Решающий эксперимент
К январю 1946 года советская промышленность впервые получила литой металлический уран, из которого были изготовлены по заказу Лаборатории №2 цилиндрические блоки для экспериментов с уран-графитовой решеткой первого реактора. А уже 25 декабря 1946 года под руководством Игоря Васильевича Курчатова состоялся пуск первого в Евразии ядерного реактора Ф-1. В этот день ученым Лаборатории №2 удалось осуществить управляемую цепную самоподдерживающуюся реакцию. Благодаря героическому труду ученых и инженеров уран-графитовый реактор был собран в рекордные сроки: всего за 16 месяцев! По мнению Президента НИЦ «Курчатовский институт» М. В. Ковальчука, «реактор Ф-1 стал отправной точкой для развития многих мирных ядерных направлений, в которых Россия занимает лидирующие позиции до сих пор».
В докладе И. В. Сталину о направлении работ по урану И.В. Курчатов пишет: «Практически же работы по получению атомных взрывчатых веществ должны быть сосредоточены в 1946 г. в первую очередь на уран-графитовом котле. Это направление должно быть особо выделено, как главное направление работ. Особое положение уран-графитового котла объясняется не тем, что этот метод является наилучшим (по затратам энергии, материалов, сырья и другим показателям) … Он является единственным направлением, состояние научно-технической разработки которого и обеспеченность сырьевой базой позволяет в наиболее короткий срок получить плутоний-239 в количествах, необходимых как для осуществления нескольких атомных бомб, так и для решительного качественного изменения всего хода работ по использованию внутриатомной энергии».
С января 1946 года, когда в Лабораторию №2 стал поступать уран и графит необходимого качества и в необходимых объемах, ученые и инженеры под руководством И. В. Курчатова приступили к моделированию сборки активной зоны первого реактора. В феврале 1946 года было установлено, что «проектируемый котел представлялся как некоторое рационально собранное сооружение из уран-графитовой решетки, графита, регулирующих стержней, приводимых в действие дистанционно, экспериментальных каналов и колодцев, помещенное, например, в яму в земле для защиты от радиации».
Физический уран-графитовый реактор строился для подтверждения возможности реализации цепной реакции на природном уране, испытания чистоты графита и урана и получения плутония в количестве большем, чем с помощью циклотрона. В письме на имя Л. П. Берии И. В. Курчатов обосновывает и выбор места для его строительства: «Собрать физический уран-графитовый котел в специально выстроенном для этой цели корпусе «К», расположенном на изолированной площадке Лаборатории №2 в Москве…При наличии такого Вашего разрешения можно приступить к сборке физического котла в корпусе «К» в июне 1946 года…».
Проектированием и сборкой «котла» Игорь Васильевич занимался лично, привлекая к работе лишь узкий круг специалистов из числа своих учеников. Реактор строили на территории Лаборатории №2 днём и ночью. В армейских палатках научные сотрудники, лаборанты, рабочие вручную собирали графитовые призмы с ураном, проводили эксперименты, изучали характеристики урановых блоков, выбирали их оптимальные размеры.
Палатка Лаборатории № 2 – место проведения экспериментов с ураном. Внешний и внутренний виды. Источник: Архив НИЦ КИ
Зачастую сотрудники работали с материалами, не все свойства которых ещё были известны. Так, лаборант В. К. Лосев воспоминал, как обнаружилась способность порошкообразного металлического урана легко воспламеняться и гореть. Он писал: «В лаборатории было 218 кг металлического порошка, который был рассортирован в противни размером, позволяющим задвигать их в графитовые призмы. С ними-то и приключилась беда – самопроизвольное возгорание. Получив задание для измерения вторичных нейтронов у Игоря Семеновича Панасюка, я приступил к работе. Время 18:00. Прошло примерно часа два и, после очередной перестановки источника, я спустился в землянку, звоню Игорю Семеновичу, объясняю, горит уран. Он не верит. Повторяю, что горят противни. Буквально через несколько минут он был в палатке. Вдвоем стали разбрасывать графит, который мешал приблизиться к огню. Затем, когда добрались до железок, попытались взяться за ручки, пустив в ход свои шарфы. Противни настолько раскалились, что сбросить их на пол не было возможности. Наконец нам удалось их вытащить. Панасюк попросил меня позвонить Игорю Васильевичу(Курчатову) и доложить о происходящем. Вода, которой мы пытались потушить огонь, не помогла, наоборот, пламя еще больше увеличивалось. Игорь Васильевич посоветовал водой не заливать и вскоре пришел сам. Дмитрий Семенович Переверзев (ред. – помощник И. В. Курчатова)позвонил в комендатуру, вызвал охрану. Палатку оцепили, кто-то вызвал пожарных, но их так и не пустили. Потом сотрудники охраны вырубили пол и вместе с ним вынесли противни из палатки, где их забросали песком. А в воскресенье, как просил Игорь Васильевич, пришли продолжать добивать пожар И. С. Панасюк, Б.В. Курчатов, Н.Е. Юкович и я. Только начинали освобождать уран от песка, как он тут же снова воспламенился. Стали ссыпать порошок в ведро с водой маленькими дозами. Наконец справились. Впоследствии нам выдали премию за ликвидацию пожара. Вскоре стал поступать уран с завода в виде блочков, а злосчастные противни сдали на склад».
