Воспоминания ветерана атомной отрасли о встречах с академиком И. В. Курчатовым и о том, как начинались работы по овладению ядерной энергией.
Экспоненциальные опыты по определению критических размеров реактора и чистоты урановых блоков
Теорию экспоненциальных опытов разработал И. Я. Померанчук в январе 1944 года. Однако поставить их И. В. Курчатов и И. С. Панасюк смогли только через два года, когда в Лабораторию начал поступать металлический уран. Эксперимент проводили в два этапа. На первом в графитовой призме размером 100 × 100 × 350 см измерили длину диффузии тепловых нейтронов (L = 48 ± 2 см). На втором использовали бруски с цилиндрическими каналами, которые в разных вариантах эксперимента заполняли ураном полностью (800 кг) или наполовину (400 кг) либо вместо урана в них помещали эквивалентные по поглощению нейтронов алюминиевые цилиндры со смесью бора с парафином. По значениям длины диффузии, полученным в разных вариантах, теория И. Я. Померанчука с поправками В. С. Фурсова для «реактора» бесконечно больших размеров дала величину коэффициента размножения k∞ = 1,09 ± 0,02. Отсюда для критического радиуса реактора Rкр (соответствующего коэффициенту размножения k = 1 для реальных размеров) получилось совсем небольшое значение Rкр = 2,0 м.
Эту оптимистическую величину k∞ ≈ 1,09 получили при использовании всего лишь 800 кг специально отобранного особо чистого урана, а для сооружения реактора требовалось его несколько десятков тонн. Поэтому оставалась весьма актуальной задача проверки качества вновь поступающих партий урана. Чтобы сделать её оперативной (не требующей полной замены всех 800 кг урана), использовали метод, аналогичный применённому для проверки качества графита. Сравнивали скорости счёта нейтронов при замене в призме небольших (100—150 кг) партий урана — испытуемой и эталонной. Годными считались только партии, которые в пересчёте на k∞ давали значения в пределах 1,0 ≤ k∞ ≤ 1,09. Кроме урана проверяли и его оксиды UO2 и U3O8.
Конструкция реактора Ф-1 и особенности его запуска
Игорь Васильевич не стал дожидаться момента поступления достаточного количества урана требуемого качества и решил для сооружения первого физического реактора, названного Ф-1, использовать весь запас незабракованного урана и графита. В этом случае оценка k∞ приводила к значению 1,04, а радиус реактора (с учётом графитового отражателя нейтронов толщиной 0,8 м) достигал 4,5 м. В итоге диаметр шаровидной установки становился 9 м, причём нижнее полушарие требовалось достроить до цилиндра для устойчивости. Оказалось, что для сооружения реактора необходимо примерно 50 тонн урана и 500 тонн графита.
К июню 1946 года уже построили здание «К»1 размером 15 × 40 м и высотой 8,5 м с бетонированным котлованом 10 × 10 м глубиной 7 м для размещения в нём самого реактора. Помещение для обслуживающего персонала также находилось ниже уровня земли и защищалось от радиации железобетонной стеной и 15-метровым слоем грунта. Попасть оттуда в котлован можно было только через зигзагообразный наклонный тоннель, не пропускающий радиацию.
Для уточнения размеров реактора в котловане изготовили несколько его подкритических моделей возрастающих размеров, в центре которых измеряли плотность нейтронов спонтанного деления. Результаты измерений показали, что Rкр можно уменьшить до 3,8 м, а количество графита снизить до 400 тонн.
Сооружение реактора началось 15 ноября 1946 года, когда в Лаборатории оказалось лишь немногим больше половины необходимого металлического урана. Поэтому при сборке использовали также спрессованные из его окислов брикеты. Поскольку бруски графита имели прямоугольную форму 10 × 10 × 60 см, сооружаемая установка представляла собой слоистую конструкцию. Каждый её десятисантиметровый слой был либо чисто графитовый (восемь нижних и восемь верхних слоёв защиты — отражателей нейтронов), либо состоял из брусков графита с просверлёнными в них на определённых расстояниях каналами для урановых блоков и брикетов (60 слоёв активной зоны). Лучшие сорта урана загружали в центр слоя, похуже — дальше от него, брикеты — на периферию. По такому же принципу размещали графит.
В конструкции реактора предусмотрели три вертикальных канала для стержней системы управления и защиты (СУЗ), пять горизонтальных каналов для измерительных приборов и небольших экспериментальных установок, а также сквозной горизонтальный тоннель сечением 40 × 60 см, проходящий через центр реактора. Предполагалось, что его заполнят четырнадцатью вкладышами из уран-графитовой решётки. Сменив вкладыш на установку таких же размеров, можно будет поставить опыт по её облучению в любом месте реактора, включая центр.
