Электричество и магнетизм

Наш первый реактор

Мне посчастливилось работать под непосредственным руководством Игоря Васильевича Курчатова и участвовать в работах по созданию первого советского атомного реактора в самый напряженный период работы, начиная с 1945 г.

Однако рассказ о создании реактора нужно начинать с 1939 г., когда после получения известия об открытии деления ядер урана нейтронами И. В. Курчатов в Ленинграде начал исследования, связанные с делением урана. По его инициативе в Академии наук была создана комиссия по урановой проблеме.

В ноябре 1940 г. на Всесоюзном совещании по физике атомного ядра в Москве Курчатов показал, что овладение энергией ядерных сил возможно, хотя и сопряжено с огромными трудностями и требует затраты очень больших средств. Это было последнее перед войной обсуждение работ по делению урана.

К тому времени в Европе началась вторая мировая война. По инициативе группы физиков, эмигрировавших в Америку, все публикации результатов исследований в области ядерной физики в американских научных журналах были прекращены, так как стала ясна возможность военного применения цепной реакции. Ученые боялись, что гитлеровская Германия сможет первой создать атомную бомбу и с помощью атомного оружия победить в войне.

Советские физики тоже предполагали возможность создания атомного оружия и предложили Советскому правительству план развития ядерных исследований. Однако после нападения фашистской Германии на Советский Союз объем работ по ядерной физике значительно сократился.

В конце 1942 г. И. В. Курчатову было поручено организовать и возглавить все работы по созданию атомной бомбы. Чтобы получить плутоний, необходимый для этой цели, требовались атомные реакторы. Лаборатории, в которых до войны велись ядерные исследования, находились в осажденном Ленинграде и оккупированном Харькове. Из Ленинграда удалось вывезти небольшое количество приборов и аппаратуры и немного закись-окиси урана. Пришлось заново создавать лаборатории в пустующих помещениях институтов Академии наук, эвакуированных из Москвы, по одному разыскивать физиков-ядерщиков.

При проведении экспериментов нужны были помощники-лаборанты, но люди, имевшие опыт, воевали на фронтах. На помощь пришли совсем юные школьники. Первым был Алеша Кондратьев. Старательного, очень внимательного мальчика скоро стали звать уважительно Кузьмич. Позднее ему, квалифицированному лаборанту, довелось участвовать в пуске первого реактора.

Для реактора нужны прежде всего уран и графит. Пока металлурги искали и осваивали способы производства металлического урана, физики начали исследования поглощения нейтронов графитом. Эти опыты нельзя было проводить на маленьких образцах. Требовались массивные графитовые призмы с размерами в несколько кубических метров, сложенные из хорошо подогнанных друг к другу брусков графита. Но когда долгожданный, считавшийся чистым графит, наконец, нашли и привезли в лабораторию, оказалось, что он совершенно непригоден, так как сильно поглощает нейтроны.

Началась упорная борьба за получение графита нужной чистоты. Пришлось коренным образом перестраивать технологию производства графита, налаживать контроль его чистоты на заводах. Много дней и ночей просидели за приборами физики и лаборанты, измеряя прохождение нейтронов через графит, пока не убедились в том, что графит получается нужного качества. Другая группа физиков проводила опыты для уточнения процессов резонансного захвата нейтронов при замедлении их парафином - средой, содержащей водород и углерод. В ходе опытов была проверена и блестяще подтверждена идея целесообразности размещения урана в замедлителе в виде отдельных блоков, удаленных друг от друга на некоторое расстояние, - идея создания гетерогенной размножающей системы.

Тем временем на тогдашней окраине Москвы, на западном краю огромного Ходынского поля (бывшего полигона), в распоряжение Курчатова была передана территория с несколькими недостроенными зданиями. На ней и началось строительство лаборатории будущего Института атомной энергии. Спешно достроили трехэтажное здание. В его центральной части разместились лаборатории, а в крыльях - квартиры физиков, в том числе и самого Курчатова.