Сортировка урановых блочков по «физическому индексу» перед закладкой в реактор. Источник: Архив НИЦ КИ.
Все работы проводились в режиме строгой секретности. В документах объект называли «монтажной мастерской» или здание «К» (корпус «Курчатова»). По воспоминаниям сотрудников Лаборатории №2, применялась особая система шифровки: котел называли «электролизером», вместо слова «уран» писали «кремний», а все участники сборки реактора написали расписку о «неразглашении характера проводимых работ. К концу 1946 года было завершено строительство первого в мире специального здания с шахтой для реактора с надежной биологической защитой, приборами внутреннего и внешнего дозиметрического контроля, дистанционным управлением реактором.
Здание Ф-1. Построено по проекту архитектурной мастерской АН СССР А. В. Щусева, арх. П.И. Сидоров. Источник: Архив НИЦ КИ.
В ноябре началась финальная сборка самого котла. Для этого послойно укладывали графитовые брикеты размером 100х100х600 мм с тремя цилиндрическими отверстиями, в которые вставляли урановые блочки. На 10-метровой глубине вручную было уложено 400 тонн графитовых блоков и 50 тонн урановых стержней.
Сборка реактора Ф-1. Источник: Архив НИЦ КИ.
У реактора Ф-1. Источник: Архив НИЦ КИ.
Вечером 25 декабря 1946 года был уложен последний 62-й слой активной зоны. Перед тем как поднять поглощающие стержни, ещё раз проверили все системы безопасности. На всякий случай возле троса, на котором был подвешен кадмиевый стержень аварийной защиты, Игорь Васильевич велел положить самый обыкновенный топор: если возникнет аварийная ситуация, а приборы защиты не сработают, трос нужно было перерубить, тогда стержень упал бы в активную зону и прервал цепную реакцию. Игорь Васильевич сам сел за пульт управления «котлом» и начал извлекать из активной зоны кадмиевые стержни. Когда, по показаниям гальванометра, выделяемая в котле тепловая мощность достигла нескольких десятков ватт, Курчатов с помощью регулирующих стержней стабилизировал процесс и, используя стержень аварийной защиты, заглушил реакцию. Всего в этот день котел проработал около четырех часов. Таким образом, 25 декабря 1946 г. в 18:00 по московскому времени уран-графитовый реактор (Ф-1), первый на евразийском континенте, был выведен И. В. Курчатовым на мощность в несколько сот ватт.
На следующий день в Лабораторию №2 приехал председатель Спецкомитета и куратор советского атомного проекта Л. П. Берия, которому И. В. Курчатов продемонстрировал решающий эксперимент – управляемую цепную реакцию деления ядер урана. На осуществление этого грандиозного проекта понадобилось всего 16 месяцев!
Докладная записка Л. П. Берии, И. В. Курчатова, Б. Л. Ванникова, М. Г. Первухина И. В. Сталину о пуске 25 декабря 1946 г. опытного уран-графитового реактора. Источник: Архив НИЦ КИ. Копия.
Спустя три дня Курчатов писал руководству страны: «С помощью построенного уран-графитового котла мы теперь в состоянии решить важнейшие вопросы проблемы промышленного получения и использования атомной энергии».
В котле Ф-1 были получены значительные, так называемые весовые, количества плутония. Блочки, в которых часть урана-238 превратилась в плутоний, были переданы сотрудникам НИИ-9. Под руководством А. А. Бочвара они выделили новый элемент и приступили к исследованиям его ядерных и физико-химических свойств, без чего невозможно было сконструировать атомную бомбу.
В том же 1946 году руководством страны было принято решение о создании Конструкторского бюро №11 при Лаборатории №2. КБ-11 были поручены работы по конструированию первого советского атомного заряда, а его главным конструктором был назначен Юлий Борисович Харитон (см. публикацию рубрики «Герой дня» от 4.06.2020). Новый ядерный центр разместили под Нижнем Новгородом в поселке Саров (впоследствии Арзамас-16). Деятельность филиала Лаборатории №2 – КБ-11 – развернулась уже весной 1947 года.
«Дедушка» отечественных ядерных реакторов – знаменитый реактор Ф-1 – исправно проработал со дня первого пуска 70 лет. По словам ветерана отечественного реакторостроения Ивана Ивановича Ларина, «частицы его "атомного огня" были в активной зоне первой в мире АЭС в Обнинске (1954) и в "ядерном сердце" первой отечественной подводной лодки (1958), и первого атомного ледокола (1959)».
Источники:
Атомный проект СССР: документы и материалы: [в 3 т.] / Под общ. ред. Л. Д. Рябева. — 1998—2010.
Лосев В. Знакомство с ураном // Курчатовский институт. История атомного проекта. — Вып. 8. — М., 1996.
Ф-1. 70 лет. Первый в Евразии ядерный реактор. М., 2016.