Tháng 10 năm 1961, Liên Xô thả thử nghiệm một quả bom hạt nhân xuống một hòn đảo xa xôi ở phía bắc Vòng Bắc Cực.
Mặc dù quả bom phát nổ cách mặt đất 4km, sóng xung kích gây ra quét sạch mọi thứ và san phẳng bề mặt đảo như một sân trượt băng. Người quan sát nhìn thấy ánh sáng lóe lên từ khoảng cách hơn 1000km, và cảm thấy sức nóng đáng kinh ngạc tỏa ra trong vòng 270km tính từ tâm kích nổ. Đám mây hình nấm khổng lồ của quả bom đạt độ cao 67km, gần vượt ra khỏi bầu khí quyển, và có thể được nhìn thấy cách 800km. Xung chấn của quả bom lan vòng quanh Trái Đất ba lần, lần đầu tiên kéo dài trong hơn 36 tiếng đồng hồ.
Đó là thí nghiệm của Liên Xô về Bom Sa Hoàng (Tsar Bomba), quả bom nhiệt hạch lớn nhất từ được kích nổ. Gần 60 năm sau, chưa có một thiết bị nổ nào có thể sánh được với sức công phá của nó. Vào tháng 8 năm 2020, Tập đoàn Năng lượng hạt nhân Nhà nước Rosatom (cơ quan nguyên tử nhà nước của Nga) đã cho công bố đoạn phim 40 phút về hành trình của quả bom từ nhà máy sản xuất đến khi kết thúc thử nghiệm. Thời điểm bắt đầu đếm ngược để kích hoạt là mốc 22:20 trong đoạn phim được đăng lên Youtube dưới đây:
Thủ tướng Liên Xô Nikita Khrushchev đã đích thân ủy thác việc chế tạo Tsar Bomba vào tháng 7 năm 1961. Trong khi Krushchev muốn có món vũ khí với sức công phá 100 megaton để cạnh tranh với chương trình hạt nhân của Mỹ, các kỹ sư cuối cùng đã giới thiệu cho ông một phiên bản 50 megaton – tương đương với 45 triệu tấn thuốc nổ TNT – do lo ngại bụi phóng xạ khi thử nghiệm có thể bay tới Mat-xcơ-va. Ngay cả khi chỉ có một nửa sức công phá so với yêu cầu, quả bom vẫn có sức mạnh khó tin. Tsar Bomba mạnh hơn hàng nghìn lần so với hai quả bom hạt nhân do Hoa Kỳ thả xuống Hiroshima và Nagasaki trong Thế chiến thứ hai, và khiến cho vụ nổ của Castle Bravo – vũ khí hạt nhân mạnh nhất từng được Hoa Kỳ thử nghiệm – trông như món đồ chơi trẻ con chỉ khi có sức công phá 15 megaton.
Đoạn phim mới cho thấy Tsar Bomba có kích thước rất lớn, nặng hơn 24 tấn và dài bằng một chiếc xe buýt. Một máy bay ném bom đã phải được sửa lại, bỏ đi một phần khoang nhiên liệu và tháo bỏ cửa khoang chứa bom. Chiếc máy bay ném bom Tu-95V mang số hiệu 5800302 chở món vũ khí khổng lồ bay qua quần đảo Novaya Zemlya ở Bắc Cực của Nga, sau đó thả nó xuống bằng dù trước khi bay ra khỏi khu vực. Theo dự tính của các kỹ sư, tác động của vụ nổ cũng như ảnh hưởng của phóng xạ sẽ tác động mạnh đến máy bay, và khả năng sống sót của phi công là chưa tới 50%. Vụ nổ mạnh đến nỗi nó quả thực đã hất văng máy bay khỏi bầu trời, khiến máy bay rơi tự do hơn 1000m trước khi phi công có thể điều khiển bình thường trở lại.
