RDS-37原子弹

RDS-37（）是苏联的第一枚两级氢弹，首次测试在1955年11月22日进行。其理论当量为300万吨TNT，实验当量为160万吨TNT。
项目背景.
RDS-37项目是对美国的核武器优势的回应。据称，在此回应之前，苏联曾动用大量间谍从美国获取原子弹的设计想法与实验方法，此类方法也被用在氢弹研发项目之上，但是这类手段对于氢弹的研发相对有限，其中关键人物为克劳斯·福克斯。
1945年，苏联正式启动“超级炸弹”的设计工作。同年，恩里科·费米在洛斯阿拉莫斯实验室举办核聚变过程的专题系列讲座与讨论会，结束后，费米直言：
“迄今为止，所有关于激发超级炸弹的方案都相当模糊。”
在1946年春，爱德华·泰勒专门举办了专项会议，克劳斯·福克斯也出席了会议，会议系统的评估与讨论了关于氢弹研发的所有已知技术信息。同年，泰勒提出了命名为“闹钟”的新设计方案，其主张使用氘化锂-6替代纯氘作为热核燃料（聚变燃料）。
克劳斯·福克斯向苏联传递了大量关于原子弹与氢弹的技术资料，还涉及到了整个工业体系，并且包含了两级引爆模块的技术细节，这些资料直接促使了苏联招募了对苏联氢弹研发起到关键作用的伊戈尔·塔姆团队。
福克斯提供的材料被迅速转交至由斯大林任命负责苏联核武器计划的拉夫连季·贝利亚，贝利亚立即转交文件至伊戈尔·库尔恰托夫、鲍里斯·万尼科夫、尤里·哈里顿进行技术评估。1948年5月5日，万尼科夫与库尔恰托夫进行联署回复：
“关于第713a号材料，关于氚在爆炸从铀-235向氘传递过程中的作用、铀引信功率需精细选择的必要性，以及粒子与光子在爆炸传递至氘的过程中的作用等核心观点均具创新性，此材料价值在于能协助泽尔多维奇同志根据第一管理总局批准的行动计划开展超炸弹研发工作。应加大该领域研究力度，并启动工程设计工作。”
万尼科夫开始着手于深入研究氘及其核物理效应，哈里顿同日向苏联当局提交了联署回复文件，并力主苏联当局组件专项设计团队。
这时，只有很少一部分的人知晓苏联当局正在进行氢弹的设计。美国科学家自己也没理解透他们自己对于的氢弹设计。1948年8月，安德烈·德米特里耶维奇·萨哈罗夫提出氢弹的核心为铀材料与热核材料交替分层结构的“夹层蛋糕（千层饼，sloyka）”法，至1949年初，设计经过调整升级，决定采用氘化锂-6作为热核燃料。
1950年初，克劳斯·福克斯在英国被捕，无法继续向苏联提供情报。苏联科学家提出增加氘密度的技术设想，萨哈罗夫团队发现可以在“夹层蛋糕”构型中使用内置小型核弹进行引爆。该设想首次在RDS-6s项目中试验成功，并为RDS-37奠定了基础。1952年，苏联开始研发两级氢弹，1954年方案最终实现。
1952年11月1日，美国测试了首个构型为泰勒-乌拉姆构型的氢弹，代号为常春藤麦克。它不是实用武器，重量达82吨。在1953年8月12日，苏联在代号Joe 4的任务里测试了“夹层蛋糕”设计的氢弹。截至上述日期，尚未有国家制造出真正意义上的氢弹，所有热核反应实验的当量都仅为千吨级TNT当量。
1954年春，美国进行代号为“城堡行动”的系列核试验，攻击引爆了6枚核装置，并且每次的实验当量都达到百万吨TNT级。该系列首次行动代号为“喝彩城堡”，是美国历史上最大规模的核爆炸。
在美国实验的同时，苏联科学家认识到利用核弹触发器的辐射释放来激发氢弹的核聚变反应是可行的，结构上跟常春藤麦克实验所用的泰勒-乌拉姆构型是一样的。他们随即停用了“夹层蛋糕”设计以及枪式设计，全力投入了两级氢弹的研发。1954年发布的《第一理论科工作报告》明确记载：
“正在与第二科成员协作，从理论上研究原子压缩机制。原子压缩相关核心问题尚处于开发阶段。利用原子弹释放的辐射压缩主体部件（热核燃料）——计算表明辐射释放极强，可以将辐射能转化为机械能以压缩主体部件。上述原理正在由第一科与第二科合力完成。”
1955年11月22日，苏联测试他们真正的两级氢弹RDS-37，其当量达到了百万吨级TNT。此次实验实际应用了两级辐射内爆技术，这也是世界上首次空投氢弹实验。
RDS-37的研发.
