Реактор Курчатова

Реактор Курчатова

Советский атомный проект напоминал крупнейшие строительные проекты 1930-х годов – возведение Магнитогорска и Днепростроя. Героическое предприятие, на которое нужно было мобилизовать ресурсы всей страны, включая лучших ученых и руководителей производства, а также заключенных ГУЛАГа.

Нет достоверных данных о стоимости проекта или о числе вовлеченных в него людей. Некоторое представление о масштабах дает, однако, доклад Центрального разведывательного управления США, в котором число занятых в советском атомном проекте оценивается в пределах от 330 до 460 тысяч человек. Большинство из них, от 255 до 361 тысяч, работало в горнодобывающей промышленности, 50–60 тысяч человек были заняты в строительстве, 20–30 тысяч – на производстве, и 5–8 тысяч занимались исследованиями. Хотя оценки американцев носят приблизительный характер, они выглядят правдоподобными.

Первая проблема состояла в том, чтобы найти уран. Ее решение уже нельзя было откладывать. Она усугублялась еще и тем, что Соединенными Штатами и Великобританией в июне 1944 года с целью контроля над мировыми запасами урана и тория был учрежден «Объединенный трест развития», возглавляемый Лесли Гровсом. Гровс полагал, что Советский Союз не сможет получить достаточное количество урана для своего проекта из шахт в Чехословакии, и был намерен препятствовать получению урана из других источников. Его оценка оказалась ошибочной. В 1947 году советские и восточноевропейские рудники добыли свыше 100 тонн оксида урана, а в следующем году резко нарастили добычу.

Задача получения металлического урана была поставлена перед немецким физиком Николаем Рилем. Его привезли в Москву в июне 1945 года, и бывший петербуржец сразу приступил к работе. Под производство чистого урана Авраамий Завенягин выбрал Электросталь – город, расположенный в семидесяти километрах к востоку от Москвы. Там был завод боеприпасов № 12, а также мастерские, электростанция, большая автобаза, высококвалифицированные рабочие. Риль был обрадован таким выбором, считая, что работать будет там легче, чем в столице. С урановой обогатительной фабрики в Ораниенбурге было демонтировано и вывезены в Электросталь все оборудование, пережившее американские бомбардировки. В четвертом квартале 1945 года при активном участии немецких специалистов завод № 12 выпустил первую партию металлического урана массой 137 килограммов, о чем было немедленно доложено Сталину.

Тем не менее производство чистого урана в промышленных масштабах оказалось трудной задачей. К концу 1945 года завод был готов лишь частично, и строительство явно не укладывалось в сроки, установленные правительством. Атмосфера становилась напряженной и неприятной, и в начале 1946 года на завод прибыл сам Завенягин для инспекции и стимуляции работ. Обстановка нормализовалась после того, как группе Риля удалось получить несколько тонн двуокиси урана достаточной чистоты для экспериментов, которые хотел провести Игорь Курчатов. А к октябрю 1946 года завод № 12 давал Лаборатории № 2 около трех тонн металлического урана в неделю.

Следующим шагом на пути к бомбе был экспериментальный реактор Ф-1 (первый физический), создание которого планировалось Игорем Курчатовым с начала 1943 года. Хотя зона ответственности, лежавшей на нем, резко возросла после августа 1945 года, Курчатов продолжал руководить строительством реактора. При этом численность его группы заметно увеличилась: с одиннадцати человек в январе 1946 года до семидесяти шести – в декабре.

Летом 1946 года из Электростали в Лабораторию № 2 начали поступать большие партии металлического урана. Вскоре физики обнаружили, что часть урана содержит повышенную концентрацию бора. Борис Ванников поехал в Электросталь разбираться с проблемой. Его тон в разговорах с заводскими руководителями был вежливым, но угрожающим, и проблема была вскоре решена. Если бы примесь не была выявлена, реактор не достиг бы критичности, поскольку бор является сильным поглотителем нейтронов.

К июлю 1946 года на территории Лаборатории № 2 было построено специальное здание для реактора размером 15 Ч 40 метров; из соображений секретности его называли в документах «монтажными мастерскими». Сам реактор собирали в шахте глубиной 7 метров, окруженной мощными бетонными стенами и толстым слоем земли и песка. Вход в реактор походил на лабиринт из блоков свинца, парафина и борной кислоты. Две независимые подстанции давали электрический ток, необходимый для управления реактором. Измерение уровня радиации осуществлялось системой дозиметров, установленных внутри и снаружи здания.

