07 апреля 2017 Первый реактор

Как советские ученые овладели цепной ядерной реакцией

В мае 1945 г. победой антигитлеровской коалиции закончилась Вторая мировая война. И этой же весной в Великобритании был разработан первый план войны бывших союзников против СССР – операция «Немыслимое». Несколько позднее, но в том же году в США был подготовлен план («Тоталити»), в котором сокрушение СССР проводилось в основном путем нанесения массированных авиаударов с применением атомного оружия. В дальнейшем такие планы появлялись достаточно регулярно: в 1947 г. был разработан план «Хафмун», в 1948 – «Чариотер» и «Троуджен», в 1948 – «Оффтекл» и «Троян». Венцом этого штабного творчества стал план «Дропшот», утверждённый президентом США Труменом в конце 1949 г. Однако для всех упомянутых планов несущим стержнем была идея массированного ядерного удара, который должен был в считанные дни разгромить Советский Союз.

По самым приблизительным оценкам материальные потери Советского Союза в Великой Отечественной войне составили 2 трлн 600 млрд руб. Восстановление разрушенного являлось одной из важнейших задач, стоявших перед советской экономикой в послевоенные годы. И тем не менее даже в этой ситуации СССР был вынужден выделить значительную часть материальных и трудовых ресурсов на решение атомной проблемы. По сути, на тот момент овладение атомными технологиями, и в первую очередь – создание атомных боеприпасов, стало вопросом выживания государства.

Основой любого ядерного боезаряда является делящееся вещество. Именно в этом веществе и происходит цепная ядерная реакция, составляющая суть атомного взрыва. Существует несколько химических элементов (вернее – изотопов элементов), пригодных для использования в качестве делящегося вещества. При разработке советского атомного боеприпаса после длительных исследований перспективным с точки зрения простоты, стоимости и скорости производства был сочтён изотоп плутония – плутоний-239. Собственно говоря, именно это вещество производилось под названием «оружейный плутоний» в СССР и США практически до 1990-х гг. Проблема была в том, что в природе этот изотоп практически не встречается – его требовалось производить искусственно, причем производить не лабораторными дозами, а в промышленных масштабах. Основным методом получения оружейного плутония на тот момент было облучение нейтронами урана-238. Уран – достаточно редкое вещество, но, к счастью, почти весь природный уран относится именно к изотопу 238. Поэтому самым сложным было обеспечить постоянную бомбардировку «урановой мишени» потоком нейтронов. Наиболее простым способом обеспечить такую бомбардировку была управляемая цепная реакция. А для осуществления такой реакции требовалось специальное устройство – ядерный реактор. Таким образом, вопреки широко распространённому мнению, не бомба предшествовала реактору, а реактор – бомбе.

Первый в мире атомный реактор заработал в США еще в декабре 1942 г., второй был пущен в Канаде в сентябре 1945 г. Аналогичные исследования в Германии так и не вышли за пределы лабораторий и испытательных стендов.

Здание первого советского реактора (в официальных документах оно проходило как здание «К») было завершено уже к июню 1946 г. Само по себе сооружение не выглядело какой-то циклопической постройкой – площадь 15 на 40 м, высота над уровнем земли – 8,5 м. Под большей частью главного зала располагался котлован площадью 10 на 10 м и глубиной 7 м. Именно тут, в котловане главного зала, и был размещен собственно реактор. Управление реактором осуществлялось из лаборатории, примыкавшей к главному залу. Уже на заре атомной эры советские технологи уделяли особое внимание защите персонала от радиации, поэтому попасть из лаборатории в главный зал было можно лишь по узкому зигзагообразному коридору, напоминавшему лабиринт из толстых слоев свинца и блоков из смеси парафина и борной кислоты. Здание «К» обеспечивалось электроэнергией от двух независимых подстанций, но на крайне маловероятный случай выхода из строя сразу обеих подстанций реактор был обеспечен еще и аварийными батареями.

Реактор представлял собой многослойную шарообразную систему блоков графита и урана. В его конструкции  было предусмотрено 76 слоев, из них 60 составляли активную зону, где, собственно, и должна была протекать цепная реакция, и включали в себя как графитовые, так и урановые блоки; а ещё 16 слоев (8 сверху и 8 снизу) состояли только из графитовых блоков и обеспечивали изоляцию активной зоны. Для управления реактором были предназначены три поглощающих стержня, выполненных из кадмия и помещённых в дюралевые трубы. При этом центральный стержень был предназначен для управления течением цепной реакции – на нем были нанесены деления, позволявшие определять глубину его погружения в реактор.

Понятно, что никакого опыта сооружения подобных конструкций у советских ученых и инженеров не было, многое приходилось  нащупывать эмпирически. Теоретические расчеты давали лишь приблизительные значения, которые предстояло уточнять  экспериментальным путем. К сожалению, отечественная химическая промышленность была не в состоянии выдерживать качество урана и графита с надлежащей степенью точности, что еще более усложняло расчёты конструкторов и строителей реактора.

Первые 25 слоев (8 слоев нижней зоны изоляции из графита и 17 слоев рабочей зоны из графита, окислов урана и металлического урана) были собраны без особых предосторожностей, так как на этом этапе масса урана была далека от критических значений. Однако уже на 25 слое был размещен первый нейтронный детектор – прибор, позволявший определять число излучаемых нейтронов, а значит – судить о ходе атомной реакции. С 38-го слоя каждый следующий слой собирался при опущенных поглощающих стержнях. После сборки слоя стержни поднимались и проводился замер плотности нейтронов. Все чаще щелчки в репродукторе, соединенном с нейтронным детектором, сигнализировали о нарастании плотности нейтронного потока. Шаг за шагом строители реактора подбирались к критической массе. Особенно резко плотность нейтронов выросла после сборки 58-го слоя. Стало очевидно, что критическая масса, а значит – цепная ядерная реакция, придется на 62 или 63 слой.

В 15 часов 25 декабря 1946 г. был собран 62-й слой реактора. К этому моменту в реактор было уложено более 45 т урана и порядка 400 т графита. Под личным руководством И. В. Курчатова началась подготовка к пуску. Аварийные стержни были полностью извлечены из реактора и оставлены в положении «на взводе» – теперь их удерживали лишь электромагниты. Затем начался медленный подъем регулирующего стержня. После подъема на 5 см движение регулирующего стержня останавливалось и проводился замер плотности нейтронов. И еще 5 см, и еще… В 18 часов 25 декабря 1946 г. при подъеме регулирующего стержня на 26 сантиметров в первом советском реакторе началась управляемая цепная ядерная реакция. Да, это было не так эффектно, как атомный взрыв, первый реактор не мог освещать дома или обогревать микрорайоны, но это была победа. Советский Союз сделал один из важнейших шагов к овладению атомной энергией.

Вскоре первенец советского реакторостроения получил собственное имя и стал называться Ф-1 (физический – первый). Именно на Ф-1 впервые в СССР были получены существенные (т. н. «весовые») количества оружейного плутония. Да, пока его было мало, но его уже было возможно взвесить. До того советские ученые получали лишь индикаторные количества этого элемента, позволявшие судить о том, что в исследуемом образце этот плутоний вообще присутствует. Вскоре на основе изучения работы Ф-1 в СССР был построен первый промышленный реактор И-1, начавший производить оружейный плутоний в индустриальных масштабах. Тем не менее Ф-1 продолжал использоваться в исследовательских целях и был окончательно заглушен лишь в 2016 г. В настоящее время в реакторном зале открыт музей, но сам реактор Ф-1 всё ещё числится в списке инструментов Национального исследовательского центра «Курчатовский институт».