1954年3月的喝彩城堡实验后，苏联科学家开始着手于研究大当量的氢弹理论与生产制造的路线，通过对过往大量的热核实验经验的深入研究，最终设计完成了新型两级氢弹。
RDS-37的装药基于高能量密度物理学设计，据伊利亚耶夫描述，辐射内爆机制遵循三大基本概念：
而后，在20世纪50年代初，对于更高压缩度的核材料，在学术界已经开始进行讨论。
雅可夫·鲍里索维奇·泽尔多维奇与安德烈·萨哈罗夫立即投身于高压缩度的研究。
“1954年1月，泽尔多维奇与萨哈罗夫验证了一种两级装药原理的装置机构布局”
自研发的初始阶段起，两级核装药的成功可能性便遭受到了众多质疑。
第一类主要质疑点为其内爆机制，初级装置的起爆需要通过以下方式进行：“核材料的压缩，或经由化学炸药的球对称爆炸引发材料裂变与聚变，其内爆球对称性由炸药初始球对称起爆所决定。”“由初级源（或多个源）与可压缩次级模块组成的异质结构，似乎无法维持球对称的核子内爆。”
萨哈罗夫与罗曼诺夫于8月6日提交的《原子压缩》报告中指出：
“原子压缩机制正与第二科成员协作进行理论研究。原子压缩相关核心问题尚处于研发阶段。”
两级核装药的技术瓶颈衍生出两大核心问题：
第二类质疑聚焦次级模块受冲击机制：
次级装置在裂变触发器核内爆作用下的响应问题。初期科学家认为，两级装药中裂变触发器的核爆能量，将通过冲击波在次级模块的异质结构中的传播，由起爆装置产物的流动实现能量传导。对此质疑，泽尔多维奇与萨哈罗夫提出解决方案，决定选择RDS-6s装药的内部结构，作为次级模块的基础物理要素——球对称构型。
设计原理.
苏联在无间谍情报的协助下，与美国几乎同步的实现了相近的技术突破。
“活性材料（核装药）摒弃长崎原子弹的实心球体构型，改为壳层结构，中心设置悬浮球体。部分昂贵的钚材料被铀-235替代。悬浮设计提升能量输出率，并实现爆炸装置小型化与轻量化。苏联实验室在无间谍协助下达成同类技术成就。”
美国在设计氢弹初期，主要聚焦于泰勒提出的“闹钟”构型，但在经过斯坦尼斯拉夫·乌拉姆评估后，认定该构型会造成无法控制的成本与几乎无法实施的难度。苏联在同期主要研究“夹层蛋糕”构型。直到1951年，乌拉姆提出利用初级裂变弹的流体动力学冲击波压缩热核次级模块的理论模型，并且泰勒也赞成了这种方法，并且最终改进该方案，变成利用初级辐射能产生的辐射压替代流体冲击。
泰勒最终敲定方案后，又面临着热核燃料选择的问题，在当时主要候选的热核燃料有三项，分别为：氘化锂、氘化氨、液态氘。“（三种材料）各具优劣：氘化锂因室温固态最易工程化，但需通过复杂热核反应链从锂同位素中增殖氚（仅特定同位素可行）；氘化氨可通过适度冷却或低压维持液态，然其物理性质处于不明确的状态；液态氘则因储运技术未成熟而受限”美国最终选用了液态氘作为常春藤麦克核弹的热核燃料。.
美国常春藤麦克氢弹的试爆促使苏联加紧追赶步伐。苏联同期已经试爆了RDS-6氢弹，但是其由高爆炸药引爆的，而常春藤麦克为辐射内爆法，苏联因此放弃了“夹层蛋糕”构型，转而全力公关两级氢弹的技术方案。.