Как и первый американский реактор, построенный под руководством Энрико Ферми, в реакторе Ф-1 использовались металлический уран с природным содержанием изотопа уран-235 (около 0,7 %) и графит в качестве замедлителя. Кадмиевые стержни управляли потоком нейтронов. Реактор не имел системы охлаждения, поэтому длительная работа на сколько-нибудь большой мощности была невозможна.

Курчатов решил продвигаться к расчетному диаметру «котла», составлявшему около 6 метров, шажками, начав с небольшой модели. Первая уран-графитовая сферическая сборка имела диаметр 1,8 метра, а предпоследняя, четвертая – 5,6 метра. Все работы вручную выполнял коллектив так называемого Сектора № 1 численностью тридцать человек, среди которых около четверти составляли женщины. Сотрудникам пришлось пять раз собирать и разбирать сферу. Графитовые призмы и урановые блоки таскали на руках, а ведь в совокупности это несколько сотен тонн! Иногда в такелажных работах принимал участие и сам Игорь Курчатов.

В ноябре 1946 года началась сборка самого реактора. Для этого послойно укладывали графитовые брикеты размером 100Ч100Ч600 миллиметров с тремя цилиндрическими отверстиями, в которые вставляли урановые блоки. 20 декабря, когда к реактору был добавлен пятьдесят восьмой слой, стало ясно, что критичность будет достигнута гораздо раньше, чем при расчетных семидесяти шести. Теперь Курчатов и его коллеги действовали очень осторожно. Днем 25 декабря был добавлен шестьдесят второй слой. Курчатов попросил всех, кто не был непосредственно занят измерениями, покинуть здание. Он сам и пять человек из его группы остались. В 18.00 реактор, управляемый Курчатовым, достиг критичности, и впервые в Советском Союзе (да и во всей Европе) была получена цепная ядерная реакция. Курчатов оставался за пультом управления всю ночь и поднял мощность реактора до 100 ватт, прежде чем заглушить его.

Как только реактор был запущен, некоторые из Сектора № 1 поспешили к «монтажным мастерским», чтобы увидеть сам процесс. «Это был для всех нас волнующий и радостный вечер, – писал один из присутствующих. – Сдержанно, как то позволяла рабочая обстановка, но тепло и искренне мы поздравляли друг друга с необычным и особенным Рождеством». Игорь Курчатов был счастлив. «Атомная энергия, – сказал он торжественным тоном, – теперь подчинена воле советского человека!»

Об успешном пуске котла Курчатов сразу же сообщил Лаврентию Берии. Тот, не очень доверяя ученым и желая перед докладом Сталину убедиться во всем своими глазами, попросил Курчатова на следующий день еще раз запустить ядерную реакцию в его присутствии. Пуск «котла», естественно, повторили.

В исходном варианте Ф-1 содержал 35 тонн чистого урана и 436 тонн чистого графита. Затем сборку увеличили, чтобы поднять мощность. В реакторе Ф-1 были получены значительные (так называемые «весовые») количества плутония. Блоки, в которых часть урана-238 превратилась в плутоний, доставили в НИИ-9, находившийся под руководством Андрея Анатольевича Бочвара. Сотрудники института выделили новый элемент и приступили к исследованиям его ядерных и физико-химических свойств, без чего невозможно было сконструировать атомную бомбу.

Чтобы наработать необходимое химикам количество плутония, реактор нужно было хотя бы периодически выводить на мощность в несколько сотен киловатт. Но поскольку серьезной биологической защиты у него не было, около здания отмечался очень высокий радиационный фон. Поэтому во время работы на форсированном режиме реактором управляли из помещения, расположенного на расстоянии около 500 метров, а на крыше «монтажных мастерских» загорался большой красный фонарь, предупреждавший сотрудников Лаборатории № 2 об опасности.

Даже когда практическая надобность в реакторе Ф-1 отпала, его решили не разбирать, как это сделали американцы с первым реактором Ферми. Ветеран продолжает работать на старом месте, и благодаря высокой стабильности нейтронного потока его используют в качестве эталона для обучения студентов-физиков и для калибровки аппаратуры, используемой на реакторах новых атомных электростанций. Согласно расчетам, Ф-1 способен проработать еще 700 лет.

