Первая советская атомная бомба была копией первой американской. Но первая советская водородная бомба была оригинальным проектом, и принцип ее разработки, избранный Советским Союзом, отличался от американского. Хотя советские физики продолжали изучать другие возможности, основные усилия сконцентрировались на «слойке». Весной 1950 г. группа Тамма переехала из Москвы в Арзамас-16. Сахаров и Романов приехали в начале марта, а сам Тамм — в апреле; Гинзбургу не позволили присоединиться к ним, так как его жена была выслана в Горький; Беленький остался в Москве из-за болезни. Таким образом, в Арзамасе-16 оказались две теоретические группы, Зельдовича и Тамма, которые работали в дружеском соперничестве.
Арзамас-16 стал местом, где велась основная теоретическая и экспериментальная работа по водородной бомбе. В эти работы были вовлечены и другие институты. В Москве были образованы две группы вычислителей, а в Арзамасе-16 еще одна, занимавшиеся расчетами по новому проекту. Одна из московских групп базировалась в Институте прикладной математики. Другая — в Институте физических проблем; ее возглавлял Ландау. В ряде институтов, включая собственную лабораторию, Курчатов организовал исследования термоядерных реакций и реакций деления, вызванных нейтронами высоких энергий, высвобождавшихся в результате термоядерных реакций.
Осенью 1952 г. Курчатов также начал подготовку радиохимического мониторинга испытаний. Советские ученые хотели иметь возможность оценить эффективность проекта. Курчатов просил Н. А. Власова исследовать реакции дейтронов (ядер атомов дейтерия) с литием-6 и литием-7. Власов писал в своих воспоминаниях: «Чтобы оценить интенсивность термоядерного процесса и усовершенствовать конструкцию реактора, нужно суметь найти следы реакций. Можно использовать, например, какой-нибудь радиоактивный индикатор, образующийся при участии быстрых дейтронов. Одним из удобных индикаторов был признан радиоактивный бериллий-7 с периодом полураспада 53 дня». Бериллий-7 мог быть получен в реакции дейтронов с обоими изотопами лития. Чтобы использовать его в качестве индикатора, нужно было знать поперечные сечения реакций лития с дейтронами различных энергий. Такова была задача Власова. С 1950 г. брат Курчатова, Борис, изучал реакции деления на нейтронах высоких энергий и продукты деления, которые возникают в этих реакциях. Эта работа также была очень важна для анализа испытаний.
В это же время было организовано производство дейтерида лития. Тяжелая вода, которая содержит атомы дейтерия вместо атомов водорода, обеспечивает источник дейтерия. Продолжали изучаться различные методы производства дейтерия, но не все оказались успешными. Анатолий Александров вспоминает заседание Специального комитета, на котором обсуждалось производство дейтерия: «Несколько военных. Курчатов, Ванников, Первухин, Малышев, Жданов, Махнев… Мешик (отвечал за режим, арестован потом по делу Берии). Меня усаживают по одну сторону от Берии, по другую — Махнев. Он докладывает: «Вот, Лаврентий Павлович, товарищ Александров предлагает построить завод по получению дейтерия». Берия меня словно и не видит. Обращается только к Махневу: «А товарищ Александров знает, что опытная установка взорвалась?» Тот ему: «Да, знает». — «А товарищ Александров подпись нэ снимает?»— «Не снимает». — «А товарищ Александров знает, если завод взорвется, он поедет туда, где Макар тэлята гоняет?». Не выдерживаю: «Я себе представляю». Поворачивается ко мне: «Подпись свою нэ снимаете?» — «Нет, не снимаю».
Завод построили. Слава богу, до сих пор не взорвался».
Летом 1953 г. на полигоне под Семипалатинском приготовления были в полном разгаре. Уровень радиоактивности от предыдущих испытаний упал, и после некоторой обработки поверхности там была воздвигнута 30-метровая башня и построена небольшая мастерская. Были созданы подземные сооружения, в том числе километровая линия метро, чтобы проверить, насколько хорошо они выдержат воздействие взрыва. Контрольный пост был обсыпан землей и гравием, чтобы ударная волна не могла его разрушить. Наблюдательный пост отодвинули на 20–25 км.
