ツァーリ・ボンバ
実験指示
ソ連のニキータ・フルシチョフ第一書記は1961年7月10日、第22回ソビエト連邦共産党大会開催中の10月下旬にこの爆発実験を行うよう指示を出した。その時点で実施日まで15週しかなかったが、実験に用いるAN602はすでに完成していた。
この当時、世界情勢は極めて緊迫した状態にあった。1961年8月のベルリンの壁建設開始、数ヶ月前に発表されたソ連による核実験のモラトリアム中止、後のキューバ危機に結びつくキューバへの核配備計画実施などのためである。そのような状況下での実験は世界中を震撼させた。
設計
ツァーリ・ボンバは本来、核分裂-核融合-核分裂という3段階の反応により100メガトンの威力を実現する多段階水爆（Staged Radiation Implosion Bomb）である。しかし、100メガトン級の爆発ともなればソ連領内の人口密集地へ多量の放射性降下物（死の灰）が降ってくることが予想されたため、実験にあたっては第3段階目のウラン238の核分裂を抑えるようにタンパーが鉛に変更され、出力は50メガトンに抑制された。この結果、放出される放射性物質の量はその出力の割にはかなり小規模なものとなった。
設計はソ連の核開発秘密都市アルザマス16でソ連科学アカデミーのユーリ・ハリトンを中心とし、後に「ソ連水爆の父」とも呼ばれるアンドレイ・サハロフ、ヴィクトル・アダムスキー、ユーリ・ババエフ、ユーリ・スミルノフ、ユーリ・トゥルトネフなどのメンバーが参加した。サハロフはツァーリ・ボンバの爆発実験の後、核兵器反対を唱えるようになったという。
実験
ツァーリ・ボンバは特別な改修をうけたTu-95戦略爆撃機によって運搬・投下された。この時のパイロットはアンドレイ・ドゥルノフツェフ中佐（Дурновцев, Андрей Егорович）であった。測定・撮影用にはTu-16Vが随行していた。熱線による被害を最小限に抑えるため、この2機には特殊な白色塗料が塗られ、Tu-95では重量27トン、全長8メートル、直径2メートルと巨大なツァーリ・ボンバを搭載するために爆弾倉の扉と翼燃料タンクが取り外され、それでも収まらなかったので半埋め込み式で搭載された。Tu-95が当時のソ連爆撃機の中では最大級であったことからも、ツァーリ・ボンバの巨大さをうかがい知ることができる。
ツァーリ・ボンバには投下機が爆心地から45キロメートル程にある安全圏へ退避する時間を与えるために重量800kgにも達する多段階の減速用パラシュートが取り付けられた。
午前11時32分、ツァーリ・ボンバは北極海にあるソ連領ノヴァヤゼムリャ（73.85°N 54.50°E）上空で投下された。投下高度は10,500メートルで、内蔵された気圧計によって高度4,000メートル（海抜4,200メートル）に降下した時点で爆発した。一次放射線の致死域（500rem）は半径6.6キロメートル、爆風による人員殺傷範囲は23キロメートル、致命的な火傷を負う熱線の効果範囲は58キロメートルにも及んだと見られている。
爆発による火球の下部は地表まで届き、上部は投下高度と同程度まで到達した。火球は1,000キロメートル離れた地点からも観測された。生じたキノコ雲は高さ60キロメートル、幅30-40キロメートルであった。上述の通り、核分裂による放射性汚染はわずかだった。この爆発による衝撃波は地球を3周してもなお空振計に記録され、日本の測候所でも衝撃波到達が観測された。
当初、アメリカはツァーリ・ボンバの爆発力を57メガトンと推測していたが、1991年に公開されたソ連の関連資料により実際は50メガトンであったことが判明した。威力を半分に抑えた当爆弾ではあるが、その威力は単一の兵器として人類史上最大である。ちなみに、アメリカが開発した最大の核爆弾B41の核出力は最大で25メガトンであるとされ、核爆発実験では1954年3月1日のキャッスル作戦（ブラボー実験）の15メガトンが最大である。
TNT換算50メガトンの爆発では2.1×10¹⁷ジュール（= 210PJ）のエネルギーが解放される。爆発中の平均仕事率は5.3×10²⁴ワット（= 5.3YW）に相当し、太陽の光度の約1.4パーセントにあたる。