Рядом со зданием разбили большую армейскую палатку, такую, в каких размещаются полевые госпитали. В этой палатке были продолжены опыты с графитом. Вскоре металлурги начали поставлять уран. Сначала порошок, потом научились делать отливки и вытачивать из них цилиндрические блочки. Начались исследования размножения нейтронов в уран-графитовых "решетках". Это название возникло в связи с тем, что расположение блочков урана в графите подобно расположению узлов, связывающих прутья старинных решеток. В графитовых брусках на равных расстояниях сверлили отверстия. В них закладывали урановые блочки. Из брусков с ураном складывались большие призмы, в которых оставляли гнезда для ампулы с радиевым препаратом (источником нейтронов) и ионизационной камеры. Начинались долгие, утомительные измерения. В тишине раздавались редкие щелчки счетчика, отсчитывающего каждый импульс тока, каждый нейтрон, прошедший через ионизационную камеру. Они звучали то чаще, то реже, повинуясь законам случайного распределения, и нужно было "набирать" большое количество зарегистрированных импульсов, чтобы сделать вывод о характерных свойствах собранной "решетки". Да еще нужно было умело отличать и отбрасывать ложные импульсы, создаваемые помехами.

Измерения шли непрерывно, круглосуточно, работали без выходных дней, хотелось скорее получить результат. Много труда и выдумки потребовалось от физиков, чтобы научиться с помощью измерения в призмах быстро определять чистоту поступающего урана. И не один раз они испытывали огорчение, обнаружив, что очередная партия урана оказалась хуже предыдущей. Тогда поднималась тревога, и металлурги снова и снова меняли технологический процесс получения урана, чтобы уменьшить содержание вредных примесей.

Под строгим контролем продолжали держать графит, который начал поступать регулярно. Измерялись свойства каждой привезенной партии. Для хранения графита построили огромный склад, названный условно СК (склад котла), с примыкающей к нему лабораторией. Дальнейшие измерения графита стали проводить в нем.

К этому времени у физиков, проводивших эксперименты, появились новые помощники - большая бригада рабочих-грузчиков. Под наблюдением физиков они много раз собирали и разбирали графитовые призмы для проведения измерений. Раскладывали графит по сортам, в зависимости от того, в какой степени он поглощает нейтроны.

В первые дни не обошлось без недоразумения. Графит - черный, пачкающий материал, а тут требования к чистоте одежды, обуви, рукавиц. Но к этому скоро привыкли и требования строго выполняли. Так параллельно шло накопление материалов и экспериментальных данных, необходимых для создания реактора. Много "решеток" пришлось измерить, чтобы выбрать наиболее выгодный шаг (расстояние между блочками урана) для будущего реактора. Наконец он был выбран, и теоретики смогли приблизительно оценить его будущие размеры. Можно было уже начинать строить здание для реактора и конструировать реактор.

Конструкторы начали вычерчивать слои кладки реактора из графитовых брусков. Реактор был задуман как цилиндр с закругленным в виде полушария верхом и шарообразной активной зоной. Нужно было придумать, как сложить такое сооружение из графитовых брусков, чтобы оно надежно держалось без посторонних скрепляющих деталей. Да еще так, чтобы блочки урана были расположены в строго определенном порядке. На листах ватмана появлялись рисунки, напоминающие узор паркета.

Физики снова занялись подготовкой приборов и аппаратуры. На этот раз нужно было подготовиться к счету нейтронов от единиц в минуту до миллионов в секунду. Нужно было сделать ионизационные камеры, в которых под действием нейтронов возникали не единичные импульсы тока, а устойчивый электрический ток, по величине пропорциональный потоку нейтронов.

Нужно было побеспокоиться и о безопасности людей, которые будут работать с реактором, - создать приборы для измерения доз губительного излучения - дозиметры, которые ранее не существовали. Тем временем здание для реактора было построено. В одном конце здания был сделан большой бетонированный котлован, открытый сверху, в котором мог поместиться куб с гранью 10 м. В нем должны были собирать реактор. В другом конце, тоже под землей, построили помещение для лаборатории. В нем смонтировали пульт управления и аппаратуру для контроля за размножением нейтронов. Лаборатория соединялась с котлованом реактора подземным коридором. Другой подземный коридор позволял выйти из лаборатории в поле, не заходя в здание. Заглубление в землю позволило отказаться от бетонных стен для защиты от излучения.

Работали дружно, слаженно, в удивительной атмосфере радости творчества, которую умел создавать Курчатов. Работали до глубокой ночи, с молодым задором. Ведь старшему из группы едва перевалило за 30 лет. Измерения качества графита и урана, поступавших с заводов, велись по-прежнему круглосуточно.

