは巨大で、重量は82トンだった。1953年8月12日、ソ連は「ジョー4」というコードネームの実験で独自の「水素爆弾」を実験した。これは層状ケーキ方式に基づいていた。この時点では、誰も「真の」水素爆弾を作っていなかった。他のすべての実験はキロトン級の威力だった。
1954年の春、米国は「オペレーション・キャッスル」として知られる一連の6つの核実験を行い、それぞれの実験はメガトン級の規模であった。[ 5 ]その最初の実験はキャッスル・ブラボーであり、最終的に米国史上最大の爆発となった。
1954年の春までに、ソ連の科学者たちは、核爆弾の起爆装置から放射線を放出し、それを利用して爆弾の核融合部分を始動させる可能性を理解し始めた。このアイデアは、マイク爆発で使用されたテラー・ウラム設計と類似している。彼らはその後、単段式層状構造と管状構造の設計を放棄し、二段式爆弾計画に完全に注力した。1954年に発表された理論部門第1号の活動に関する報告書には、次のように記されている。
原子圧縮は、第2セクターのメンバーとの協力のもと、理論的に研究されています。原子圧縮に関連する主な問題は、開発段階にあります。原子爆弾からの放射線の放出は、本体を圧縮するために使用されます。計算によると、放射線は非常に強く放出されます。放射エネルギーを機械エネルギーに変換して本体を圧縮します。これらの原理は、第2セクターと第1セクターの努力によって開発されました。
1955年11月22日、ロシアはメガトン級の真の二段階水素爆弾RDS-37の実験を行った。[ 6 ]この実験では二段階放射線爆縮が行われた。これはまた、世界初の空中投下型核融合爆弾実験でもあった。
1954年3月のブラボー実験後、ソ連の科学者たちは効果的な大出力熱核爆弾を作る方法を探し始めた。これらの爆弾に関する過去の経験を徹底的に研究した結果、新しい2段階爆弾が考案された。[ 7 ]
RDS-37の熱核チャージは、高エネルギー密度物理学の基本的な科学概念に基づいています。[ 8 ]放射線爆縮の原理は、3つの概念を前提としています。イルカエフによれば、それらは「核チャージ（一次モジュール）の爆発エネルギーの大部分はX線放射の形で生成される。X線放射のエネルギーは核融合モジュールに輸送される。核融合モジュールは『供給された』X線放射のエネルギーを使用して爆縮する」です。[ 8 ]開始可能な核物質のより良い圧縮への期待は、1950年代初頭から議論されていました。[ 8 ]
それから間もなく、ヤコフ・ゼルドヴィッチとアンドレイ・サハロフはこの理論の研究に着手した。「1954年1月、ヤコフ・B・ゼルドヴィッチとアンドレイ・サハロフは、2段階核電荷の原理を取り入れた装置レイアウトを詳細に検討した」[ 8 ]
多くの人々は、最初から彼らの成功の可能性を疑問視していた。二段階核爆発に関する疑問は、大きく二つのカテゴリーに分けられる。
最初の質問群は核爆縮に関するものでした。最初のモジュール、つまり核分裂トリガーは、「核物質の圧縮、または化学爆薬の球状爆発による物質の核分裂と核融合によって開始され、爆縮の球対称性は、爆薬の最初の球対称爆発によって決定されます」[ 8 ] 。
「一次源（または複数の源）と圧縮可能な二次モジュールからなる不均質な構造」が「球対称の『核崩壊』を維持できる」方法はないように思われた。[ 8 ]
以下は、サハロフとロマノフが8月6日に発表した「原子圧縮」というタイトルの報告書である。「原子圧縮は、第2セクターのメンバーとの協力のもと、理論的に研究されている。原子圧縮に関連する主な問題は、開発段階にある。」
（１）本体を圧縮するために使用された原子爆弾からの放射線放出。計算によると、[削除]の場合には非常に強い放射線が放出される…