В последнюю минуту произошла серьезная задержка. В своем стремлении подготовить бомбу ученые игнорировали опасность выпадения осадков. Только с приближением испытаний они осознали, что радиоактивный материал, рассеянный взрывом, может угрожать здоровью людей, живущих на близлежащей территории. На полигоне было организовано несколько команд, чтобы с помощью «Черной книги», американского руководства по воздействию ядерного оружия, определить эффект от выпадения осадков. Расчеты показали, что наземный взрыв даст большое количество радиоактивных осадков и что десятки тысяч людей должны быть эвакуированы. Курчатову, Малышеву и маршалу Василевскому, военному руководителю испытаний, предстояло решить, отложить ли испытания на б месяцев, чтобы подготовиться к выпадению осадков из атмосферы, или провести эвакуацию. Они решили провести эвакуацию населения с площади, границы которой отстояли на десятки и даже сотни километров от нулевой точки. Эвакуация продолжалась вплоть до последней ночи перед взрывом. Некоторые из этих эвакуированных не смогли вернуться в свои дома до весны 1954 г.
Приготовления к испытаниям проходили в напряженной обстановке. Необходимость усиленной работы над водородной бомбой стала осознаваться особенно остро после получения информации о проведении 1 ноября 1952 г. испытаний «Майк». Напряжение среди сотрудников Арзамаса-16 возросло после того, как Берия прислал на установку двух ведущих математиков, Михаила Лаврентьева и Алексея Ильюшина, явно в качестве возможной замены Харитона и Щелкина в случае неудачи испытаний. Ядерный проект оставался вотчиной Берии и после смерти Сталина. Однако после ареста Берии 26 июня руководителем Министерства среднего машиностроения, как стало называться Первое главное управление, был назначен Малышев.
В речи на заседании Верховного Совета 8 августа Маленков заявил, что Соединенные Штаты не имеют монополии на производство водородной бомбы. «Изделие» еще не было водружено на башню, и местное население еще не было эвакуировано. Ученые слушали речь Маленкова на полигоне в гостинице. «Заявление Маленкова, — отмечает Сахаров в своих мемуарах, — могло бы прибавить нам волнений. Но мы уже не могли волноваться сильней, мы находились у последней черты».
Курчатов снова был ответственным за испытания. В 6 часов утра 12 августа 1953 г. он был на наблюдательном пункте и на связи с контрольным постом. Получив рапорт, что все готово, он дал команду на отсчет времени. В. С. Комельков так описал взрыв: «Интенсивность света была такой, что пришлось надеть темные очки. Земля содрогнулась под нами, а в лицо ударил тугой, крепкий, как удар хлыста, звук раскатистого взрыва. От толчка ударной волны трудно было устоять на ногах. Облако пыли поднялось на высоту до 8 км. Вершина атомного гриба достигла уровня 12 км, а диаметр пыли облачного столба приблизительно б км. Для тех, кто наблюдал взрыв с западной стороны, день сменился ночью. В воздух поднялись тысячи тонн пыли. Громада медленно уходила за горизонт. Наблюдения над облаком вели самолеты, в том числе и те, что были подняты для забора проб». Мощность взрыва оказалась близка к оценкам физиков. Об успешных испытаниях Малышев по телефону сообщил Маленкову, который просил его поздравить всех.
Руководители испытаний, одетые в спецкостюмы, с дозиметрами, проехали вблизи нулевой точки. Малышев и Сахаров вышли, в то время как остальные оставались в машинах, и прошли по оплавленной земле к остаткам башни, на которой была взорвана бомба. Там, где стояла башня, осталось широкое тарелкообразное углубление. Металлическая башня и ее бетонное основание по большей части просто испарились. Озеро оплавленной земли диаметром 5 км окружало место, где стояла башня. Танки и орудия были разбиты и разбросаны повсюду, паровоз перевернут, бетонные стены обрушились, а деревянные дома сгорели. Все присутствовавшие на испытаниях были ошеломлены, видя беспомощных птиц, погибавших в траве далеко от эпицентра. Они взлетели, вспугнутые вспышкой взрыва, их крылья опалились, глаза выгорели.
Сцена на нулевой отметке была описана Н. А. Власовым, который выехал на место три дня спустя: «Общее впечатление страшной и огромной разрушительной силы складывается уже издалека. Да, взрыв действительно получился куда сильнее взрыва атомной бомбы.
Впечатление от него, по-видимому, превзошло какой-то психологический барьер. Следы первого взрыва атомной бомбы не внушали такого содрогающего ужаса, хотя и они были несравненно страшнее всего виденного еще недавно на прошедшей войне».
Курчатов остался на полигоне для анализа результатов испытаний и составления отчета. 20 августа «Правда» и «Известия» объявили, что Советский Союз «испытал один из видов водородной бомбы».
