Создание Ф-1 стало одним из главных достижений Атомного проекта СССР (см. "Наука и жизнь" №№ 3, 7, 2000 г.; № 5, 2002 г.; №№ 1, 2, 2003 г.). Руководить им по рекомендации академика А. Ф. Иоффе поручили сотруднику Ленинградского физико-технического института сорокалетнему доктору физико-математических наук И. В. Курчатову. Он стал начальником Лаборатории № 2, созданной в апреле 1943 года распоряжением президиума АН СССР для проведения работ по атомной бомбе. Курчатов не был тогда даже членом-корреспондентом АН СССР, но его тут же избрали действительным членом академии. Лаборатории № 2 выделили большой участок земли площадью 120 га в районе Покровского-Стрешнева - в то время это была окраина Москвы.
В качестве ядерной взрывчатки можно было использовать изотоп урана-235 или практически отсутствующий в природе элемент плутоний. Этот элемент был найден в продуктах облучения нейтронами урана-238. Уран-235 выделяли из природной смеси изотопов с помощью сепарации, а плутоний получали в специальных устройствах, которые тогда называли атомными котлами (термин "ядерный реактор" стали применять с 1955 года). В котле протекает цепная реакция деления урана-235 с высвобождением большого количества теплоты, которую сейчас используют на атомных электростанциях. Плутоний же на АЭС становится, в сущности, побочным продуктом.
Курчатов понимал, что быстрее и дешевле сделать атомную бомбу с плутониевой начинкой. Значит, необходим котел, в котором нарабатывался бы оружейный плутоний.
Не обошлось и без столкновений идей и характеров, ведь проект возглавляли молодые, амбициозные ученые, не желавшие поступаться своими научными предпочтениями. Так, известный физик-ядерщик академик А. И. Алиханов, поначалу работавший в Лаборатории № 2, предлагал использовать в качестве замедлителя нейтронов тяжелую воду, которая практически не поглощала их. И. В. Курчатов собирался воспользоваться американским опытом и построить котел с замедлителем из графита, аргументируя свою позицию, в частности тем, что уран-графитовый котел обойдется дешевле и времени на его создание понадобится меньше.
В научной полемике никто не хотел уступать, и Курчатов вынужден был воспользоваться своим более высоким служебным положением. По воспоминаниям главы Министерства среднего машиностроения, курировавшего атомную отрасль, Е. П. Славского, на одном из совещаний Курчатов заявил: либо Лаборатория № 2 разрабатывает уран-графитовый котел, либо он отказывается от руководства проектом. Высшие руководители государства приняли точку зрения Курчатова. К слову, атомный котел на тяжелой воде построили в 1949 году в Теплотехнической лаборатории (ныне - Институт теоретической и экспериментальной физики им. А. И. Алиханова), куда перешел А. И. Алиханов. Атомный котел этого типа также сыграл важную роль в создании ядерного оружия: в нем нарабатывали тритий для водородной бомбы.
Опыта сооружения устройств, подобных атомному котлу, у советских ученых и инженеров не было. Все делалось в первый раз. Для котла необходимы были уран, графит, новые конструкционные материалы. Ко всем компонентам предъявлялись неслыханные для того времени требования по химической чистоте, так как малейшие примеси поглощали нейтроны и цепная реакция срывалась.
Теорию и методики расчета надо было разрабатывать на ходу, поэтому сразу браться за строительство котла для выработки плутония в количествах, достаточных для создания бомбы, было бы несерьезно. Решили вначале построить небольшой котел - прототип будущих промышленных реакторов.
Работа пошла по всем направлениям одновременно. К оперативному решению возникавших задач были привлечены многие академические и ведомственные научно-исследовательские и проектные институты (среди них московские Институт физических проблем, Физический институт, Институт физической химии, Институт редких металлов, НИИ графита), а также несколько заводов, в частности завод № 12 в Электростали, где были подходящие плавильные печи.
Академпроекту, который возглавлял известный архитектор А. В. Щусев, было поручено спроектировать здание для атомного котла. Физики ожидали, что от котла будет сильное излучение, поэтому бoльшую часть здания решили расположить ниже уровня земли. К возведению сооружения приступили в начале 1946 года, для чего привлекли строительные части МВД.
