В начале 1946 года Курчатов со своими сотрудниками готовился к сборке на территории лаборатории экспериментального уран-графитового реактора Ф-1 («физический, первый») — первого в Европе.
Мощность его планировалась примерно равной первому чикагскому котлу: около 200 Вт.
Такая небольшая мощность, безусловно, не позволяла рассчитывать на использование его в качестве промышленного наработчика атомного горючего — плутония.
Из отчета Смита о чикагском котле:
«…Описанный котел должен был бы действовать по меньшей мере 70 тысяч лет для того, чтобы произвести одну бомбу. Очевидно, количественная проблема производства плутония ещё не была решена».
Логика технического разума требовала постепенного перехода от освоения лабораторного котла к сооружению промежуточного, полупромышленного типа. И только потом — к строительству промышленного реактора для получения оружейного плутония. Американцы так и поступили. Вслед за чикагским лабораторным котлом (1942 год) был пущен полузаводской котел в г. Клинтоне (штат Теннесси, 1943 г.).
В 1944 году начали строиться мощные промышленные котлы в Хэнфорде (штат Вашингтон).
Но даже при таком последовательном подходе американцы очень опасались, что при увеличении мощности строящихся реакторов придется столкнуться с непредвиденными техническими проблемами.
Из отчета Смита:
«Для проектирования больших котлов… можно было бы использовать данные вспомогательных экспериментов… Однако и в этом случае предложенные экстраполяции… были шатки. В мирное время ни один ученый или инженер, находящийся в здравом рассудке, не предпринял бы столь резкого увеличения масштаба».
Однако нормальный технический путь в условиях сумасшедшего советского аврала был признан абсолютно неприемлемым.
Берия, Ванников и примкнувший к ним Курчатов сочли возможным начать проектирование и даже строительство промышленного реактора, не дожидаясь пуска лабораторного котла Ф-1.
Как ни парадоксально, это решение оказалось в конечном итоге оправданным с точки зрения экономии драгоценного времени.
В декабре 1945 года Ванников подписал приказ о строительстве плутониевого комбината № 817, основным производством которого должен был стать уран-графитовый реактор мощностью 100 мегаватт. За полгода работы его на номинальном уровне мощности планировалось наработать около десяти килограмм плутония на первую бомбу.
Курчатова этот приказ обязывал срочно подготовить техническое задание (ТЗ) для проектирования подобного реактора.
В качестве головного проектного института был выбран Московский институт химического машиностроения (НИИХиммаш), а главным конструктором — его директор, Николай Антонович Доллежаль.
Выбор этот казался с первого взгляда не совсем логичным, поскольку Доллежаль не был физиком и не имел понятия о цепной реакции деления урана. Дипломный проект, защищенный им в МВТУ, назывался так: «Котельное хозяйство текстильной фабрики». Первая статья в научном журнале «Вестник инженера» — «Ступенчатые топки для подмосковного угля». В акционерном обществе «Тепло и сила» Доллежаль прекрасно освоил паросиловые установки высокого давления. В этом деле он был профессионалом высшей квалификации.
Когда в первых числах января 1946 года Курчатов заговорил с Доллежалем о проектировании нейтронного реактора, у того от неожиданности пробежала по телу небольшая нервная судорога.
— Помилуйте, Игорь Васильевич. Я впервые сейчас от вас услышал слово «нейтрон».
Чтобы не отпугивать Доллежаля чрезмерной новизной, Курчатов мягко разъяснил опытному теплотехнику, что атомный котел по своей сути весьма незначительно отличается от обычного водяного котла высокого давления. Разве что в сотню раз больше по размерам. Может быть, в тысячу раз сложнее по конструкции. Вероятно, в миллион раз опаснее. А так… Очень, очень похож. Курчатов в этот момент напомнил Доллежалю добродушного, бородатого удава. Николай Антонович развел с отчаянием руки.
— Помилуйте, Игорь Васильевич…
Но Курчатов не дал договорить.
— К тому же вопрос о назначении вас главным конструктором уже решен на правительственном уровне. И я лично абсолютно уверен, что вы вместе со своим коллективом прекрасно справитесь с порученной товарищем Сталиным задачей.
Курчатов немного блефовал, но надо было «дожимать», не откладывая дела в долгий ящик.