（２）放射エネルギーを機械エネルギーに変換して本体を圧縮する。これは[削除]と仮定されている。これらの原理は、第２部門と第１部門（ヤ・B・ゼルドヴィチ、ユ・A・トルートネフ、AD・サハロフ）のチームワークによって開発されたものである。[ 7 ]
2段階核チャージの問題は、さらに2つの問題を引き起こします。1つ目は、「元の源の爆発エネルギーの担体は何か？」、2つ目は、「このエネルギーはどのようにして二次モジュールに伝達されるのか？」です。[ 8 ]
2番目の質問は、核分裂起爆装置の核爆縮によって影響を受ける二次モジュールに関するものです。当初、科学者たちは、2段階チャージにおける核分裂起爆装置の核起爆エネルギーは、衝撃波が二次モジュールの不均一な構造を伝播する際に、起爆生成物の流れによって運ばれると考えていました。[ 8 ]ゼルドビッチとサハロフは、「二次モジュールの基本的な物理要素として、RDS-6sチャージの内部要素のアナログ、すなわちシステムの「層状」球形構成を選択することにした」のです。[ 8 ]
ソビエト連邦は、外部からの情報援助なしに、米国と同様の成果をいくつか達成することができた。「長崎原爆のように最初から固体の球体であるのではなく、活性物質は、中心に『浮上』した球体を持つシェルとして製造される。高価なプルトニウムの一部は、より安価なウラン235に置き換えられた。浮上によりエネルギー収量が増加し、爆発物のサイズと重量を減らすことが可能になった。同様の成果は、ソビエト連邦の研究所によってスパイ活動なしに達成された。」[ 9 ]テラーが考案した最初の目覚まし時計方式は、スタニスワフ・ウラムによって評価され、予想よりも困難で費用がかかると判断された。この間、米国は目覚まし時計方式に注力していたが、ソビエト連邦はスロイカ方式に注力していた。目覚まし時計のジレンマは1951年まで続き、ウラムが一次核分裂爆弾によって生成された流体力学的衝撃で熱核二次核分裂を圧縮するというアイデアを思いついた。[ 9 ]テラーはこの方法に賛同し、流体力学的衝撃ではなく一次核分裂からの放射線による圧力を使用することで、さらに改良を加えた。
テラーが最終的にこの方法を受け入れた後、問題が残った。どの熱核燃料を使用するかである。主な選択肢は、重水素化リチウム、重水素化アンモニア、液体重水素の 3 つであった。「それぞれに長所と短所があり、重水素化リチウムは室温で固体であるため、最も簡単に製造できる材料であったが、爆弾内でリチウムからトリチウムを生成するには、リチウムのいくつかの同位体のうちの 1 つだけを使用する複雑な熱核反応の連鎖が必要であった。」[ 9 ]重水素化アンモニアは、適度な冷却または穏やかな圧力で液体状態に保つことができたが、その物理的性質は当時よく知られていなかった。液体重水素の問題は、それを大量に輸送および貯蔵する技術がまだ開発されていなかったことであった。[ 9 ]米国は、熱核燃料として液体重水素を選択することにした。これがアイビーマイク爆弾の前提であった。
アメリカによるアイビー・マイクの爆発はソ連の報復を招き、ソ連はすぐに追いつこうとした。ソ連はほぼ同時期にRDS-6を爆発させていたが、RDS-6は高出力爆薬で起爆されたのに対し、アイビー・マイクは放射線方式で起爆された。[ 10 ]ソ連はその後、層状構造の爆弾方式を放棄し、二段階爆弾方式に注力した。
水素爆弾は主に2つのユニットから構成されています。1つは核爆弾で、これが主ユニット、もう1つは二次エネルギーユニットです。水素爆弾の第1段階は、層状ケーキの設計に似ていますが、主な違いは、起爆が従来の爆薬ではなく核装置によって行われることです。[ 10 ]この設計は、1941年にエンリコ・フェルミとエドワード・テラーによって最初に提唱されました。テラーは、何らかの核分裂兵器で重水素に点火すべきだと主張しました。水素爆弾は挑戦であり、核爆弾よりも強力で破壊的になるでしょう。核融合セル自体はそれほど強力ではなく、1反応あたり約17.6 MeVですが、水素燃料の量を増やすことで、兵器を必要なだけ大きくすることができます。[ 5 ]
