История ракетно-ядерной гонки США и СССР - Евгений Вадимович Буянов

Монтаж реактора Ф-1

В ноябре 1946 года началась сборка реактора – послойно укладывали графитовые брикеты 100×100×600 мм с тремя цилиндрическими отверстиями, в которые укладывались урановые блоки (в первом реакторе СР-1 Ферми блоки были шаровыми, а в советском реакторе – цилиндрическими). Сборку сферы реактора производили 5 раз, каждый раз увеличивая её размеры до сферы диаметром до 7,5 м с размещением урана в активной зоне диаметром с 1,8 до примерно 6 м.

20 декабря, когда к реактору добавили 58-й слой, стало ясно, что критичность будет достигнута ранее, чем при расчётных 76-ти слоях. 25 декабря добавили 62-й слой, и в 18.00 реактор, управляемый Курчатовым, достиг критичности. При извлечении из активной зоны поглощающих стержней из кадмия (кроме последнего, извлечённого частично) на нём возникла цепная ядерная реакция. Курчатов достиг мощности 100 ватт, прежде чем заглушил реактор. Счётчики нейтронов показали нарастание их потока с коэффициентом размножения, близким к единице, причём их поток продолжал нарастать, пока это нарастание не останавливали регулирующими стержнями. Очень похожей выглядела картина пуска Энрико Ферми самого первого в мире реактора «СР-1» на 57-м уложенном слое уран и графита 2 декабря 1942 года.

Первый советский реактор («котёл») Ф-1 был ещё очень несовершенен, но опыты на нём позволили сделать важнейшие выводы и о том, как управлять ядерными реакциями, и какими делать новые реакторы. На нём получили небольшие «весовые» количества плутония-239, которые позволили определить свойства этого нового трансуранового элемента и сравнить с результатами исследований плутония, полученного на ускорителе.

В исходном варианте Ф-1 содержал 35 тонн чистого урана и 436 тонн чистого графита, но затем сборку увеличили до 50 т урана для повышения мощности со 100 Вт до 1 МВт. Реактор имел горизонтальный туннель через центр с сечением 40 на 60 см, в котором размещали исследуемые материалы и измерительные приборы. Первый реактор не имел системы охлаждения – тепло поглощалось графитовыми блоками. Поэтому мощность была невелика, и невелик был выход плутония. Реактор имел ещё очень несовершенную защиту от излучений: защищены экранами, стенами были только отдельные пульты и комнаты его управления, а роль внешней защиты выполняли стены, крыша здания и грунт, в который была заглублена реакторная установка. Поэтому при выходах на критические режимы работы большую часть персонала удаляли на 500 м в специальное здание. Реактор Ф-1 не разобрали, а сохранили, и он продолжает работать сейчас в режиме «эталона» для обучения студентов и калибровки аппаратуры. И как музейный экспонат. Параметры реактора Ф-1 были близки к параметрам реактора Ферми в Чикаго: 400 т графита, 45,07 т урана, а в реакторе Ферми: 6 т металлического урана и 50 т окиси урана.

Взрывчатку для первой советской атомной бомбы РДС-1 создали в Челябинске-40 (Озёрске), – «сороковке», – на комбинате № 817 (ПО «Маяк»), где возвели мощные ядерные реакторы для выработки плутония-239 из природного урана. Требовалось не только получить плутоний в реакторах, но и химическими методами выделить из каждой тонны примерно от 100 до 400 граммов оружейного плутония. Для этого на комбинате 817 параллельно строились заводы «Б» и «В» для выделения плутония из топливных сборок реакторов. Здесь директором комбината до 1947 года был будущий министр Среднего машиностроения Е. П. Славский (в прошлом – будённовец), с 1947 г. – генерал Музруков Б. Г., а научными руководителями – И. В. Курчатов и Ю. Б. Харитон. Более подробно история этой стройки, работа с реактором А и на заводах В, С комбината описаны в книге [41].

Практически все крупные участники атомного проекта в официальных отношениях и документов из-за конспирации имели другие фамилии (обычно эти фамилии создавались перефразировкой их отчества). И не под своими именами в документах фигурировала и сама «атомная бомба», и её узлы, и её материалы. Полоний был «нилоном», а плутоний был «аметилом»…

Изначально в СССР реактор с вертикальной загрузкой проектировал Н. А. Доллежаль, директор НИИ химического машиностроения, а горизонтального – Б. М. Шелкович, руководитель конструкторского бюро Подольского машиностроительного завода. Принят был вариант Н. А. Доллежаля (академик с 1962 г.), – он в 1954 создал и запустил первую в мире атомную электростанцию в Обнинске, а также руководил созданием многих ядерных реакторов для судовых установок и атомных электростанций. Военными строителями при постройке атомных объектов «сверху» ставил задачи и осуществлял руководство снабжением строек генерал-майор Александр Николаевич Комаровский (в 1972 – генерал армии) – выдающийся строитель атомной и ракетной инфраструктур страны.

Доллежаль Николай Антонович. 27.10.1899-20.11.2000

Курчатов Игорь Васильевич. 12.12.1903–07.02.1960

Комаровский Александр Николаевич. 07.05.1906-19.11.1973

Музруков Борис Глебович. 23.09.1904–31.01.1979

Славский Ефим Павлович. 26.10.1898–21.11.1986

Первые советские уран-графитовые ядерные реакторы для производства оружейного плутония были ещё недостаточно совершенны, – при их постройке и пуске возникли очень серьёзные технически проблемы.

Реактор А стал в СССР и первым крупным промышленным реактором, и первым крупным экспериментальным реактором после самого первого реактора Ф-1, на котором Курчатов получил цепную ядерную реакцию. Реактор имел 1168 топливных каналов (ТК) и диаметр 9,4 м (см. [20], c.249). Такую сложную и крупную техническую систему не могли создать только для экспериментов и отработок конструкций. На нём пришлось, и создавать плутоний для первой бомбы, и учиться работать, и отрабатывать новые технологии управления, обслуживания, ремонта, утилизации отходов, защиты персонала. Технологии эти вначале оказались совершенно не отработанными. Например, как-то управлять процессом размножения быстрых нейтронов в реакторе оказалось невозможно: при возникновении цепной реакции с коэффициентом их размножения более 1, – нарастание числа нейтронов в геометрической прогрессии и, как следствие, процесса деления атомных ядер шло настолько быстро, что никакими устройствами невозможно было управлять этим процессом, переходящим во взрыв. При возникновении цепной реакции на быстрых нейтронах их количество нарастало лавинообразно по законам геометрической прогрессии. Условно: нейтрон делил атомное ядро, и при этом образовывались два новые нейтрона, которые делили уже 2 атома с выходом уже 4-х нейтронов и т. п. Нейтроны двигаются с огромными скоростями и проходят расстояние до столкновения с ядром в миллиардные доли секунды. Конечно, основание прогрессии (2 или какое-то другое число более 1) зависело от многих факторов. В «докритических» массах ядерной взрывчатки коэффициент размножения нейтронов не превышал 1 из-за большой потери нейтронов, которые уходили во внешнюю среду из объёма заряда. Но если поставить в реакторной сборке замедлитель нейтронов и уменьшить их пробег для взаимодействия с ядрами урана, а снаружи поставить отражатель, который вернёт назад часть нейтронов, – тогда можно