氢弹的主要由两大装置组成：
初级装置与“夹层蛋糕”构型相似，但是核心差异为：“起爆由核装置执行，而非传统化学炸药。”这个设计最初由恩里科·费米与爱德华·泰勒于1941年提出。泰勒坚持主张：“需通过裂变武器点燃氘燃料。”氢弹研发面临巨大挑战，其威力与破坏性远超原子弹，但氘燃料可无限量填充，使武器当量具备理论无限扩展性。
设计路线.
安德烈·萨哈罗夫作为RDS-37项目的首席，首次量化了热核燃料的理论能量增益。萨哈罗夫独立开发出完全不同于泰勒-乌拉姆构型的压缩方法，其原子压缩设计采用多层紧密堆叠的氘-氘或氘-氚燃料层，通过内向起爆实现原子级压缩。
在他的理论模型中，原子起爆器置于球形容器中心，外围依次包裹热核燃料层与铀层。整个系统由外部环绕炸药压缩，触发内爆并最终点燃中心起爆器。该设计的高效性使萨哈罗夫在第11设计局（KB-11）赢得威望，因其构型形似俄式多层奶油蛋糕。同事称其为夹层蛋糕（Sloika）。
该构型的核心瓶颈在于，氘-氘与氘-氚反应的截面数据未知，仅存理论推测。1953年，第11设计局基于理论计算向苏联当局提交RDS-6方案。萨哈罗夫1949年1月论文指出：“氘-氚与氘-氚反应截面缺乏实验验证，现有评估皆属推测。”
1949年3月，哈里顿请求贝利亚批准塔姆与科姆帕涅茨查阅含氘-氚截面的情报数据，但遭拒（限制情报接触）。4月27日，氘-氚截面测量数据被秘密移交给塔姆与科姆帕涅茨。讽刺的是，同类数据已发表于1949年4月15日《物理评论》。借此，萨哈罗夫团队成功在RDS-6试验实现原子压缩。
1954年12月24日，苏联当局批准原子压缩方案（代号RDS-37）。并于1955年初启动试验场筹备。研发中暴露新问题：如何维持球体内爆的电荷分布对称性。由此开发标准系统——将初级与次级模块置于同一舱室，最大化X射线定向散射。初级原子起爆的巨量能量以X射线形式传导，精准激发热核燃料。
1955年2月3日完成氢弹装配，并边优化边运抵塞米巴拉金斯克试验场。此间第11设计局受泰勒-乌拉姆构型氢弹试验公开后影响，决定使用锂-氘燃料替代原定的氘-氚燃料。
在首席设计师尤里·鲍里索维奇·哈里顿领导下，第11设计局投入了海量的设计研究、实验验证与技术攻关，RDS-37最终被装配为空投型氢弹。
测试阶段.
在初始测试中，出于安全考虑，将氘化锂聚变单元部分燃料替换为了惰性材料，缩减了炸弹的当量。RDS-37于1955年11月22日完成首爆，实测当量160万吨TNT，低于原定300万吨TNT当量，成功验证了两级辐射内爆机制。
投放方式.
RDS-37在哈萨克斯坦塞米巴拉金斯克试验场实施空投试爆，成为全球首款空投型两级热核装置，亦是该试验场有史以来最大当量核爆。RDS-37由图-16轰炸机投掷，1950年代末至1960年代作为主力核武服役。后因苏联认为其290万吨TNT当量在部分任务中威力过剩，转而启用当量更低的RP-30与RP-32战术核弹（20万吨TNT当量），美国于1956年5月20日通过中的“切罗基（"Cherokee"）”核试验达成同等空投能力。为避免局部放射性沉降，装置刻意定于空中引爆，起爆高度精确设定为。
试爆影响.
尽管苏联降低了实验当量，由于氢弹在逆温层下引爆，所造成的冲击波意外的聚焦于地面：
萨哈罗夫在回忆录中记述：
于距爆心32公里（20英里）观测站见证试爆。倒计时归零瞬间，炽热感如头置烤炉中数秒。爆后90秒后，肉眼可见的尘埃冲击波席卷而至，全体观测者被迫俯卧并足部朝向爆心以避飞溅物。冲击波过后，众人欢呼——苏联成为首个成功空投两级热核武器国家。