При произнесении имени Сталина у Доллежаля родилась в груди вторая нервная судорога. Он как-то сразу обмяк и обреченным голосом спросил:
— И когда же приступать?
Курчатову хотелось сказать «сегодня» или даже «сейчас». Но он сдержался. Решил, что незачем пороть горячку. И успокоил собеседника:
— Завтра, пожалуй… Завтра вместе начнем.
Через день Доллежаль отошел от «нейтронного» шока и принялся штудировать отчет Смита. Долгая неделя ушла у него на осмысливание физических процессов, происходящих теоретически в уран-графитовой сборке.
Природный уран состоит в основном из двух изотопов: урана с атомным весом 238 (99 %) и урана с атомным весом 235 (менее 1 %). Хотя оба изотопа представляют собой один и тот же химический элемент, ядерные свойства их принципиально различны.
Уран-235 под действием нейтронов делится на два произвольных осколка с выделением значительной энергии, излучая при каждом акте деления два или три новых нейтрона. Поэтому нарастание числа делений может при определенных условиях иметь лавинообразный характер цепной реакции.
Другой же изотоп, уран-238, при захвате нейтрона не делится, а превращается в новый, не существующий в обычных условиях на Земле химический элемент — плутоний, с атомным весом 239.
Как предсказывали физики и как показал американский опыт, плутоний обладает склонностью к делению под действием нейтронов ещё в большей степени, чем уран-235.
В чистом природном уране цепная реакция недостижима и невозможна. Вероятность деления урана-235 можно значительно повысить путем эффективного и быстрого замедления рождающихся быстрых нейтронов. Этого можно достигнуть, смешав природный уран с некоторыми легкими химическими элементами, например, с углеродом.
Как показывали теоретические расчеты, в сборке природного урана и графита (в качестве замедлителя нейтронов) цепная реакция достижима при некоторых критических размерах конструкции. При оптимальной, с физической точки зрения, форме конструкции — шаре или приплюснутом цилиндре — сборка может достичь критичности при радиусе примерно 10 метров.
Иными словами, центральной частью уранового котла должен быть громоздкий цилиндр высотой и диаметром с трехэтажный дом, сложенный из графитовых кирпичей. Внутри него должны быть распределены детали или фрагменты из природного урана.
Для заданной мощности котла требовалось примерно 100 т урана и 1000 т графита.
При достижении в подобной сборке коэффициента размножения нейтронов больше единицы появится возможность с помощью регулирующих стержней из поглощающего материала поддерживать цепную реакцию на определенном уровне или глушить котел, останавливая процесс.
Вся сложность такого уран-графитового котла заключается в том, что выделяемая при делении ядер энергия неминуемо вызовет саморазогрев урана. Выделяемое тепло необходимо отводить. Промышленный реактор должен быть охлаждаемой конструкцией!
В первые январские недели Доллежалю предстояло совместно с физиками из Курчатовской лаборатории принять несколько принципиально важных решений, ориентируясь в некоторых случаях на отчет Смита.
Чем охлаждать: газом или водой?
Американские физики сначала отдавали предпочтение газу. Именно с такой рекомендацией проектирование промышленных котлов было передано фирме «Дюпон».
Из отчета Смита:
«Когда на сцену выступила фирма Дюпон, она сначала приняла предложение о сооружении установки с гелиевым охлаждением; после дальнейшего изучения вопроса фирма решила отдать преимущество водяному охлаждению… Количество воды, необходимой для охлаждения, зависит от максимальной температуры, до которой вода может быть безопасно нагрета, и от максимальной температуры воды, забираемой из реки Колумбия. Воды требовалось столько, сколько нужно для водоснабжения довольно большого города…»
Доллежаль тоже склонялся к выбору воды, поскольку такое решение упрощало конструкцию котла.
Принципиально для охлаждения любого источника тепла могут быть выбраны два метода: прямоточный и циркуляционный.
В первом случае холодная вода из какого-либо источника (реки или озера) прокачивается под давлением через котел, нагревается и потом сбрасывается в тот же водоем.
Во втором случае вода должна циркулировать, охлаждая реактор, по замкнутому контуру. Внутри котла она будет разогреваться, а вне котла, в теплообменных аппаратах, — охлаждаться. И затем мощными насосами подаваться снова на вход реактора. В этом случае конструкция всей системы охлаждения значительно усложнится, что потребует и больших материальных затрат, и, что не менее важно, увеличения времени на изготовление дополнительного оборудования.