Тем временем также участвовавшие в Атомном проекте Ю. Б. Харитон, Я. Б. Зельдович, И. Я. Померанчук, И. И. Гуревич разрабатывали теорию котла и методики его расчета, а З. В. Ершова и Н. П. Сажин - технологию получения урана. В декабре 1943 года был произведен первый килограмм металлического урана в слитке. Производством сверхчистого графита занимались В. В. Гончаров и Н. Ф. Правдюк совместно со специалистами Московского электродного завода - те имели большой опыт работы с графитом, из которого изготовляли электроды дуговых источников света.
Урана, которого требовались сотни тонн, в стране практически не было, и его собирали буквально по граммам. Из оккупированной Германии вывезли найденные там остатки урана и его руды (основная масса досталась американцам). Срочно по всей стране были организованы геологические экспедиции для поиска месторождений урана. Рудники появились в Узбекистане, Таджикистане, Киргизии, на Украине. Руду из горных районов Средней Азии к железной дороге зачастую доставляли на ишаках.
Из металлического урана на заводе в Электростали начали производить блочки - цилиндры диаметром 32 мм и длиной 100 мм. В разработке технологии принимали участие немецкие специалисты. Впоследствии одному из них, Н. Рилю, присвоили звание Героя Социалистического Труда.
Здание для атомного котла, по соображениям секретности, называли в документах и в обиходе "монтажными мастерскими". Вообще, все документы, связанные с Атомным проектом, шли под грифами "совершенно секретно", "особая папка". Применялась и особая система шифровки: так, котел называли "электролизером", вместо слова "уран" писали "кремний" и т. д. Люди при поступлении в Лабораторию № 2 проходили многомесячные проверки и подписывали обязательства о строгом сохранении тайны.
Строительство одноэтажного здания "монтажных мастерских" с котлованом для котла глубиной 7 м и с подземным входом закончили в июле 1946 года.
Так как теория процессов, протекающих в котле, не имела экспериментальных подтверждений, И. В. Курчатов решил продвигаться к расчетному диаметру котла, составлявшему около 6 м, шажками, начав с небольшой модели. Первая уран-графитовая сферическая сборка имела диаметр 1,8 м, а предпоследняя, четвертая - 5,6 м. Все работы вручную выполнял коллектив так называемого сектора № 1 численностью около 30 человек, среди которых около четверти составляли женщины. Сотрудникам пришлось пять раз собирать и разбирать сферу. Графитовые призмы и урановые блочки таскали буквально "на пузе". А ведь это несколько сотен тонн! Иногда в такелажных работах принимал участие и сам Игорь Васильевич.
Специалисты Лаборатории № 2 И. С. Панасюк, Б. Г. Дубовский, И. Ф. Жежерун, К. Н. Шлягин, Н. В. Макаров, Е. Н. Бабулевич и другие конструировали и изготовляли приборы для систем управления, контроля и дозиметрии.
В ноябре 1946 года началась сборка самого котла. Для этого послойно укладывали графитовые брикеты размером 100х100х600 мм с тремя цилиндрическими отверстиями, в которые вставляли урановые блочки.
Активную зону котла, который в документах назывался Ф-1 (первый физический), оборудовали поглощающими кадмиевыми стержнями для управления цепной реакцией, а также датчиками и приборами контроля нейтронного потока. После укладки очередного слоя поглощающие стержни извлекали и измеряли нейтронный поток, который нарастал по мере увеличения высоты конструкции.
К вечеру 25 декабря 1946 года был уложен последний 62-й слой активной зоны. Перед тем как поднять поглощающие стержни, еще раз проверили все системы безопасности. Но на всякий случай возле троса, на котором был подвешен кадмиевый стержень аварийной защиты, Игорь Васильевич велел положить самый обыкновенный топор: если возникнет аварийная ситуация, а приборы защиты не сработают, трос нужно было перерубить, тогда стержень упадет в активную зону и прервет цепную реакцию.