В соответствии с проектом реактор должен был приобрести критичность после укладки 68-го слоя. Однако измерение скорости счёта нейтронов спонтанного деления показало, что он может «ожить» раньше. Так и случилось: после укладки 62- го слоя при подъёме стержня СУЗ счёт нейтронов начал неудержимо нарастать, не достигая насыщения, и стержень пришлось опустить. Реактор «ожил» досрочно, не добрав шесть слоёв до проектных шестидесяти восьми, 25 декабря 1946 года в 15 часов. А 28 декабря И. В. Курчатов и кураторы атомного проекта Л. П. Берия, Б. Л. Ванников и М. Г. Первухин рапортовали Сталину о пуске опытного реактора Ф-1. Наши учёные овладели секретом получения атомной энергии.
Через две недели, 9 января 1947 года, в кремлёвском кабинете Сталина состоялось совещание, на котором обсуждалось состояние научно-исследовательских работ по использованию атомной энергии. От Лаборатории № 2 на нём выступили с докладами И. В. Курчатов, И. К. Кикоин, Л. А. Арцимович и Ю. Б. Харитон.
Кинетика реактора Ф-1
Я не участвовал в пуске реактора, но стал работать на нём сразу после этого знаменательного события как дежурный физик.
В Лабораторию продолжали поступать партии урановых блоков. Они предназначались для сооружения уже промышленного реактора, который И. В. Курчатов и В. И. Меркин проектировали с 1945 года. Блоки, как оказалось, гораздо удобнее было проверять не в уран-графитовой призме, а методом сравнения реактивности реактора при его запуске в обычных условиях и после замены некоторого количества «родных» блоков на испытуемые. И меня как «специалиста» по проверке качества урановых блоков (я участвовал в ней весной 1946 года на циклотроне) пригласили заняться этой работой.
Важная особенность Ф-1 — небольшой коэффициент размножения k = 1,005, только на 0,5% превышавший равновесное значение (k = 1). В связи с этим цепная реакция в нём могла происходить только при участии так называемых запаздывающих нейтронов, доля которых в спектре вторичных нейтронов равна 0,64% (то есть больше 0,5%, а значит, без них k < 1). И поскольку запаздывающие нейтроны вылетают при делении не мгновенно, а с некоторой задержкой, то реактор, работающий с их участием, «разгоняется» до заданной мощности и «затухает» после выключения очень медленно. Настолько, что мы управляли им вручную, поднимая и опуская обыкновенной лебёдкой регулирующий стержень с нанесёнными на нём сантиметровыми делениями. За положением стержня наблюдали в перископ. Позднее, в 1950 году, его заменили специальной оптической системой, а лебёдку, ещё при мне, — электромоторами (сельсинами).
В обязанности дежурного физика кроме проверки качества блоков входили запуск реактора и разгон его до определённой мощности с целью измерения величины реактивности ρ = (k — 1)/k ≈ k — 1. Поскольку реактивность зависит от глубины погружения регулирующего стержня линейно, о её величине судили по цифре на стержне, видной в перископ.
Эти работы не требовали от реактора большой мощности и были вполне безопасны для обслуживающего персонала. Если же требовалось получить бóльшую мощность, его запускали дистанционно, из Главного здания, с расстояния более полукилометра. В отличие от первого американского реактора, Ф-1 имел воздушное охлаждение и позволял это делать. Такие запуски проводили по воскресеньям, в отсутствие сотрудников, и на местном жаргоне их называли «свадьбой» (кстати, графитовую призму И. С. Панасюка называли «кучей», а подземную химическую лабораторию Б. В. Курчатова — «погребом»). На реакторе я проработал (с перерывами на текущую работу в секторе № 5) вплоть до осени 1947 года.
Химия плутония
Весной 1947 года в Лаборатории № 2 был сделан ещё один важный шаг на пути к созданию атомной бомбы. Б. В. Курчатов с сотрудниками после облучения на реакторе Ф-1 двух пятикилограммовых порций окислов урана получил весовое количество плутония. В апреле 1947 года Лаборатория уже располагала двумя образцами плутония массой 6,1 и 17,3 мкг, в 1300 раз больше общего количества «циклотронного» плутония. Их использовали для изучения свойств химических соединений плутония, свободного от лантанного носителя, а также для исследования растворимости его труднорастворимых соединений (гидроокиси, фторида, гидрата, перекиси, йодида).
