Проблемы строительства плутониевого комбината, проектирования завода «А», непрерывные заседания Научно-технического совета и специального комитета порой отвлекали Курчатова от главной работы в родной лаборатории: сборки и пуска экспериментального котла.
Реактор Ф-1 должен был представлять собой сложенный из 75 слоев графитовых кирпичей почти идеальный шар диаметром 8 метров, внутри него при монтаже предполагалось распределить на расстоянии 20 сантиметров друг от друга несколько тысяч небольших урановых блочков цилиндрической формы.
Ответственным за проект и сборку котла был назначен старший инженер сектора «К» Алексей Алексеевич Журавлев. Успех дела обеспечивало наличие необходимого количества исходных материалов: 45 тонн урана и 400 тонн графита, а также их ядерная «чистота», то есть отсутствие посторонних примесей.
По заданию Курчатова проект здания для размещения первого советского атомного котла был выполнен в мастерской академика Щусева. Условное название секретного сооружения «К» — «здание монтажных мастерских» («монтажка»). За три месяца, с апреля по июнь 1946 года, ударная бригада строителей, работая круглосуточно, соорудила нечто похожее на классический крытый манеж. В восточной части его был вырыт и забетонирован котлован площадью 10 на 10 метров и глубиной 7 метров, почти до почвенных вод. Он предназначался для графитовой сборки.
С западной стороны к огромному залу примыкало помещение спецлаборатории, в подземном этаже которой разместили оборудование контроля и управления. Из этой «подземки» можно было добраться до дна бетонного котлована и подойти непосредственно к графитовому шару. Туда вел полуосвещенный коридор-лабиринт, окруженный для защиты от радиации толстыми листами свинца и блоками из смеси парафина и борной кислоты.
Вход в лабораторию был замаскирован и находился на некотором удалении от здания, в подвале.
Транспортные ворота с восточного торца здания «К» в дневное время были всегда закрыты и находились под усиленной охраной.
В начале ноября 1946 года началась ночная транспортировка проверенных на «чистоту» графита и урана из брезентовой армейской палатки во дворе лаборатории в здание «К». Операция проводилась скрытно, поскольку истинное назначение «монтажки» скрывалось от сотрудников других секторов. Более того, даже лаборанты, рабочие и техники, непосредственно участвовавшие в сборке графитовой сферы внутри здания, не имели представления о том, что именно они монтируют.
Сборку котла планировалось производить горизонтальными слоями толщиной 10 сантиметров (в соответствии с высотой графитовых кирпичей), начиная со дна котлована. На каждый слой была составлена картограмма. Сначала укладывался графит, потом в его цилиндрические отверстия вставлялись стоймя урановые блочки. Затем — новый слой. И так далее, вплоть до 75-го слоя, когда котел, по теоретическим расчетам, должен был достигнуть критических размеров и заполыхать нейтронным огнем.
В сборке предусматривались три сквозных вертикальных канала для свободного перемещения в них специальных стержней управления и защиты, изготовленных в лаборатории рабочими-умельцами. Стержни представляли собой полые дюралевые трубки длиной около пяти метров, внутри которых находился свернутый в рулон листовой кадмий. Этот элемент обладает сильнейшей поглощающей способностью по отношению к нейтронам. Двух подобных стержней, сброшенных внутрь котла, было вполне достаточно, чтобы немедленно прервать цепную реакцию в случае какой-либо аварийной ситуации.
Третий, центральный, канал предназначался для «управляющего» стержня. Плавно погружая или извлекая его из графитовой сборки, можно было регулировать величину нейтронного потока в котле, то есть управлять его мощностью. Этот стержень подвешивался на стальном тросике к потолку зала. Через направляющие ролики, установленные на чердаке, трос протягивался через весь зал, а затем изменял направление на 90 градусов и попадал в подземную лабораторию. Здесь конец троса крепился на валу лебедки, приводящейся в движение с помощью обычной рукоятки. Вращая рукоятку, можно было опускать или поднимать управляющий стержень, регулируя мощность котла.