Американцы тоже спешили и для хэнфордских котлов использовали прямоточное водяное охлаждение. Доллежаль понимал, что слив охлаждающей воды, прошедшей через реактор, обратно в уральское озеро Кызыл-Таш, планируемое в качестве источника, неминуемо приведет в конечном итоге к радиоактивному загрязнению и омертвлению озера.
Николаю Антоновичу было болезненно жалко лишать жизни прозрачное голубое озеро. Жалко обитающих в нем и плещущихся на солнце рыб, порхающих над его гладкой поверхностью птиц.
Ну а что делать? Как быть, если сжатые планируемые сроки строительства подавляют нравственные сомнения и колебания?
Хорошо еще, что ответственность за подобное безрассудство можно разделить с членами Научно-технического совета.
Присутствовавшие на заседании совета тоже понимали трагическую судьбу озера. Некоторые знали ещё больше. Из озера вытекает неприметная на карте тихая речка со старинным домашним названием Теча. А на берегах её сотни лет назад прижились кургузые бедные деревушки. Вскоре после пуска котла вода в реке, поливные огороды, домашний скот и сами старожилы будут неминуемо заражены радиоактивными осколками деления. Кто-то заболеет лучевой болезнью; кто-то, вероятно, погибнет. Все члены Совета и приглашенные конструкторы во главе с Доллежалем молчали об этом. Все в душе оправдывали свое молчание тем, что принимаемое решение — абсолютно вынужденное. У разоренной страны не было тогда ни времени, ни средств на более сложные технологические схемы.
Не менее трудным для Доллежаля был вопрос о конфигурации уран-графитовой решетки. Для лабораторного котла Ф-1 Курчатов предполагал использовать кубическую решетку с точечным расположением небольших урановых блочков урана в массе графитовых кирпичей. Для промышленного реактора такая конструкция сборки была неприемлема, поскольку не позволяла осуществить охлаждение водяным потоком разбросанных в пространстве урановых блочков.
В этом случае было бы невозможно также решить проблему периодической выгрузки отработанных блочков урана и загрузки в котел свежей порции. Пришлось бы разбирать графитовую кладку, что недопустимо по ядерной безопасности.
Из отчета Смита:
«Оба эти затруднения можно устранить, применив вместо точечной решетки стержневую, и концентрировать, следовательно, уран вдоль линий, проходящих через замедлитель, а не распределять его в отдельных точках. Совершенно ясно, что стержневое расположение удовлетворительно с механической и инженерной точек зрения».
Вынужденный стержневой характер промышленной урановой сборки был очевиден. Этот факт обуславливал «канальную» конструкцию реактора. Графитовую кирпичную кладку должны насквозь пронизывать сотни цилиндрических каналов с находящимися в них урановыми стержнями. При такой конструкции появляется возможность охлаждать саморазогревающиеся урановые стержни сквозным потоком воды, пропускаемой через каждый канал.
Из отчета Смита:
«Выбор нужно было сделать между длинными урановыми стержнями, имеющими преимущество с точки зрения физики ядра, и относительно короткими цилиндрическими столбиками, удобными в обращении».
Действительно, десятки небольших цилиндрических блочков, приставленные один к другому, образуют, по сути дела, тот же длинный урановый стержень. Но зато операции загрузки и выгрузки уранового топлива при этом упрощаются. Американцы использовали в хэнфордских котлах длинные сплошные стержни из урана.
Доллежаль остановился всё-таки на блочках. Тем более что к этому времени на секретном металлургическом заводе в г. Электростали был отработан и достаточно хорошо освоен процесс изготовления урановых блочков для реактора Ф-1.
Еще одна проблема заключалась в необходимости надежной защиты урана от коррозии.
Дело в том, что непосредственное соприкосновение урана с водой категорически недопустимо. Уран активно химически реагирует с водой. Их контакт привел бы не только к заражению воды радиоактивными осколками деления, но и к разрушению блоков урана и «выносу» топливного материала из активной зоны потоком охлаждающей воды.
Из отчета Смита:
«Необходимо было найти метод защиты урана от непосредственного соприкосновения с водой. Были изучены две возможности: одна — покрытие (электролизом или погружением), другая — заключением урановых блоков в герметичный защитный кожух…
Как ни странно, эта «проблема оболочки» оказалась одной из самых трудных проблем, возникших при конструировании котла».
