8
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.