アンドレイ・サハロフは、熱核燃料から得られる理論的な利点を初めて定量化した人物として、RDS-37プロジェクトの主要な理論的貢献者となった。[ 7 ]サハロフは、テラー・ウラム設計とは全く独立して独自の圧縮方法を開発した。サハロフの原子圧縮設計では、重水素-重水素または重水素-三重水素の密に詰まった複数の層が内側から開始され、原子圧縮を実現する。理論的には、原子開始器は、熱核燃料とウランの層に囲まれた球状容器の中心に配置される。システム全体は、多層球の外側に配置された爆薬によって圧縮され、爆縮と最終的な原子開始器の開始が開始される。[ 11 ]この設計の効率性により、サハロフは設計局11の同僚の間で一定の評価を得た。この設計は、厚いクリームでしっかりと固められた伝統的なロシアの多層ケーキに似ていたため、サハロフの同僚によって「スロイカ」と呼ばれた。彼のアイデアの主な問題点は、重水素-重水素反応と重水素-三重水素反応の反応断面積が知られておらず、理論上のものだけであったことである。 [ 2 ]設計局11（KB-11）は、主に理論計算を用いて、RDS-6爆弾設計のアイデアをソ連当局に提示した。アンドレイ・サハロフは1949年1月に論文を発表し、重水素-三重水素反応と重水素-重水素反応の反応断面積は実験的に研究されておらず、すべての評価は推測に過ぎないと指摘した。[ 12 ] [ 3 ] 1949年3月、ハリトンはベリアに対し、タムとコンパニーツにD-T断面積の情報データへのアクセスを許可するよう要請した。情報資料へのアクセスを最小限に抑えるため、これは拒否されたが、代わりに4月27日にD-T断面積の測定値が、出所を伏せたままタムとコンパニーツに送られた。[ 13 ]皮肉なことに、同様のデータが1949年4月15日のPhysical Review誌に掲載された。この情報により、サハロフと設計局11はRDS-6実験で原子圧縮を成功裏に実施した。[ 11 ]1954年12月24日、ソ連当局は、RDS-37というコードネームの新しいプロジェクトで原子圧縮のアイデアを実行することを決定した。試験場の準備やその他の重要な試験作業は、1955年初頭に準備段階に入った。RDS-37では、球形爆縮からの電荷の分布を対称に保つという新しい設計上の問題が明らかになった。これにより、X線の指向性散乱を最大化するために、一次モジュールと二次モジュールの両方を同じ区画に配置する標準的なシステムが開発された。最初の原子起爆からの膨大な量のエネルギーはX線の形で伝達され、熱核チャージを起爆するために必要なすべてのエネルギーを提供するように方向付けられた。[ 11 ]爆弾設計の技術仕様は1955年2月3日までに完成したが、RDS-37がセミパラチンスクの試験場に届けられるまで継続的に再評価および改良された。この時期にKB-11は、テラー・ウラム実験の発表後に決定された重水素-三重水素燃料の代わりに、リチウム-重水素を熱核燃料として使用できることを発見した。[ 3 ] [ 7 ]
