Первый отечественный ядерный реактор Ф-1

Создание ядерного реактора Ф-1 – устройства, в котором осуществляется управляемая ядерная цепная реакция под действием нейтронов, сопровождающаяся выделением энергии, стало одним из первых достижений атомного проекта СССР. Реактор Ф-1 (что расшифровывалось как "физический первый") предназначался для проведения исследований, обосновывающих сооружение промышленных уран-графитовых реакторов для производства оружейного плутония.

Датой начала советского атомного проекта считается 28 сентября 1942 года, когда было подписано постановление Государственного комитета обороны "Об организации работ по урану". Документом предписывалось возобновить в Советском Союзе прерванные с началом Великой Отечественной войны (1941-1945) работы по исследованию возможности овладения внутриядерной энергией. В военные годы это означало, прежде всего, исследование возможности создания урановой (атомной) бомбы. Научным руководителем советского атомного проекта был назначен один из основоположников физики атомного ядра в СССР, профессор Ленинградского физико-технического института (ныне Физико-технический институт имени А.Ф. Иоффе Российской академии наук) Игорь Курчатов. В 1943 году в Москве под его руководством была организована Лаборатория № 2 Академии наук СССР, выросшая впоследствии в Институт атомной энергии им. И.В. Курчатова (ныне Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт").

(первоначальное название авиационной ядерной бомбы), действие которой основано на взрывной цепной ядерной реакции деления, нужна была ядерная "взрывчатка". В качестве нее можно использовать плутоний-239, нарабатываемый в ядерных реакторах путем облучения урана, или оружейный обогащенный уран-235.

Курчатов понимал, что быстрее и дешевле сделать первую советскую атомную бомбу с начинкой из плутония, но для его получения нужен реактор-наработчик, которого в стране не было. Для того чтобы строить свой первый реактор-наработчик оружейного плутония, надо было создать и пустить относительно небольшой экспериментальный реактор, или, как он тогда назывался, котел – прототип будущих промышленных реакторов.

Игорь Курчатов решил 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. С учетом тяжелейших условий послевоенных лет это была задача огромной трудности.

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 невиданные для того времени требования по химической чистоте, так как наличие различных примесей могло привести к поглощению ими нейтронов и затуханию цепной реакции. Для строительства первого реактора надо было разработать математическую модель его конструкции, создать необходимые методы расчетов.

Работы велись одновременно по многим направлениям. К ним были привлечены многие академические и ведомственные научно-исследовательские и проектные институты, а также несколько заводов. В частности, урановые блочки (небольшие по размеру цилиндры из металлического урана) выпускались на заводе №12 в Электростали (сейчас это предприятие госкорпорации "Росатом" "Машиностроительный завод").

Урана, которого требовались сотни тонн, в СССР тогда практически не было. Из Германии вывезли найденные там остатки немецкого урана и его руды (основная его доля досталась американцам). По всему Советскому Союзу организовали геологические экспедиции для поиска месторождений урана, рудники появились в Средней Азии и на Украине.

Ядерный реактор Ф-1 решено было построить на территории Лаборатории №2. Для него под руководством советского архитектора Алексея Щусева проектировалось особое здание, с целью сохранения секретности получившее название "Монтажные мастерские". Поскольку ученые понимали, что от реактора во время его работы будет идти сильное радиоактивное излучение, большую часть здания решили разместить ниже уровня земли. Здание с шахтой для реактора глубиной 10 метров, надежной биологической защитой, приборами внутреннего и внешнего дозиметрического контроля, дистанционным управлением реактором закончили строить летом 1946 года.

Проектированием и сборкой котла Игорь Курчатов занимался лично, привлекая к работе лишь узкий круг специалистов из числа своих учеников. Из различных вариантов был выбран гетерогенный реактор, где уран располагается отдельными блоками между замедлителем реакции, в качестве которого использовался графит.

С января 1946 года, когда в Лабораторию № 2 стал поступать уран и графит необходимого качества и в необходимых объемах, ученые и инженеры под руководством Игоря Курчатова приступили к моделированию сборки активной зоны первого реактора. Реактор строили днем и ночью. В армейских палатках на территории Лаборатории № 2 научные сотрудники, лаборанты, рабочие вручную собирали графитовые призмы с ураном, проводили эксперименты, изучали характеристики урановых блоков, выбирали их оптимальные размеры. Поочередно были собраны четыре сборки с все более увеличивающимися размерами, и в результате спрогнозированы основные размеры реактора, в котором могла быть получена самоподдерживающаяся цепная реакция деления ядер урана.