Опыт эксплуатации Ф-1 позволил приступить к строительству на Урале промышленного «котла» А-1 («Аннушка») мощностью 100 тысяч киловатт («Строительство № 859»). Место, в пятнадцати километрах к востоку от города Кыштыма и в восьмидесяти километрах к северо-западу от Челябинска, было выбрано Авраамием Завенягиным в самом конце 1945 года. Он хорошо знал этот район, поскольку, став депутатом в декабре 1937 года, представлял Кыштымский округ в Верховном Совете. Новый комбинат был назван Челябинск-40 в соответствии с практикой давать секретным заводам название близлежащего города и номер почтового ящика. Он должен был стать советским эквивалентом американского комплекса в Хэнфорде.

Челябинск-40 (впоследствии получивший название Озёрск) был возведен на необычайно красивой территории среди озер, гор и лесов. Место имело также и практические преимущества: поблизости были озера Иртяш и Кызылтяш, содержащие огромные запасы воды, которая необходима для охлаждения реактора; в районе была отличная по тем временам линия электропередачи; район прилегал к железной дороге и шоссе, был близок к индустриальным центрам Урала, которые могли обеспечить комбинат материалами; он располагался внутри страны и был менее уязвим для нападения вражеской авиации. В первые месяцы 1946 году там были проложены новые подъездные дороги и подготовлена площадка для строительства; рытье котлованов под фундаменты началось летом. Завенягин поставил во главе строительства генерал-майора Якова Давидовича Рапопорта, который в 1930-е годы был одним из ответственных за строительство Беломорско-Балтийского канала. Та стройка вошла в историю трагической страницей из-за неоправданной гибели свыше десяти тысяч заключенных, работавших на ней. Челябинск-40 также строился заключенными, причем одновременно работало не менее 70 тысяч человек.

Осенью 1946 года был заложен фундамент для главного здания реактора, и к концу 1947 года оно было готово. К этому времени физики получили достаточное количество материалов для И-1. Курчатов и Ванников приехали в Челябинск-40 в начале 1948 года для наблюдения за сборкой реактора. Сборка реактора началась в начале марта. Перед этим Курчатов произнес прочувствованную речь:

Здесь, дорогие мои друзья, наша сила, наша мирная жизнь на долгие-долгие годы. Мы с вами закладываем промышленность не на год, не на два <…> на века. «Здесь будет город заложен назло надменному соседу». Надменных соседей еще хватает, к сожалению. Вот им назло и будет заложен! Со временем в нашем с вами городе будет все – детские сады, прекрасные магазины, свой театр, свой, если хотите, симфонический оркестр! А лет так через тридцать дети ваши, рожденные здесь, возьмут в свои руки все то, что мы сделали. И наши успехи померкнут перед их успехами. Наш размах померкнет перед их размахом. И если за это время над головами людей не взорвется ни одна урановая бомба, мы с вами можем быть счастливы! И город наш тогда станет памятником миру. Разве не стоит для этого жить?..

К концу мая сборка реактора была в основном завершена, а первый запуск состоялся 18 июня 1948 года. В июле реактор начал работать согласно плану производства плутония, но возникли неожиданные проблемы. Началась сильная коррозия алюминиевой оболочки топливных стержней. Еще более серьезной проблемой стало разбухание топливных стержней и возникновение складок и выступов на поверхности урана – стержни застревали в охлаждающих трубах. Представители Берии заподозрили саботаж, но Курчатов заявил, что вполне можно ожидать сюрпризов в поведении материалов в сильных нейтронных полях. Реактор нужно было заглушить, уран вынуть и исследовать, а образовавшийся плутоний извлечь. В проекте реактора сделали изменения, и все проблемы были решены.

Вторым элементом атомного проекта в Челябинске-40 был «объект Б» – радиохимический завод, где плутоний выделялся из урана, облученного в реакторе. Завод по выделению плутония был готов в декабре 1948 года и начал производить этот элемент в начале следующего года. Вместе с ним был построен «объект С» – хранилище радиоактивных отходов, ставшее печально известным вследствие аварии 1957 года.

