Реактор Ф-1 должен был представлять собой сложенный из 75 слоев графитовых кирпичей почти идеальный шар диаметром 8 метров, внутри него при монтаже предполагалось распределить на расстоянии 20 сантиметров друг от друга несколько тысяч небольших урановых блочков цилиндрической формы.
Ответственным за проект и сборку котла был назначен старший инженер сектора «К» Алексей Алексеевич Журавлев. Успех дела обеспечивало наличие необходимого количества исходных материалов: 45 тонн урана и 400 тонн графита, а также их ядерная «чистота», то есть отсутствие посторонних примесей.
По заданию Курчатова проект здания для размещения первого советского атомного котла был выполнен в мастерской академика Щусева. Условное название секретного сооружения «К» — «здание монтажных мастерских» («монтажка»). За три месяца, с апреля по июнь 1946 года, ударная бригада строителей, работая круглосуточно, соорудила нечто похожее на классический крытый манеж. В восточной части его был вырыт и забетонирован котлован площадью 10 на 10 метров и глубиной 7 метров, почти до почвенных вод. Он предназначался для графитовой сборки.
С западной стороны к огромному залу примыкало помещение спецлаборатории, в подземном этаже которой разместили оборудование контроля и управления. Из этой «подземки» можно было добраться до дна бетонного котлована и подойти непосредственно к графитовому шару. Туда вел полуосвещенный коридор-лабиринт, окруженный для защиты от радиации толстыми листами свинца и блоками из смеси парафина и борной кислоты.
Вход в лабораторию был замаскирован и находился на некотором удалении от здания, в подвале.
Транспортные ворота с восточного торца здания «К» в дневное время были всегда закрыты и находились под усиленной охраной.
В начале ноября 1946 года началась ночная транспортировка проверенных на «чистоту» графита и урана из брезентовой армейской палатки во дворе лаборатории в здание «К». Операция проводилась скрытно, поскольку истинное назначение «монтажки» скрывалось от сотрудников других секторов. Более того, даже лаборанты, рабочие и техники, непосредственно участвовавшие в сборке графитовой сферы внутри здания, не имели представления о том, что именно они монтируют.
Сборку котла планировалось производить горизонтальными слоями толщиной 10 сантиметров (в соответствии с высотой графитовых кирпичей), начиная со дна котлована. На каждый слой была составлена картограмма. Сначала укладывался графит, потом в его цилиндрические отверстия вставлялись стоймя урановые блочки. Затем — новый слой. И так далее, вплоть до 75-го слоя, когда котел, по теоретическим расчетам, должен был достигнуть критических размеров и заполыхать нейтронным огнем.
В сборке предусматривались три сквозных вертикальных канала для свободного перемещения в них специальных стержней управления и защиты, изготовленных в лаборатории рабочими-умельцами. Стержни представляли собой полые дюралевые трубки длиной около пяти метров, внутри которых находился свернутый в рулон листовой кадмий. Этот элемент обладает сильнейшей поглощающей способностью по отношению к нейтронам. Двух подобных стержней, сброшенных внутрь котла, было вполне достаточно, чтобы немедленно прервать цепную реакцию в случае какой-либо аварийной ситуации.
Третий, центральный, канал предназначался для «управляющего» стержня. Плавно погружая или извлекая его из графитовой сборки, можно было регулировать величину нейтронного потока в котле, то есть управлять его мощностью. Этот стержень подвешивался на стальном тросике к потолку зала. Через направляющие ролики, установленные на чердаке, трос протягивался через весь зал, а затем изменял направление на 90 градусов и попадал в подземную лабораторию. Здесь конец троса крепился на валу лебедки, приводящейся в движение с помощью обычной рукоятки. Вращая рукоятку, можно было опускать или поднимать управляющий стержень, регулируя мощность котла.
В кладке имелись также сквозные горизонтальные каналы для установки в них контрольно-измерительного оборудования и образцов различных материалов. В котле предполагалось облучать мощным нейтронным потоком также и живые организмы (крыс, собак) для изучения биологического воздействия.
15 ноября 1946 года Курчатов дал команду начать сборку первого слоя. Приближение котла к критическим размерам тщательно контролировалось. Случайный бесконтрольный разгон реактора чреват был тяжелейшей, масштабной аварией, граничащей с катастрофой.
Поэтому, начиная с монтажа 50-го слоя, Курчатов практически не покидал «монтажку», лично следя за показаниями приборов при проведении пусковых экспериментов.