В кладке имелись также сквозные горизонтальные каналы для установки в них контрольно-измерительного оборудования и образцов различных материалов. В котле предполагалось облучать мощным нейтронным потоком также и живые организмы (крыс, собак) для изучения биологического воздействия.
15 ноября 1946 года Курчатов дал команду начать сборку первого слоя. Приближение котла к критическим размерам тщательно контролировалось. Случайный бесконтрольный разгон реактора чреват был тяжелейшей, масштабной аварией, граничащей с катастрофой.
Поэтому, начиная с монтажа 50-го слоя, Курчатов практически не покидал «монтажку», лично следя за показаниями приборов при проведении пусковых экспериментов.
Котел достиг критичности значительно раньше, чем прогнозировалось теоретиками и расчетчиками. Днем 25 декабря после монтажа 62-го слоя реактор «задышал». Ночью Игорь Васильевич, удалив всех лишних из здания, попытался в присутствии четырех инженеров запустить котел. Поднимая управляющий стержень ступеньками на двадцать сантиметров, ученые следили за нарастанием нейтронного потока по пусковому гальванометру, прислушиваясь к щелчкам в динамиках. Их частота соответствовала скорости нарастания потока нейтронов. Когда стрелка показывающего прибора приблизилась к отметке на шкале «100 ватт», «щелкунчики» захлебнулись в ровном гуле.
Для Курчатова и его сотрудников, участвовавших в пуске реактора, этот гул был прекрасной симфонией спонтанного восторга и ликования души. Все они не спали уже третьи сутки. Не было физических сил для шумного радостного торжества.
Курчатов опустил стержень вниз, заглушив котел. Положил руки на колени и торжественно молчал. Все вокруг старались ничем не нарушить эту тишину.
Игорь Васильевич понимал, что он в присутствии свидетелей обязан сейчас произнести какую-то историческую фразу. Он встал из-за пульта, присел несколько раз, разминая затекшие ноги, и без всякого пафоса в голосе произнес:
— Атомная энергия теперь подчинена воле советского человека.
Все участники пуска поздравили друг друга с необычным и особенным «рождеством».
Курчатов вышел один из здания. Прогуляться, подышать свежим воздухом и придти в себя…
Черная ночь. Мириады звезд на небе. Вышло сегодня! Вышло! Теперь имеем кое-что! Какая всё-таки это счастливая жизнь: Физика! Надо сразу утром позвонить Берия, Ванникову. Пригласить их в гости, на демонстрационный официальный Пуск…
Берия приехал на смотрины через два дня. Ему хотелось увидеть своими глазами, в натуре, первую в Европе и Азии цепную реакцию деления урана.
Сначала Лаврентий Павлович проверил расписку 17 инженеров, обязывающую их не разглашать государственную тайну: факт пуска в СССР физического реактора. Потом выслушал пояснения Курчатова. Для демонстрации успеха высокому начальству Курчатов поднял мощность до рискованной отметки в один киловатт. В репродукторах слышался сплошной вой. Стрелка показывающего прибора гнулась в правом конце шкалы. Игорь Васильевич торжествующе посмотрел на Берия.
— И это всё? — спросил тот недоуменно. — И больше ничего?
Присутствующие инженеры были в замешательстве.
Берия тут же спохватился. Решил царственно, великодушно поддержать их энтузиазм.
— Ну, хорошо. Спасибо, — произнес он. — Работайте дальше.
И потом тихо, только Курчатову:
— Надо написать. Ему!
По дороге в Кремль Берия благодушествовал. Не болтуны все-таки… Что-то могут… Если, конечно, их постоянно контролировать. И чуть-чуть поджимать.
«Докладная записка… Сов. секретно
Товарищу Сталину И. В.
Докладываем:
25 декабря 1946 года в лаборатории т. Курчатова закончен сооружением и пущен в действие опытный физический уран-графитовый котел. В первые же дни работы (25-26-27 декабря) уран-графитового котла мы получили впервые в СССР в полузаводском масштабе ядерную цепную реакцию.