У пульта управления остались только ответственные за работу основных систем котла и уполномоченный Совета министров Н. И. Павлов. Игорь Васильевич сам сел за пульт и начал извлекать из активной зоны кадмиевые стержни. Счетчик радиации - "щелкун" - зафиксировал нейтронный поток, который рос в геометрической прогрессии. Когда, по показаниям гальванометра, выделяемая в котле тепловая мощность достигла нескольких десятков ватт, Курчатов с помощью регулирующих стержней стабилизи ровал процесс и вскоре, используя стержень аварийной защиты, заглушил реакцию. Всего в этот день котел проработал около четырех часов.
Об успешном пуске котла Игорь Васильевич сразу же сообщил главному куратору Атомного проекта Л. П. Берия. Тот, не очень доверяя ученым и желая перед докладом Сталину убедиться во всем своими глазами, попросил Курчатова на следующий день еще раз запустить ядерную реакцию в его присутствии. Пуск котла, естественно, повторили.
В активной зоне котла находилось 400 т графита и 50 т урана. Практически с первого же дня котел стали эксплуатировать в круглосуточном режиме при мощности от 100 Вт до 1000 кВт. Специальной системы теплоотвода не было, и при работе на больших мощностях тепло аккумулировалось в большой массе графита. Затем графитовую кладку охлаждали струей воздуха от вентилятора.
В официальном отчете руководству страны Курчатов писал: "В результате большой и напряженной работы, проведенной коллективом в течение июля 1943 - декабря 1946 года, удалось 25 декабря 1946 года в 18 часов впервые наблюдать цепную саморазвивающуюся реакцию в осуществленном надкритическом уран-графитовом котле с практически полным и, по-видимому, самым рациональным использованием всех изготовленных к этому времени урановых и графитовых блоков".
Таким образом, от момента организации Лаборатории № 2 АН СССР до пуска первого котла Ф-1 прошло менее четырех лет. За этот сравнительно небольшой срок ученым удалось создать основы теории ядерных процессов в атомном котле, наладить производство урановых тепловыделяющих элементов и сверхчистого графита, сконструировать и изготовить приборы контроля и управления цепной реакцией и, наконец, построить сам котел.
В котле Ф-1 были получены значительные, так называемые весовые количества плутония (до этого физики располагали лишь совсем малым, индикаторным, количеством этого элемента, достаточным лишь для идентификации; его получали в лаборатории с использованием источника нейтронов). Блочки, в которых часть урана-238 превратилась в плутоний, доставили в НИИ-9, руководимый А. А. Бочваром. Сотрудники института выделили новый элемент и приступили к исследованиям его ядерных и физико-химических свойств, без чего невозможно было сконструировать атомную бомбу.
Чтобы наработать необходимое химикам количество плутония, котел нужно было хотя бы периодически выводить на мощность в несколько сотен киловатт. Но поскольку биологической защиты у котла практически не было, около здания отмечался очень высокий радиационный фон. Во время работы котла в форсированном режиме им управляли из помещения, расположенного на расстоянии около 500 м, а на крыше "монтажных мастерских" загорался большой красный фонарь. Этот сигнал предупреждал сотрудников Лаборатории об опасности, о том, что к зданию подходить нельзя.
Опыт эксплуатации Ф-1 позволил приступить к строительству на Урале (ныне - город Озерск) первого промышленного котла И-1 мощностью 100 тысяч киловатт. Он заработал в июне 1948 года. К лету 1949 года из облученного в нем урана было выделено примерно 4 кг плутония, из которого под руководством Ю. Б. Харитона в Арзамасе-16 (ныне - город Саров) были изготовлены первый ядерный заряд и первая ядерная бомба Ее успешные испытания прошли в августе 1949 года на полигоне под Семипалатинском.
Даже когда практическая надобность в реакторе Ф-1 отпала, его решили не разбирать, как это сделали американцы с первым реактором Ферми. И, как оказалось, не напрасно. Ветеран продолжает работать на старом месте, и благодаря высокой стабильности нейтронного потока его используют в качестве эталона для калибровки аппаратуры, предназначенной для реакторов новых АЭС.
