IV
IV
Следующим шагом на пути к бомбе был экспериментальный ядерный реактор, создание которого планировалось Курчатовым с начала 1943 г. Он намеревался использовать этот реактор для получения образцов плутония для химического и физического анализа, испытания материалов, предназначенных для промышленного реактора, и для экспериментов, которые помогли бы в проектировании этих реакторов. Хотя ответственность, лежавшая на нем, резко возросла после августа 1945 г., Курчатов взял на себя строительство экспериментального реактора. Он возглавил реакторную группу, численность которой увеличилась с 11 человек в январе 1946 г. до 76 в декабре{915}.
Работа над реактором в Лаборатории № 2 сильно затруднялась нехваткой графита и урана. И только между маем и августом 1945 г. была решена проблема получения графита требуемой чистоты, но лишь к концу года такой графит был получен в достаточных количествах{916}. Свыше 500 тонн графита поступило в 1946 г., и весь он был исследован в лаборатории на предмет примесей{917}. В январе 1946 г. завод в Электростали начал выдавать нужное количество урана в виде цилиндрических отливок, подготовленных по спецификации Курчатова для экспоненциальных экспериментов с различным размещением урана в графите. Эти эксперименты продолжались до марта и позволили Курчатову и его группе рассчитать наилучшую конфигурацию реактора. Курчатов также смог подтвердить, что уран и графит, поставляемые в лабораторию, имеют нужную чистоту{918}.
Советские ядерные объекты
Летом 1946 г. из Электростали в Лабораторию начали поступать большие партии металлического урана. В августе, однако, в Лаборатории обнаружили, что часть урана содержит слишком большую концентрацию бора{919}. Ванников прибыл в Электросталь для решения проблемы. Его тон в разговорах с заводскими руководителями был вежливым, но угрожающим, и проблема была скоро решена. Если бы примесь не была обнаружена, реактор не достиг бы критичности, поскольку бор является сильным поглотителем нейтронов{920}. Под руководством А.П. Виноградова были разработаны методы анализа примесей в уране{921}. Эти методы позднее были внедрены для контроля качества на заводе в Электростали{922}.
К июлю 1946 г. на территории Лаборатории № 2 было построено специальное здание для реактора размером 15x40 м2. Сам реактор собирали в шахте глубиной 7 метров. Там располагалась лаборатория, защищенная от радиации 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. Для измерения уровня радиации вокруг здания размещались дозиметры, на здании были установлены сирены и световая сигнализация для предупреждения об опасном уровне радиации{923}. В августе, сентябре и октябре Курчатов и его группа построили четыре модели реактора, используя весь уран, бывший в их распоряжении.
Были проведены эксперименты для определения радиуса активной зоны реактора. Она не могла быть определена теоретически из-за вариаций в степени чистоты графита и урана. Эксперименты показали, что активная зона должна иметь радиус 3 метра, и понадобится около 500 тонн графита и 50 тонн урана{924}. Кладка реактора началась 15 ноября 1946 г. Полная структура реактора представляла кубическую решетку урана, погруженную в графитовую сферу. Реактор контролировался тремя кадмиевыми стержнями, которые могли подниматься и опускаться внутрь него; кадмий является сильным поглотителем нейтронов, и присутствие его стержней в реакторе прекращает развитие цепной реакции. Через центр реактора проходил горизонтальный туннель размером 40x60 см, в котором размещались исследуемые материалы и приборы для измерений{925}.
20 декабря 1946 г., когда к реактору был добавлен пятидесятый слой, стало ясно, что критичность будет достигнута при 55 слоях вместо планируемых 76. Теперь Курчатов и его коллеги действовали очень осторожно, поскольку реактор приближался к критическому состоянию. В два часа дня 25 декабря был добавлен пятьдесят четвертый слой. Курчатов попросил всех, кто не был непосредственно занят измерениями, покинуть здание; он и пять человек из его группы остались{926}. В шесть часов вечера 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 заглушил его{927}.
Как только реактор был пущен, некоторые из тех, кто работал на нем, поспешили к зданию, чтобы увидеть его в действии. «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»{928}. Курчатов, который более шести лет думал о цепной реакции, был счастлив. «Атомная энергия, — сказал он тем торжественным тоном, которым пользовался в действительности, или тем, который ему приписывают в подобных случаях, — теперь подчинена воле советского человека!»{929} Запуск реактора стал первой важной вехой на пути к бомбе{930}.
Несколько дней спустя в лабораторию пришел Берия, для которого была устроена специальная демонстрация нового реактора. Он стоял рядом с пультом управления, когда Курчатов поднимал управляющий стержень. Послышались щелчки регистрирующих нейтроны приборов, частота их возрастала, переходя в непрерывный вой, а стрелку гальванометра зашкалило. Присутствующие ученые «радостно воскликнули “пошла”, имея в виду начавшуюся цепную реакцию. “И это все?” — явно разочарованно спросил Берия. — И больше ничего? А можно подойти к реактору?” Игорь Васильевич остановил: “Нет”», предупредив, что это было бы опасно для его здоровья. Запуск реактора был намного менее впечатляющим, чем полет нового самолета или испытание нового танка. Из-за того, что мало что можно было увидеть при этой «демонстрации», Берия не мог быть уверенным, что Курчатов не втирает ему очки{931}.