При этом достигнута возможность регулировать работу котла в нужных пределах и управлять протекающей в нем цепной ядерной реакцией. Построенный опытный физический уран-графитовый котел содержит 24 800 килограммов совершенно чистого металлического урана, 12 900 килограммов чистой двуокиси урана и 420 000 килограммов чистого графита.
С помощью построенного физического уран-графитового котла мы теперь в состоянии решить важнейшие вопросы проблемы промышленного получения и использования атомной энергии, которые до сего времени рассматривались только предположительно, на основании теоретических расчетов.
Л. П. Берия
И. В. Курчатов
Б. Л. Ванников
М.Г. Первухин
28/ХП-1946».
Пуск реактора Ф-1 можно считать переломным моментом в советском атомном проекте. Теперь в руках физиков появился незаменимый инструмент для многочисленных насущных экспериментов. Конечно, стационарная мощность котла не могла быть большой, поскольку в нем не было предусмотрено охлаждение топливных урановых элементов, и поэтому существовала опасность расплавления блочков от саморазогрева.
Однако кратковременно (импульсно) мощность котла можно было поднимать даже до одного-двух мегаватт.
Такие кратковременные подъемы мощности стали отныне производиться в лаборатории постоянно. Их называли большими пусками. Для их осуществления каждый раз требовалась серьезная организационная подготовка.
Котел Ф-1 не имел какой-либо серьезной биологической защиты от радиационного излучения. Система вентиляции в здании «К», нагнетающая чистый воздух в котлован с кладкой, по прикидочным расчетам, обеспечивала радиационную безопасность в здании при мощности не более 10 киловатт. При больших пусках мощность поднималась в сотни раз выше. Выделяющиеся из урановых блочков радиоактивные газы через щели в графитовой кладке проникали из котлована в центральный зал и распространялись по всем помещениям. Присутствие в здании эксплуатационного персонала в моменты подобных пусков было смертельно опасным.
Управление пуском поэтому осуществлялось в этих случаях из лаборатории дистанционного пуска, находящейся на расстоянии 1,5 км от здания «К».
Из отчета Курчатова и Панасюка № 3498-ц за 1947 год:
«Перед каждым таким пуском тщательно проверялась надежность работы дистанционного управления и сбрасывания кадмиевых стержней, поскольку после больших пусков или, тем более, во время работы котла на большой мощности, подойти к зданию «К» нельзя было из-за опасности подвергнуться смертельному облучению радиацией котла».
Биологически опасным считалось все пространство вокруг «монтажки» в радиусе примерно двухсот метров. Поэтому для охраны этого пространства во время больших пусков применялось оцепление специальными вахтерами.
В лаборатории были в наличии самодельные дозиметры, с помощью которых измеряли наличие радиоактивного газа в воздухе.
Из того же отчета:
«С помощью этих приборов мы осуществляли службы биологической безопасности и производили биологические опыты с животными. Серьезных поражений людей, обслуживающих Первый Советский атомный котел, не было; этому также помогало то обстоятельство, что сотрудники, получившие дозы облучения, опасные для здоровья, немедленно отстранялись от работы и направлялись на отдых в санатории…»
Однако индивидуальных дозиметров не было.
Какую дозу облучения получали сотрудники, например, вахтеры, стоявшие в оцеплении здания «К» во время больших пусков, никто не знает.
Самого понятия «лучевая болезнь» тогда не существовало. Опасность облучения многие понимали, хотя часто пренебрегали ей. Тем, кто чувствовал себя плохо, ставили общий диагноз: «астеновегетативный синдром».
После пуска реактора Ф-1 Курчатов и группа его ближайших сотрудников получили щедрый премиальный аванс. У Игоря Васильевича появился открытый счет в полмиллиона рублей. Это была вполне заслуженная премия. Сталин держал данное им слово.