Для реактора Ф-1 годились «неочехленные» урановые блочки, без всякой оболочки, поскольку там никакого охлаждения не предусматривалось.
Для промышленного реактора «А» покрытие блочков спецоболочкой было необходимо. К решению проблемы были подключены несколько институтов по цветным металлам и сплавам. В качестве материала был подобран алюминиевый сплав. Технология же нанесения тонкого защитного слоя на урановый блочок является и сейчас одним из самых больших секретов как американского, так и советского атомных проектов. Этот секрет американцам удалось уберечь от советской разведслужбы. Даже Клаус Фукс не смог помочь.
Не только уран, но и графитовые кирпичи надо было предохранить от непосредственного контакта с водой. Замоченный графит теряет свои превосходные качества замедлителя, увеличивая паразитный захват нейтронов внутри реактора.
Поэтому урановые блочки, охлаждаемые водой, должны быть надежно отделены от окружающего графита металлической трубой технологического канала (ТК).
В качестве материала для труб ТК, как и рекомендовал Смит, был выбран алюминиевый сплав («только алюминий можно считать пригодным с точки зрения коррозии»).
Чрезвычайно сложным оказалось проектирование биологической защиты.
У Смита:
«Весь котел должен быть окружен очень толстыми стенами из бетона, стали… Вместе с тем должна быть предусмотрена возможность загрузки и разгрузки через эти стены и ввод-вывод воды через них. Защитные укрытия должны быть не только непроницаемыми для радиоактивного излучения, но и газонепроницаемы, так как воздух, подвергшийся облучению в котле, становится радиоактивным».
Верхнюю и нижнюю биологическую защиту конструкторы Доллежаля предусмотрели в виде двух рядов стальных двутавровых балок высотой в человеческий рост, засыпанных слоями песка и железной руды с примесью бора.
По периметру графитовая кладка окружалась защитными металлическими отсеками величиной с однокомнатную квартиру, которые заполнялись водой. Все сооружение окружалось по проекту многометровой дополнительной защитой из тяжелого бетона, наполняемого дробленой железной рудой. Верхняя часть технологических каналов прикрывалась свинцовой крышкой, набранной из пятнадцатикилограммовых свинцовых кирпичей.
Весь реактор к тому же предполагалось смонтировать под землей в скальном грунте…
Вот таким представлялся Доллежалю общий вид будущего реактора: графитовый цилиндр высотой и диаметром около десяти метров, пронизанный параллельно оси тысячью каналами, в которые можно будет загружать урановые блочки через верхние головки и при необходимости разгружать их содержимое в огромный нижний бункер с водой…
Оставался один вопрос, мучивший Николая Антоновича и днями, и ночами: как должен быть расположен уран-графитовый котел относительно поверхности земли — горизонтально или вертикально?
В зависимости от этого изменялся не только весь технологический процесс загрузки-выгрузки уранового топлива, но и вся архитектура центрального зала — наземного сооружения над реактором.
В хэнфордских котлах технологические каналы с урановыми стержнями были расположены горизонтально. В связи с их большой длиной (около двадцати метров) такая компоновка представлялась очень рациональной, так как позволяла не прибегать к строительству сложных и дорогостоящих высотных сооружений, что было бы неизбежным при вертикальном варианте.
Николай Антонович не только усомнился в правильности подобного решения, но с некоторых пор стал горячим защитником вертикального котла…
Как-то он поехал в лабораторию № 2 посоветоваться по текущим вопросам. Курчатов встретил его обычным вопросом:
— Ну, как дела, Николай Антонович? Что имеем?
Из воспоминаний Доллежаля:
«За разговором я машинально взял в руку наполовину сломанный спичечный коробок и постукивал его торцом по столу. Взгляд остановился на подпрыгивающих спичках. Где-то в глубине сознания шевельнулась неясная ещё мысль… И вдруг — вспышка, озарение… Ну, конечно, наш реактор требовалось развернуть на девяносто градусов, поставить его, сделать не горизонтальным, а вертикальным».