Наконец, графита накопили столько, что можно было бы начинать складывать реактор. Но урана еще мало. Тогда Игорь Васильевич предложил еще раз проверить качество графита, который проверялся по мере поступления отдельными партиями в призмах, содержащих по 5 т. Как ни тщательно производились измерения, ошибка не исключалась. Для измерения в здании СК сложили из графита громадный куб, в котором было уложено 500 т графита. Двое суток непрерывных измерений, и ликование -ошибки не было, графит чистый, годный для реактора. Правда, потом пришлось этот куб разобрать и снова разложить графит по "полочкам". Было решено из самого чистого графита складывать центральную часть реактора, а из плохого - отражатель.

Урана еще не хватало, и, чтобы не терять времени, Игорь Васильевич решил перед сборкой реактора провести серию опытов с подкритическими сферами - уменьшенными по размеру подобиями реактора.

Эти опыты нужны были для того, чтобы точнее предсказать размеры будущего реактора. Ведь теоретики не гарантировали точности расчетов, и могла быть допущена опасная ошибка. Кроме того, работа по сборке подкритических сфер была генеральной репетицией, последней проверкой исправности приборов и аппаратуры.

И работа закипела. В ход пошли планшеты с чертежами слоев, заготовленными конструкторами. Засновали машины между складами СК и "монтажными мастерскими", как условно называли здание реактора.

Сначала на дне котлована выложили нижний отражатель - круглое графитовое основание будущего реактора высотой около метра. В центре этого основания сложили первую "сферу", сердцевина которой выкладывалась из графитовых брусков с отверстиями. В отверстия закладывали урановые блочки. Эта сердцевина имела форму правильного шара.

В первой сфере содержалось урана немного больше, чем во время измерений в призмах. Когда сфера была закончена, рабочих отпустили отдыхать. Через специально оставленное в сфере отверстие в центр ее ввели "щуп" с ионизационной камерой, и в тишине зала раздались едва слышные щелчки механического счетчика, отсчитывающие импульсы, создаваемые нейтронами.

Измерения повторяли много раз и, чтобы быть уверенными в стабильности работы аппаратуры, в перерывах между измерениями помещали камеру в "стандартный источник" - бочку, заполненную парафином, внутри которой была ампула с радиевым препаратом. Но вот плотность нейтронов в центре сферы точно измерена. Игорь Васильевич сам нанес на заготовленный большой лист миллиметровки первую точку графика, который должен был предсказать, при какой загрузке реактор оживет - достигнет критического состояния.

Наутро сферу разобрали и начали складывать вторую, в которой графита и урана содержалось почти в три раза больше, чем в первой. Но пока это было очень далеко от предсказанной критической массы, и поэтому никаких специальных мер предосторожности для обуздания цепной реакции не предпринимали.

Сфера готова. Снова перерыв для измерений, и на график рукою Курчатова была поставлена вторая точка. С трепетом следили за его рукой окружавшие стол помощники. Было видно, что линия, проходящая через эти точки, стремится вниз, к желанному пересечению с горизонтальной осью графика. Расстояние от начала координат до точки пересечения должно было показать будущую критическую массу. Все знали, что судить о ходе кривой по двум первым точкам нельзя, но каждый мысленно старался представить себе, как она пойдет, угадать заветную точку. Даже привыкшим к бесконечным переборкам графитовых призм рабочим было досадно начинать разборку сферы, красиво сложенной в результате нескольких суток непрерывного, напряженного труда.

Снова кладка. На этот раз на графитовом основании выросло очень внушительное сооружение. Однако результаты измерений встревожили и взволновали всех. Третья точка не легла на желанную прямую, а оказалась гораздо выше. Может быть, ошибка? Графит проверен. Неужели уран? Ведь последнюю партию заложили без контрольной проверки.

Скбрее разобрали сферу. После контрольных измерений убедились, что подвел все-таки уран. В нем оказалось гораздо больше примесей, поглощающих нейтроны, чем в полученном раньше. Встревоженные металлурги нашли причину ухудшения качества и устранили ее.