Решение этих задач было необходимо для разработки химических методов выделения плутония в килограммовых количествах из урана, облучённого в промышленном реакторе, строительство которого уже шло под руководством И. В. Курчатова в Челябинске-40 (ныне Производственное объединение «Маяк») на Урале. Его физический пуск состоялся 8 июня, а рабочий, с охлаждающей водой, — 10 июня 1948 года. Для сооружения реактора потребовалось 72,6 тонны урана.
Борис Васильевич проверил свой метод и непосредственно на «Маяке», однако специальная комиссия по приёму и внедрению разработанной технологии отдала предпочтение его «конкуренту», академику В. Г. Хлопину, хотя сам он высоко оценил лантано-сульфатный метод Б. В. Курчатова.
Заданных параметров 100 МВт промышленный реактор достиг 22 июня 1948 года и начал круглосуточную работу по получению в заводских масштабах нового ядерного горючего — плутония. Курчатов вплотную приблизился к главной цели — созданию атомной бомбы.
Арзамас-16
Конструировали и изготавливали атомную бомбу в филиале Лаборатории № 2 — КБ-11 (теперь ВНИИЭФ), находившемся в закрытом городе Арзамас-16 (г. Саров Нижегородской области). Меня командировали туда в конце 1947 года.
Предыстория этой командировки такова. Во время работы на реакторе Ф-1 я познакомился со старшим научным сотрудником сектора № 12 Ю. А. Зысиным, который был связан совместными проектами с КБ-11. Он набирал команду молодых физиков для длительной работы в конструкторском бюро. К осени 1947 года ему удалось сагитировать двух сотрудников Лаборатории, а ближе к зиме он «соблазнил» и меня романтикой участия в создании атомной бомбы. Замечу, что в КБ уже трудились знакомые мне по совместной работе («Наука о воде») Г. Н. Флёров и В. А. Давиденко.
Арзамас-16 вместе с инфраструктурой, железнодорожным вокзалом, монастырём, аэродромом, заводом сельскохозяйственных машин и живописными окрестностями был опоясан изгородью из колючей проволоки длиной около 80 километров. В её пределах кроме местных жили ещё три категории населения: приехавшие в командировку научно-технические сотрудники КБ-11, заключённые, возводившие новые лабораторные корпуса, и, разумеется, охрана.
На следующий день после прибытия нас по очереди принял научный руководитель и главный конструктор КБ-11 член-корреспондент АН СССР Ю. Б. Харитон (директором был генерал П. М. Зернов). Заместителем Юлия Борисовича назначили известного физика-теоретика Я. Б. Зельдовича, самого молодого члена-корреспондента АН СССР в то время. Оба занимали эти высокие посты по праву: именно они ещё в 1939 году создали теорию цепной ядерной реакции деления урана.
Я рассказал Ю. Б. Харитону о работе по радиотехнике и нейтронной физике в секторе № 5, на циклотроне, реакторе Ф-1 и ответил на его вопросы. После этой встречи меня зачислили в лабораторию Г. Н. Флёрова на должность научного сотрудника с окладом, втрое превышавшим тот, который я получал в Лаборатории № 2.
Вначале нам, новичкам, прочитали курс ядерной физики, порекомендовали ряд статей и книг. После завершения образовательной программы каждому определили конкретную задачу. Мне поручили изучить спектр нейтронов деления урана. В это время я уже более или менее ясно представлял состояние атомной проблемы в стране и за рубежом, прочёл известный отчёт Г. Д. Смита «Атомная энергия для военных целей» и хорошо понимал важность и сложность предстоящей работы. Мне надо было измерить спектр не только вторичных нейтронов естественного урана (программа-минимум), но и его чистых изотопов 233U и 235U, а также изотопа плутония 239Рu (программа-максимум).
Во время очередной встречи с Г. Н. Флёровым я поделился с ним своими несколько наивными соображениями о будущих исследованиях по программе-максимум, но он посоветовал сосредоточиться в первое время на программе-минимум, выбрав подходящий метод изучения спектра нейтронов. «Думайте над этим дальше, а о том, что надумаете, расскажете мне, когда я недели через две вернусь из Москвы», — сказал он и улетел в столицу.
В моей голове начал вырисовываться конкретный план предстоящих исследований, выглядевший несколько фантастично, потому что требовал хороших пучков нейтронов (а их не давали ни маленький циклотрон, ни реактор Ф-1) и чистых изотопов урана и плутония, которых тоже пока не было. Тем не менее по возвращении Флёрова из Москвы мы обсудили эту программу и решили, что я возьму на вооружение фотоэмульсионный метод и на первых порах займусь исследованием спектра нейтронов деления естественного урана, зарегистрированного в виде протонов отдачи на фотопластинке, облучённой «в связке» с ураном тепловыми нейтронами2 реактора.