Quả cầu lửa xuất hiện khi quả bom phát nổ được ước tính có đường kính vào khoảng 8km, và được kích nổ khi cách mặt đất 4km. Đáng lẽ ra quả cầu lửa sẽ chạm xuống mặt đất, nhưng chính sóng xung kích của nó dội lại và đẩy nó ngược lên cao. Một nhân chứng trên máy bay thả bom tả lại rằng:
“Những đám mây bên dưới máy bay và phía xa đã được rọi sáng bởi một luồng sáng cực mạnh. Biển ánh sáng lan tỏa bên dưới máy bay và ngay cả những đám mây cũng bắt đầu phát sáng và dần trở nên trong suốt. Vào lúc đó, máy bay của chúng tôi thoát ra giữa hai tầng mây, và tôi nhìn thấy trong khoảng trống một quả bóng màu cam sáng khổng lồ đang nổi lên. Quả cầu mạnh mẽ và kiêu ngạo như Sao Mộc. Nó từ từ và âm thầm len lỏi lên phía trên… Sau khi xuyên thủng lớp mây dày, nó cứ lớn dần lên. Nó dường như hút cả Trái đất vào trong đó. Cảnh tượng thật tuyệt vời, không có thật, siêu nhiên.”
Tất cả các tòa nhà ở làng Severny nằm cách 55km trong phạm vi thử nghiệm đã san phẳng. Tại các khu vực cách hàng trăm cây số, những ngôi nhà bằng gỗ bị phá hủy, những ngôi nhà bằng đá bị tốc mái, cửa sổ và cửa ra vào, và liên lạc vô tuyến trong khu vực bị gián đoạn trong gần một giờ. Sức nóng từ vụ nổ có thể gây bỏng độ ba ở khoảng cách 100km. Một làn sóng xung kích lan trong không trung tới tận khu định cư Dikson cách đó 700km; các cửa sổ bằng kính bị hư hại trong khoảng cách lên đến 900km. Do vụ nổ xảy ra ở trên không, ảnh hưởng của quả bom lan ra xa hơn, phá vỡ các cửa sổ ở Na Uy và Phần Lan. Mặc dù được kích nổ cách mặt đất 4,2km, cường độ sóng địa chấn của nó được ước tính vào khoảng 5,0–5,25 Richter.
Tuy có sức nổ cực lớn, nhưng Tsar Bomba lại là một trong những vụ nổ sạch nhất trong lịch sử các vụ thử hạt nhân trong khí quyển tính theo mỗi đơn vị công suất. Giai đoạn đầu của quả bom là kích nổ lõi uranium có công suất 1,5 megaton để tạo ra đủ năng lượng kích hoạt quá trình nhiệt hạch. Giai đoạn này sản sinh ra một lượng lớn bụi phóng xạ. Tuy nhiên, hơn 97% năng lượng nổ của cả quả bom được cung cấp bởi phản ứng nhiệt hạch, loại phản ứng không tạo ra ô nhiễm phóng xạ.
Việc chế tạo và thử nghiệm siêu bom có tầm quan trọng chính trị to lớn: Liên Xô đã chứng tỏ tiềm năng của mình trong việc tạo ra kho vũ khí hạt nhân có sức mạnh vô hạn (vào thời điểm đó, bom nhiệt hạch mạnh nhất mà Hoa Kỳ thử nghiệm là 15 megaton). Ảnh hưởng khủng khiếp của Tsar Bomba đã khiến cả Hoa Kỳ lẫn Liên Xô phải xem xét lại chiến lược vũ khí hạt nhân của mình, từ đó tiến đến ký kết Hiệp ước Cấm thử vũ khí hạt nhân trong Khí quyển, Không gian và Dưới nước vào năm 1963 tại Mát-xcơ-va. Tuy nhiên việc ký kết này không làm cho các nước dừng nghiên cứu vũ khí hạt nhân: giải pháp đơn giản để tiếp tục các thử nghiệm là chuyển xuống các hang động ngầm dưới đất. Cả Mỹ và Nga đều đang có nhiều cơ sở nghiên cứu vũ khí hạt nhân đặt trong các hang động tự nhiên dưới đất hoặc trong trong lòng núi.