Третьей составляющей Челябинска-40 был «объект В» – химико-металлургический завод, где выделенный плутоний очищали и перерабатывали в металл для бомб. Первый «продукт» (концентрат плутония, предварительно очищенный от основной массы урана и продуктов деления) поступил на переработку 26 февраля 1949 года. Растворы привозили на машине в металлических контейнерах, затем разливали в «стаканы». Освоение процесса шло трудно: с радиохимического завода часто приходил некондиционный продукт, большое количество примесей осложняло процесс очистки.

Физик Лия Павловна Сохина, работавшая на «объекте В», вспоминала:

Анализируя начало работы атомного предприятия спустя десятки лет, можно определенно сказать, что если реакторное производство и металлургию плутония освоили и подняли мужчины (женщин-физиков и металлургов было мало), то химическую технологию выделения плутония из облученных урановых блоков и очистку плутония до спектрально чистого состояния вынесли на своих плечах в основном женщины, молодые девушки. При этом надо сказать, что на химиках лежала самая неблагодарная, самая «грязная» и вредная работа.

Нередко на рабочие места аппаратчиков становились сами ученые, стараясь вникнуть в суть возникающих проблем. Неожиданности подстерегали на каждом шагу: то оксалат плутония начинал гореть пламенем в сушильном шкафу, то осадки пироксида разлагались с выбросом раствора из «стакана». Тем не менее к июню 1949 года на заводе было накоплено достаточно плутония для изготовления первой атомной бомбы.

Расширение комбината в Челябинске-40 не прекращалось и после создания бомбы. В сентябре 1950 года вступил в строй второй уран-графитовый реактор, за ним запустили еще два аналогичных реактора в апреле 1951 года и сентябре 1952 года. В январе 1952 года был запущен небольшой реактор для получения изотопов. Тогда же был построен реактор на тяжелой воде.

Одновременно со строительством в Челябинске-40 были выбраны площадки под газодиффузионный и электромагнитный комбинаты для обогащения урана.

Первый («Комбинат № 813», «Завод Д-1») должен был строиться на Среднем Урале, около Невьянска, примерно в пятидесяти километрах к северу от Свердловска; ему дали кодовое название Свердловск-44 (ныне город Новоуральск).

Второй («Завод № 814», «База № 9») возводили на Северном Урале, в Северной Туре, он был назван Свердловск-45 (ныне город Лесной). Научными руководителями этих двух заводов были назначены Исаак Кикоин и Лев Арцимович.

Однако там дела не шли гладко. Строительство электромагнитного завода в Свердловске-45 закончилось в 1948 году. Когда он начал производство, в конце последнего каскада вообще не оказалось конечного продукта, и даже в 1949 году степень обогащения изотопом уран-235 достигала только 40 % – намного меньше требуемых для бомбы 90 %. Уран, обогащенный до 40 %, был привезен в Лабораторию № 2, и после месяца круглосуточной работы Лев Арцимович и его группа, используя экспериментальную установку, получила 400 граммов урана, обогащенного до 92–98 %.

В ноябре 1949 года немецким ученым поручили помочь в доработке газодиффузионного процесса. Шесть физиков были привезены в Свердловск-44. На следующий день после их прибытия Ванников и Кикоин ознакомили ученых с возникшими трудностями. Исаак Кикоин объяснил, что завод не достиг ожидаемого уровня обогащения – получено только 50–60 % вместо требуемых 90 % и выше. Кроме того, сказал он, большая часть гексафторида урана в процессе диффузии вообще исчезает. Возможно, дело в коррозии, но химический анализ не мог показать, почему теряется уран. Немцы, однако, оказались не в состоянии помочь. Берия прибыл на завод и дал Кикоину и его коллегам три месяца для решения проблемы. В конце концов было обнаружено, что уран теряется внутри компрессоров: их роторы имели арматуру из многослойного железа, внутренние слои были влажными и реагировали с гексафторидом урана. Группа Кикоина устранила проблему и начала получать высокообогащенный оружейный уран.

Командно-административная система оказалась способной мобилизовать ресурсы в огромном масштабе и направить их на атомный проект. Сталин и Берия приняли дорогостоящую стратегию нескольких альтернативных путей к бомбе. Принципу избыточности следовали почти во всех частях проекта: плутоний и уран-235, графитовый и тяжеловодный реакторы, газодиффузионное и электромагнитное разделение изотопов. Выбор именно такой стратегии означает, что главным для Сталина было время.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.