Начали кладку четвертой сферы. В нее предстояло заложить такое количество урана, которое было близко к предсказанному. В центре будущей сферы установили вертикальные бруски графита, просверленные по длине. После выкладки первых же слоев сферы в отверстия брусков установили стержни -поглотители нейтронов - алюминиевые трубы, начиненные кадмием. И до самого конца сборки сферы наращивали вертикальные бруски и привинчивали к стоящим внутри стержням новые звенья с кадмием.

Громадная сфера постепенно заполняла котлован. В нем оставалось не так уж много места. День и ночь сновали машины, подвозившие графит. Не помешали ударившие морозы. Тем, кто грузил графит, в холодном СК было жарко от работы, но они отказывались от подмены.

В здании реактора тепло, и спешки постороннему глазу незаметно. Каждый брусок укладывается точно по чертежу, под надзором придирчивых конструкторов. Но ни одной секунды промедления. Пока складывали сферу, снова и снова проверяли приборы, испытывали систему управления стержнями. Впервые к счетчикам нейтронов подключили громкоговорители, и громкие щелчки, то одиночные, то сериями, стали раздаваться в лаборатории при проверках аппаратуры.

Наконец всё готово к измерениям. Осторожно подняты поглощающие стержни. Четвертая точка на графике вселила уверенность, что победа близка. Размеры будущего реактора теперь установлены. И снова разборка и кладка. Металлического урана пока не хватало, поэтому в крайние гнезда закладывали куски прессованной окиси урана. Опять стержни-поглотители с самого начала в кладке. А когда дошли до середины намеченной высоты, в горизонтальный канал установили ионизационные камеры, и с этой минуты счетчики нейтронов работали непрерывно. В лаборатории раздавались редкие нерегулярные щелчки. Нейтронов мало, да и их жадно пожирают кадмиевые стержни.

Уложили еще несколько слоев. В это время приехал Игорь Васильевич посмотреть, как идут дела. Уговорили его попробовать поднять стержни. Разрешил. Подняли. Щелчки не участились, хотя урана было уложено не намного меньше, чем было в четвертой сфере. Насторожились, но Игорь Васильевич успокоил - рано.

После этого пробовали поднимать стержни несколько раз, делая короткие перерывы в кладке. Щелчки учащались, но не очень сильно. Однако графики, построенные по результатам промежуточных измерений, показывали, что дело идет к концу. К вечеру 24 декабря закончили кладку 61-го слоя графитовых брусков. Отпустили отдыхать всех рабочих. Начались измерения. Постепенно подняли один стержень, потом осторожно начали поднимать второй. Поднимали, прислушиваясь к учащающимся щелчкам счетчиков, приостанавливая подъем для наблюдения и построения графиков.

Вот уже счетчики трещат, почти захлебываются, послушно реагируют на опускание и поднятие стержней. Все участники опыта радостно взволнованы. Вот она, цепная реакция! Но... на этот раз реактор не достиг критичности. Цепная реакция не развивалась дальше, хотя и было ясно, что надкритичность очень, очень близка.

В час ночи, усталые, радостные и возбужденные, все разошлись отдыхать. На следующий день выложили последний, 62-й слой. К двум часам все было кончено. Здание реактора опустело. С Игорем Васильевичем остались только ближайшие помощники по созданию реактора.

Последние проверки. Каждый доложил Игорю Васильевичу о готовности аппаратуры и оборудования. Наступал ответственный момент. Ведь реактор должен быть надкритичным. Как-то он поведет себя? Курчатов сам стал управлять реактором. Вот уже первый стержень вверху. Медленно, с остановками поднимается второй. Щелчки в динамиках учащаются, сливаются в сплошной рев. Вспышки индикаторных ламп на счетных установках уже неразличимей. Они светятся ровным светом.

Новые и новые точки ложатся на график. Теперь ясно, что реактор "пошел". Он надкритичен. Наконец, очень медленно сдвинулись с места зайчики гальванометров, подключенных к ионизационным камерам. Их движения все ускорялись... Мелькает мысль: а легко ли будет остановить разбушевавшееся атомное пламя? В этот момент Игорь Васильевич нажал кнопку сброса поглощающих стержней, и рев оборвался. Опять редкие щелчки счетчиков, и только глаза присутствующих, радостные лица и кривые на листах миллиметровки говорили о свершившемся событии. Первый в Европе и Азии атомный реактор был пущен 25 декабря 1946 г.