В середине ноября 1946 года в новом здании началось сооружение реактора. Сборка реактора велась чрезвычайно тщательно, так как даже малейшая погрешность могла серьезно повлиять на его работу. Уран-графитовая активная зона реактора вместе с графитовым отражателем набирались послойно из графитовых блоков квадратного сечения с тремя цилиндрическими отверстиями, в которые вставляли блочки из металлического урана или его соединений, очехлованных в оболочку из алюминиевого сплава. Полная структура реактора выглядела как кубическая решетка урана, погруженная в графитовую сферу диаметром шесть метров.

Сооружение котла началось со дна шахты. По предварительным расчетам, для того чтобы достичь рабочего (на языке атомщиков – критического) состояния реактора, требовалось выложить около 70 слоев графитовых блоков. Но ученые понимали опасность слепого доверия к расчетным данным, так как цепная реакция могла развиться и раньше планируемого времени. Поэтому сборку вели очень осторожно, постоянно наблюдая за уровнем нейтронного потока внутри уран-графитовой конструкции. Начиная с 38-го слоя каждый следующий слой укладывали только при опущенных в активную зону реактора стержнях аварийной защиты, назначение которых – поглощать нейтроны и тем самым гасить цепную реакцию. Затем стержни аккуратно поднимали и замеряли уровень потока нейтронов. Далее стержни вновь опускали, а сборку продолжали. Как вспоминали участники тех работ, после 50-го слоя Курчатов практически не выходил из здания реактора.

Новые расчеты предсказывали, что цепная реакция начнется на 61-м слое, он был собран к вечеру 24 декабря. Курчатов попытался начать пуск, но приборы показали, что надо все-таки класть еще один слой графита. Его выкладка закончилась днем 25 декабря. Перед тем как поднять аварийные стержни, еще раз тщательно проверили все системы безопасности. Курчатов приказал всем, кто не имел непосредственного отношения к пуску, на всякий случай покинуть здание, а сам сел за пульт управления котлом и начал осторожно поднимать из активной зоны стержни аварийной защиты.

Саморазвивающаяся цепная ядерная реакция с экспоненциально растущей плотностью потока нейтронов была получена в 18 часов 25 декабря 1946 года. Этот момент считается временем пуска реактора Ф-1 – первого на евразийском континенте. Данное событие позволило в кратчайшие сроки создать советскую атомную бомбу, восстановив тем самым ядерный паритет в мире, и избежать новой мировой войны, а также дало начало многим мирным ядерным направлениям, в которых Россия сейчас занимает лидирующие позиции в мире.

Реактор Ф-1 в первый день проработал всего около четырех часов. Он не имел системы охлаждения, поэтому длительная работа на сколько-нибудь большой мощности была невозможна. Тем не менее, из-за большой массы активной зоны кратковременное повышение мощности вполне было достижимо. Затем графитовую кладку охлаждали струей воздуха от вентилятора.

В активной зоне котла находилось 400 тонн графита и 50 тонн урана. Практически с первого же дня реактор стали эксплуатировать в круглосуточном режиме при мощности от 100 ватт до 1000 киловатт. Однако несколько раз он выводился на мощность до 4 мегаватт для ускорения накопления микрограммовых количеств плутония-239 и исследования свойств этого нового элемента.

На реакторе Ф-1 под руководством Игоря Курчатова были выполнены уникальные нейтроннофизические исследования для обоснования проектов разрабатываемых промышленных уранграфитовых реакторов. В первую очередь, были проведены измерения ядерных констант, которые являлись решающими при расчетном определении величины критической массы, коэффициента размножения и других физических параметров. В результате появилась уверенность в возможности осуществления цепной реакции деления и, следовательно, проектов промышленных реакторов, то есть в правильности выбранных решений.

Длительное время на реакторе Ф-1 продолжались исследовательские работы. В частности, с использованием возможностей реактора был разработан и внедрен современный метод измерения характеристик спектров нейтронов для ядерных установок различного назначения.

Реактор Ф-1 проработал до 2012 года. В настоящее время он имеет статус памятника науки и техники Российской Федерации. В 2016 году реактор Ф-1 стал музеем.

Материал подготовлен на основе информации РИА Новости и открытых источников