設計局11は、原子圧縮の構想を実現するにあたり、いくつかの課題を克服しなければならなかった。主な問題は、最初の原子爆弾の爆縮から放出される膨大な量の放射線に関するものであった。計算された出力は非常に大きく、放出されたエネルギーを収容し保持できる構造を設計できるかどうかについて大きな懸念があった。次に克服すべき大きな障害は、膨大な量の放射エネルギーを、本体を圧縮するために使用される機械エネルギーに変換することであった。[ 7 ]ヤコフ・ゼルドヴィッチとアンドレイ・サハロフが書いた報告書では、RDS-37に見られる原子圧縮の新しい原理は「創造的なチームワークの輝かしい例」であると述べられている。報告書はさらに、設計局11の主任設計者ユリイ・ハリトンの監督の下で行われた膨大な量の設計指向、実験、および技術的努力を誇らしげに述べている。[ 7 ]
RDS-37は航空機搭載型爆弾として組み立てられた。
初期の試験段階では、安全上の懸念から爆弾のエネルギー出力が低減された。重水素化リチウム核融合セルは、核融合燃料の一部を不活性材料に置き換えるように変更された。[ 7 ] RDS-37は1955年11月22日に初めて爆発した。
この兵器はカザフスタンのセミパラチンスク実験場で空中投下され、空中投下による初の二段階熱核実験となった。これはセミパラチンスク実験場で行われた爆発としては最大規模であった。[ 2 ] 1953年のRDS -6s装置（ジョー4）実験は一段階設計で、メガトン級の威力に拡張することはできなかった。RDS-37はツポレフTu-16爆撃機から投下され、1950年代後半から1960年代にかけて最も多く使用された。しばらくしてソ連は、2.9メガトンの熱核爆弾は一部の任務には過剰だと感じたため、威力の低いRP-30とRP-32の200キロトン爆弾が一部の任務に使用できるようになった。[ 14 ]米国がチェロキー核兵器実験で同様の結果を達成するには、約半年後の1956年5月20日までかかった。[ 15 ] しかし、この時点で米空軍は数百メガトン級の爆弾を保有しており、それらを運搬できる航空機は1,100機以上あった。[ 16 ]
この装置は、局地的な放射性降下物を避けるために、意図的に高高度で爆発させた。爆発高度は地上1,550メートル（5,090フィート）であった。 [ 17 ]
出力の低下にもかかわらず、兵器が逆転層の下で爆発したため、衝撃波の大部分が予想外に地面に向かって下向きに集中し、塹壕が兵士の集団の上に崩れ落ち、1人が死亡した。また、65 km (40マイル)離れたクルチャトフの建物が倒壊し、少女が死亡した。[ 18 ]爆発によって窓が割れたため、飛び散ったガラスの破片でクルチャトフの42人が負傷したと記録されている (常識的な推測であるため確認が必要)。[ 19 ]アンドレイ・サハロフの理論研究所の科学者が、回想録の共同本でこの実験を回想している。彼は、爆心地から32 キロメートル (20 マイル)離れた観測所から RDS-37 実験を目撃した。カウントダウンがゼロになったとき、彼が最初に感じたのは「頭を数秒間開いたオーブンに入れたかのような、ほとんど耐えられない熱さ」だった。爆発によって発生した塵や破片の衝撃波が近づいてくるのが目視でき、音も聞こえ、核爆発から約90秒後に観測所に到達した。飛散する破片による怪我を避けるため、すべての観測者は顔を地面につけて足を爆発の方向に向けざるを得なかった。衝撃波が過ぎ去ると、すべての観測者は立ち上がり、成功を祝って歓声を上げ始めた。ソ連は、二段階式核兵器の空中投下に成功した最初の国となった。[ 2 ]この装置の測定されたエネルギー出力は、1.6メガトンのTNTに相当する。[ 7 ]
実験後、委員会は1955年11月24日の会議で3つの点を指摘した。「新しい原理に基づく水素爆弾の設計は、実験に成功した。この種の爆弾の爆発で進行する過程の詳細な研究を継続する必要がある。水素爆弾のさらなる開発は、RDS-37爆弾の基礎として選ばれた原理の幅広い応用に基づいて行うべきである。」[ 8 ] RDS-37の実験の成功により、熱核兵器の大規模な開発を開始することが可能になった。[ 8 ] RDS-37の装薬は、ソ連におけるその後のすべての2段階熱核兵器のプロトタイプとなった。[ 8 ]