Котел достиг критичности значительно раньше, чем прогнозировалось теоретиками и расчетчиками. Днем 25 декабря после монтажа 62-го слоя реактор «задышал». Ночью Игорь Васильевич, удалив всех лишних из здания, попытался в присутствии четырех инженеров запустить котел. Поднимая управляющий стержень ступеньками на двадцать сантиметров, ученые следили за нарастанием нейтронного потока по пусковому гальванометру, прислушиваясь к щелчкам в динамиках. Их частота соответствовала скорости нарастания потока нейтронов. Когда стрелка показывающего прибора приблизилась к отметке на шкале «100 ватт», «щелкунчики» захлебнулись в ровном гуле.
Для Курчатова и его сотрудников, участвовавших в пуске реактора, этот гул был прекрасной симфонией спонтанного восторга и ликования души. Все они не спали уже третьи сутки. Не было физических сил для шумного радостного торжества.
Курчатов опустил стержень вниз, заглушив котел. Положил руки на колени и торжественно молчал. Все вокруг старались ничем не нарушить эту тишину.
Игорь Васильевич понимал, что он в присутствии свидетелей обязан сейчас произнести какую-то историческую фразу. Он встал из-за пульта, присел несколько раз, разминая затекшие ноги, и без всякого пафоса в голосе произнес:
— Атомная энергия теперь подчинена воле советского человека.
Все участники пуска поздравили друг друга с необычным и особенным «рождеством».
Курчатов вышел один из здания. Прогуляться, подышать свежим воздухом и придти в себя…
Черная ночь. Мириады звезд на небе. Вышло сегодня! Вышло! Теперь имеем кое-что! Какая всё-таки это счастливая жизнь: Физика! Надо сразу утром позвонить Берия, Ванникову. Пригласить их в гости, на демонстрационный официальный Пуск…
Берия приехал на смотрины через два дня. Ему хотелось увидеть своими глазами, в натуре, первую в Европе и Азии цепную реакцию деления урана.
Сначала Лаврентий Павлович проверил расписку 17 инженеров, обязывающую их не разглашать государственную тайну: факт пуска в СССР физического реактора. Потом выслушал пояснения Курчатова. Для демонстрации успеха высокому начальству Курчатов поднял мощность до рискованной отметки в один киловатт. В репродукторах слышался сплошной вой. Стрелка показывающего прибора гнулась в правом конце шкалы. Игорь Васильевич торжествующе посмотрел на Берия.
— И это всё? — спросил тот недоуменно. — И больше ничего?
Присутствующие инженеры были в замешательстве.
Берия тут же спохватился. Решил царственно, великодушно поддержать их энтузиазм.
— Ну, хорошо. Спасибо, — произнес он. — Работайте дальше.
И потом тихо, только Курчатову:
— Надо написать. Ему!
По дороге в Кремль Берия благодушествовал. Не болтуны все-таки… Что-то могут… Если, конечно, их постоянно контролировать. И чуть-чуть поджимать.
«Докладная записка… Сов. секретно
Товарищу Сталину И. В.
Докладываем:
25 декабря 1946 года в лаборатории т. Курчатова закончен сооружением и пущен в действие опытный физический уран-графитовый котел. В первые же дни работы (25-26-27 декабря) уран-графитового котла мы получили впервые в СССР в полузаводском масштабе ядерную цепную реакцию.
При этом достигнута возможность регулировать работу котла в нужных пределах и управлять протекающей в нем цепной ядерной реакцией. Построенный опытный физический уран-графитовый котел содержит 24 800 килограммов совершенно чистого металлического урана, 12 900 килограммов чистой двуокиси урана и 420 000 килограммов чистого графита.
С помощью построенного физического уран-графитового котла мы теперь в состоянии решить важнейшие вопросы проблемы промышленного получения и использования атомной энергии, которые до сего времени рассматривались только предположительно, на основании теоретических расчетов.
Л. П. Берия
И. В. Курчатов
Б. Л. Ванников
М.Г. Первухин
28/ХП-1946».
Пуск реактора Ф-1 можно считать переломным моментом в советском атомном проекте. Теперь в руках физиков появился незаменимый инструмент для многочисленных насущных экспериментов. Конечно, стационарная мощность котла не могла быть большой, поскольку в нем не было предусмотрено охлаждение топливных урановых элементов, и поэтому существовала опасность расплавления блочков от саморазогрева.