Параметры реактора Ф-1 (Физический-1) были в целом подобны сборке, построенной Ферми в Чикаго в декабре 1942 г. В сборке Ферми было задействовано 400 тонн графита, б тонн металлического урана и 50 тонн окиси урана, тогда как в Курчатовском реакторе использовалось около 400 тонн графита и 45,07 тонн урана{932}. Это сходство объясняется желанием в обоих случаях построить реактор как можно скорее из графита и природного урана; никакого другого объяснения и не требуется, хотя в докладе Смита приводится детальное описание конструкции чикагской сборки{933}. Чикагская сборка не давала больше 200 ватт, ограничение определялось радиационной опасностью для персонала внутри и снаружи корта для сквоша, где она была собрана{934}. Курчатов хотел производить плутоний, испытывать материалы и проводить эксперименты, и потому он предпринял шаги, чтобы работать при большей мощности, чем 200 ватт, обеспечив защиту и дистанционное управление. Реактор Ф-1 давал 100 ватт в тот день, когда достиг критичности, и позднее (после добавки графита и урана) работал при коротких всплесках мощности до 3800 киловатт; он мог бы работать на уровне нескольких десятков ватт в течение долгого периода{935}. В первые месяцы 1947 г. в сборку были добавлены новые слои графита и урана для увеличения мощности. При длительных периодах функционирования реактор управлялся со специального пульта, расположенного на расстоянии 1–1,5 км{936}.
Курчатов перенес свое внимание на реактор-производитель задолго до того, как Ф-1 достиг критичности. В мае 1945 г. он решил, — вероятно, на основании информации, полученной из Соединенных Штатов, — что такой реактор должен быть уран-графитовой системой[218]. Это было логичным решением, учитывая, что советская промышленность не могла поставить нужное количество тяжелой воды в ближайшем будущем{937}. Для производства одного грамма плутония в день, как указывалось в докладе Смита, требовался реактор тепловой мощности 500–1500 киловатт{938}.[219] Курчатов и его коллеги оказались перед той же проблемой, что и американцы в 1943 г.: они должны были создать реактор требуемой мощности на основе реактора, который мог работать только на гораздо меньшей мощности.
В январе 1946 г. Курчатов обратился за помощью в конструировании промышленного реактора к Николаю Доллежалю, директору Института химического машиностроения. Доллежаль начинал свою карьеру, проектируя теплоэлектростанции, и позднее работал на различных заводах химического машиностроения. Когда он рассмотрел первоначальный проект, который уже был подготовлен, тот ему не понравился. В нем предлагалось горизонтальное расположение топливных и контрольных стержней, которые вставлялись и вынимались сбоку; такого типа реакторы были построены в Хэнфорде. Вместо этого Доллежаль предложил реактор с вертикальным расположением стержней, в котором они загружались и выгружались с использованием их собственного веса. К марту 1946 г. он подготовил эскизный проект и в июне показал Курчатову чертежи. В то же время группа в Ленинграде работала над горизонтальной конструкцией реактора. В июле Научно-технический совет решил на своем заседании, продолжавшемся с короткими перерывами 92 часа, принять проект Доллежаля. Это решение было утверждено правительством в августе, за четыре месяца до того, как экспериментальный реактор достиг критичности{939}.
Доллежаль собрал конструкторскую группу в Институте химического машиностроения. Эта группа получала более высокую зарплату и лучшие продуктовые карточки, чем другие сотрудники института. Доллежаль имел правительственную связь, а в его институт был назначен «полномочный представитель Совета Министров»{940}. Курчатов находился с ним в тесном контакте. Каждые три или четыре дня он приезжал в институт посмотреть, как идет работа. «Это позволяло ему, — как писал Доллежаль, — знать все в деталях, фиксировать вопросы, которые оказывались необычными в связи с новизной дела, и принимать соответствующие решения»{941}. Хотя первый промышленный реактор, подобно экспериментальному реактору, был уран-графитовой системой, его проект поставил много новых проблем. Его энергетический выход оказался много выше, и поэтому при работе его нужно было охлаждать. Для охлаждения использовалась вода, поэтому в реакторе необходимы были трубы для подачи воды туда, где необходимо охлаждение.
Урановое топливо нужно было вынимать из реактора, чтобы выделить из него плутоний. Следовательно, иметь уран в виде блоков в графите было непрактично. Топливными стержнями, которые проходят через замедлитель, было легче управлять при загрузке и выгрузке, но их было труднее изготавливать. Более того, эти стержни нужно было защитить от контакта с водой, чтобы они не подвергались коррозии. В Хэнфорде урановые стержни были защищены или «вставлены» в защитные алюминиевые оболочки, и советские конструкторы использовали этот опыт. Следовало предусмотреть дистанционное управление, чтобы работа с реактором, а также выемка и загрузка стержней были безопасны. Следовало также предусмотреть защиту операторов реактора от радиации{942}.
Реактор Ф-1 оказался чрезвычайно полезным для поисков решения этих проблем. 30 различных решеток — с различным шагом, с урановыми стержнями различного диаметра, с водой и без нее — были испытаны в туннеле реактора, чтобы определить лучшую конфигурацию. Уран для промышленного реактора был проверен в экспериментальном реакторе, как и алюминий для оболочечных труб и топливных каналов; контроль качества графита был возложен на заводы-производители. Экспериментальный реактор использовался для изучения защитных свойств различных материалов — воды, бетона, грунта, а также железных, свинцовых и парафиновых экранов — от нейтронов и гамма-излучения, а результаты этих экспериментов использовались при проектировании защиты промышленного реактора{943}. Для изучения биологических эффектов радиации в реакторе были проведены и эксперименты с животными{944}.
Курчатов и Доллежаль столкнулись со многими трудностями. Были проблемы с изготовлением топливных урановых стержней; в 1948 г. Фуксу задали вопрос, как изготовляются стержни из металлического урана, но он не смог помочь{945}. Изготовление алюминиевых труб и оболочек топливных стержней также было узким местом. Зная из доклада Смита о «проблеме оболочки», как одной из самых трудных, Курчатов организовал в начале 1946 г. исследования в четырех разных институтах по методам герметизации топливных стержней, и в конце концов решение было найдено{946}.