セミパラチンスク実験場で行われた RDS-37 の実験は、ソ連を米国との軍拡競争に復帰させることとなった。その大きな理由の一つは、ソ連が熱核燃料として重水素化リチウムの使用に成功した最初の国であったことである。考慮すべきもう一つの重要な要素は、ソ連が爆弾のエネルギー出力をどれだけ正確に予測できたかということである。RDS-6 実験の予測は最大 30% の精度で、RDS-37 実験は 10% 以内の精度であったのに対し、米国側のキャッスル・ブラボー実験におけるエネルギー出力予測は 2.5 倍の誤差があった。[ 20 ]ソ連はまた、RDS-37 の兵器化可能な設計も提供した。軍拡競争の米国側では、実験された爆弾は遠隔操作で起爆された。「この実験は長年の努力の集大成であり、多様な高性能特性を持つ一連の装置の開発への道を開いた勝利である。」[ 7 ] ゼルドヴィッチとサハロフが執筆したRDS-37に関する報告書は、RDS-37に見られる原子圧縮の新しい原理は「創造的なチームワークの輝かしい例」であると述べている。この報告書は、設計局11の主任設計者ハリトンの監督の下で行われた膨大な量の設計指向の実験的および技術的な努力を誇らしげに述べている。[ 7 ]
最初の二段階式熱核兵器の爆発に成功したことは、ソ連の核兵器開発計画における重要な瞬間であり、計画の方向性を決定づけるのに役立った。[ 7 ]これは、米国とソ連の間の差が縮まっていることを示した。さらに重要なことに、核出力の差は解消された。今や、爆弾をより軽量で信頼性が高く、より小型にするための国家間の競争となった。そして1955年11月22日、ソ連は米国内のあらゆる標的を破壊できる兵器を保有するに至った。[ 14 ]
アメリカとソ連の熱核兵器開発競争は、参加した科学者たちの予想をはるかに超えた。アメリカとソ連の両国による成功と有望な研究は、熱核兵器の可能性の扉が開かれたことで、両国にさらに強力な兵器の開発を促した。[ 7 ]これはもちろん、冷戦が真っ只中であった当時としてはごく普通のことだった。ソ連の物理学者、技術者、科学者、そして優れた頭脳がアメリカと競争できるだけでなく、兵器や技術開発のいくつかの重要な分野でアメリカを凌駕できることを知ったことは、ソ連の士気を大きく高めた。
RDS計画は、ソ連の熱核兵器開発計画の原動力であったアンドレイ・サハロフの天才を生み出した。サハロフは設計局11に在籍中、ソ連の熱核プロジェクトの推進に最も重要なアイデアを考案した。RDS-37は、サハロフに同僚や上司からの信頼と名声をもたらした。その成功により、彼は研究においてより大きな自主性を与えられ、核兵器（および産業）の分野で重要な貢献をした。磁気プラズマ閉じ込めと磁気熱核融合炉に関する彼の研究と理論は、最終的に大型電磁パルス装置とレーザー核融合の導入につながった。サハロフがRDSプロジェクトに従事していた時期に行った多くの研究と提案されたアイデアは、今日でも継続されている。[ 11 ]
RDS-37の爆発を映した映像は、ツァーリ・ボンバの映像と混同されることが多いが、両者は非常に似ている。RDS-37の映像では爆発が画面中央に映っているのに対し、ツァーリ・ボンバの映像では爆発が画面右側に映っている（ただし、キノコ雲の映像は画面中央に映っている）。また、RDS-37の実験はセミパラチンスク実験場で行われ、映像の一部にはセミパラチンスク16号とも呼ばれる秘密都市クルチャトフの屋根越しに撮影されている。一方、ツァーリ・ボンバの実験は、当時数百キロメートル以内に同様の人口密集地がなかった北極圏の砂漠の島、ノヴァヤゼムリャ島の南半分で行われた。