Николай Антонович тут же принялся рисовать эскиз вертикального аппарата:
— Графитовый цилиндр, высотой и диаметром примерно десять метров. Это уточним после. Сверху вниз его пронизывают… пронизывают… около тысячи каналов… Так? Расстояние между каналами двадцать сантиметров. Это ваша длина замедления нейтронов в графите до тепловой скорости. Теперь дальше рисуем… В каждую трубу загружаем сверху столб урановых блочков. Получается как бы длинный урановый стержень. Снизу канал прикрыт разгрузочным устройством, и весь столб стоит себе преспокойно…
Курчатов улыбался, потирая лоб:
— Стоит, говоришь?
Доллежаль подтвердил:
— Да, стоит. А куда же ему деваться?
И увлеченно продолжил:
— Сверху вода подается под давлением в верхний коллектор и из него распределяется по каналам через индивидуальные дроссели… Проходит по каналу… Вот так, проходит, нагревается… Собирается в нижний коллектор… И дальше на сброс… Что скажете, Игорь Васильевич?
— Ничего не скажу, — сознался Курчатов, — не могу сразу все оценить. Зерно есть. Надо вынести этот вопрос на заседание Совета. Надо всех послушать.
В феврале 1946 года Доллежаль выступил на заседании Совета с обоснованием выбора вертикальной компоновки для реактора «А».
В результате ленивой, скоротечной дискуссии Доллежалю разрешили проектировать вертикальный вариант. Но на всякий случай предусмотрели дублирование. Параллельно с НИИХиммашем другой организации — ОКБ «Гидропресс» — поручили проектирование горизонтального котла.
8 июля 1946 года Научно-технический совет ПГУ под председательством Бориса Львовича Ванникова собрался для рассмотрения обоих проектов и принятия окончательного решения. В заседании приняли участие руководители ПГУ, физики, конструкторы и инженеры конкурирующих организаций. Обсуждение протекало бурно с самого начала. Первые десять часов острой дискуссии не привели к логическому концу. Однако длительная задержка в решении этого вопроса была недопустима. В Челябинске уже начались земляные работы под здание реактора. Рабочие чертежи на отдельные изделия и конструкции надлежало срочно передать заводам-изготовителям. Надо было ставить точку в проекте!
Ближе к полуночи Борис Львович приказал: не выпускать ни одного человека из конференц-зала, пока не будет принято окончательное решение! Организаторов совещания попросил приготовить чай. Лучше — с бутербродами. Перерывы в совещании отменил. Это был «фирменный» метод Ванникова для решения сложных вопросов. Метод был не раз опробован им в годы войны и всегда довольно быстро давал нормальный результат. Но в данном случае что-то разладилось в механизме психологического давления.
Представители конкурирующих организаций с пеной у рта и отчетом Смита в руках раз за разом бросались в атаку. За окончательным решением проглядывали премии, награды и целый ряд льгот: расширение, укрупнение, новые здания для испытательных стендов, заказ импортного оборудования и приборов. Обе организации были уверены в прекрасной работоспособности своего детища. Ванникову тоже казалось, что котел будет работать и «стоя», и «лежа». Но своего мнения не высказывал вслух. Никого не перебивал. Только слушал. Должны же они когда-нибудь исчерпать свои аргументы? Тогда он и назначит совместную комиссию из трех или пяти человек и даст ей десять минут для коллегиального решения. Пошли третьи сутки. А спор все не утихал. На самом деле этот технический спор не мог быть решен красноречивыми выступлениями, язвительными замечаниями в адрес дружественного конкурента или логическими аргументами. Критерием истины мог стать только практически опробованный вариант. Но строить два разных котла Ванников не собирался. Поэтому на 91-м часу работы, когда чай и сигареты закончились, а часть «бойцов» мирно дремали в своих креслах, Ванников назначил комиссию.
С небольшим перевесом мнений к исполнению был принят вертикальный вариант.
В августе 1946 года «Проект вертикального аппарата «А» был закончен. На титульном листе комплекта чертежей было написано: «Разработан инженерами института. Фамилии — по алфавиту: Вазингер В.В., Деленс П.А., Мишке В.В., Рылин В.В., Сергеев М.П., Флоринский Б.В.».
Внизу листа стояли подписи начальника лаборатории № 2 И.В. Курчатова, главного технолога И.В. Меркина и руководителя работ Н.А. Доллежаля.
А в это время в Челябинске уже рыли котлован…