Увы, в Арзамасе эту работу провести мне так и не удалось. Прилетев весной 1948 года на короткое время в Москву (переодеться в летнее), я встретился в Лаборатории № 2 с И. И. Гуревичем, чтобы передать ему от Флёрова нейтронный источник, а заодно обсудить наши проблемы. Внимательно выслушав меня, Исай Исидорович совершенно неожиданно предложил мне не возвращаться в КБ-11, поскольку выполнить намеченную программу можно гораздо быстрее и качественнее у него в секторе. На мой вопрос, не будет ли это плохо воспринято Флёровым, Гуревич ответил, что юридическую сторону ситуации он отрегулирует с Харитоном по телефону. Посоветовавшись с женой, взвесив все плюсы и минусы, я решил остаться в Москве. В результате моя попытка поучаствовать в создании атомной бомбы сорвалась, но началась длительная и вполне успешная работа в секторе Гуревича. Замечу только, что программу-максимум я действительно довольно быстро и хорошо выполнил: её результаты легли в основу кандидатской диссертации, защищённой весной 1952 года.
А спустя пять лет в секторе Гуревича я завершил и другую весьма обширную программу исследований, названную И. В. Курчатовым «Наукой о воде», участниками которой в 1945 году были Г. Н. Флёров, В. А. Давиденко и мы с Д. В. Тимощуком. Я вернулся к этой проблеме в начале 1950-х, когда стало ясно, что при использовании вместо естественного урана (содержащего всего 0,7% изотопа 235U) слегка обогащённого (до 3% 235U) создать реактор с замедлителем из обычной воды вполне возможно. В связи с этим «Наука о воде» стала весьма востребованной, особенно в процессе начавшегося проектирования двухконтурных водо-водяных энергетических реакторов.
И хотя этот цикл работ был завершён в 1957 году, основные результаты выдержали испытание временем и в 1963 году, когда я защищал докторскую диссертацию, оказались лучше аналогичных зарубежных, полученных позже.
Между тем команда Курчатова через год после пуска промышленного реактора на Урале решила и главную задачу: создала первую отечественную атомную бомбу. Её испытали 29 августа 1949 года на ядерном полигоне в прииртышской степи, примерно в 170 км западнее Семипалатинска, тогда Казахской ССР. На следующий день после испытания, 30 августа, Л. П. Берия и И. В. Курчатов подписали и отправили на имя Сталина рукописное сообщение: «Докладываем Вам, товарищ Сталин, что усилиями большого коллектива советских учёных, конструкторов, инженеров, руководящих работников и рабочих нашей промышленности в итоге четырёхлетней напряжённой работы Ваше задание создать советскую атомную бомбу выполнено…»3
Автор выражает искреннюю благодарность П. А. Алексееву, C. С. Попову и М. Е. Хализевой за ценные советы и большую помощь в работе над этой статьёй.
Биографическая справка
Константин Никифорович Мухин, доктор физико-математических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ, родился в 1918 году в Москве. Работает в Национальном исследовательском центре «Курчатовский институт» в должности советника, главного научного сотрудника Института общей и ядерной физики.
Помимо участия в работах по осуществлению атомного проекта он в течение 35 лет в качестве профессора Московского инженерно-физического института (МИФИ) читал расширенный курс экспериментальной ядерной физики, на основе которого был создан учебник для вузов «Экспериментальная ядерная физика» в трёх томах. К. Н. Мухин — автор и соавтор более 160 публикаций по ядерной физике и физике элементарных частиц (в том числе семи книг). Учебник и одна из его научно-популярных книг неоднократно переиздавались и переведены на шесть иностранных языков. Третье издание учебника было отмечено в 1977 году Государственной премией СССР, а седьмое осуществлено в 2009 году. Кроме того, в 2008 и 2011 годах вышли в свет две новые научно-популярные книги: «Ядерная физика для любознательных» и «Российская физика нобелевского уровня» (2-е издание).
Комментарии к статье
1 Его вскоре стали называть «Монтажные мастерские».
2 Тепловые нейтроны — медленные нейтроны с кинетической энергией 0,025 эВ, находящиеся в тепловом равновесии с атомами замедляющей среды.
3 В этом рапорте атомная бомба названа открытым текстом. Другие служебные документы в целях конспирации называли её реактивным двигателем (РД). В первой бомбе (РДС-1) в качестве ядерного заряда был использован Pu-239, во второй (РДС-2) — U-235.
