Первый реактор Ф-1

Соз­да­ние реак­тора Ф-1 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. Руко­вод­ство соз­да­нием первого совет­ского атом­ного реак­тора было пору­чено Игорю Васи­лье­вичу Кур­ча­тову, началь­нику лабо­ра­то­рии № 2.

После про­ве­де­ния мно­го­чи­с­лен­ных рас­чет­ных и экс­пе­ри­мен­таль­ных иссле­до­ва­ний были опре­де­лены основ­ные пара­метры буду­щего реак­тора.

Не обо­шлось и без стол­к­но­ве­ний идей и харак­те­ров, ведь проект воз­гла­в­ляли молодые, амби­ци­озные ученые, не желав­шие посту­паться своими науч­ными пред­по­чте­ни­ями. Так, ака­демик А. И. Али­ха­нов 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.

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.

В конце 1945 года начали выпус­кать уран и графит необ­хо­ди­мого каче­ства и в необ­хо­ди­мых объемах. По мере поступ­ле­ния мате­ри­а­лов с пред­при­ятий нача­лось моде­ли­ро­ва­ние сборки актив­ной зоны реак­тора, который решили строить на тер­ри­то­рии Лабо­ра­то­рии № 2. Днем и ночью, в армейских палат­ках, научные сотруд­ники, лабо­ранты, рабочие соби­рали гра­фи­то­вые призмы с ураном, про­во­дили экс­пе­ри­менты, изучали харак­те­ри­стики ура­но­вых блоков, выби­рали их опти­маль­ные размеры. Летом 1946 года было завер­шено стро­и­тель­ство спе­ци­аль­ного здания «К» с шахтой для реак­тора глу­би­ной 10 метров. Такое заглу­б­ле­ние было при­з­вано сыграть роль биоло­ги­че­ской защиты от излу­че­ния.

Из раз­лич­ных вари­ан­тов был выбран гете­ро­ген­ный реактор, где уран рас­по­ла­га­ется отдель­ными блоками между замед­ли­те­лем реакции, в каче­стве кото­рого исполь­зо­вался графит. Поо­че­редно были собраны четыре сборки со все более уве­ли­чи­ва­ю­щимися раз­ме­рами, и в резуль­тате спро­гно­зи­ро­ваны основ­ные размеры реак­тора, в котором могла быть полу­чена само­под­дер­жи­ва­ю­ща­яся цепная реакция деления ядер урана.

15 ноября 1946 г. в новом здании «К» нача­лось соо­ру­же­ние реак­тора. Уран-гра­фи­то­вая актив­ная зона реак­тора вместе с гра­фи­то­вым отра­жа­те­лем наби­рались послойно. Для этого послойно укла­ды­вали гра­фи­то­вые брикеты раз­ме­ром 100×100×600 мм с тремя цилин­дри­че­скими отвер­сти­ями, в которые вста­в­ляли ура­но­вые блочки (как и в первом аме­ри­кан­ском реак­торе, постро­ен­ном под руко­вод­ством Ферми, в Ф-1 исполь­зо­вался метал­ли­че­ский уран с при­род­ным содер­жа­нием урана 235) Всех лишних людей Кур­ча­тов удалил, оставив несколько самых необ­хо­ди­мых сотруд­ни­ков.

25 декабря 1946 года в 14 часов был собран 62 слой и начался осто­рож­ный подъем кад­ми­е­вых стер­ж­ней регу­ли­ро­ва­ния пор­ци­ями по 10-20 см с изме­ре­нием ско­ро­сти счета нейтро­нов и постро­е­нием графика зави­си­мо­сти ско­ро­сти счета от поло­же­ния стержня.

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.

Реактор 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 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.

И. В. Сталин высоко оценил завер­ше­ние стро­и­тель­ства и пуск первого ядер­ного реак­тора. 9 января 1947 года, через две недели после пуска Ф-1, он принял в Кремле членов Спе­ци­аль­ного коми­тета, ведущих учёных и спе­ци­али­стов — участ­ни­ков совет­ского атом­ного проекта — и заслу­шал доклады о состо­я­нии работ. В сове­ща­нии, которое про­дол­жа­лось около трёх часов, приняли участие В. М. Молотов, Л. П. Берия, Г. М. Мален­ков, Н. А. Воз­не­сен­ский, М. Г. Пер­ву­хин, В. А. Малышев, Ю. Б. Харитон, А. П. Заве­ня­гин, П. М. Зернов, И. В. Кур­ча­тов и др. На сле­ду­ю­щий день после сове­ща­ния И. В. Сталин утвер­дил поста­но­в­ле­ние СМ СССР о преми­ро­ва­нии И. В. Кур­ча­това и Л. А. Арци­мо­вича (соот­вет­ственно за соз­да­ние и пуск реак­тора Ф-1 и соз­да­ние уста­новки по элек­тро­маг­нит­ному методу раз­де­ле­ния изо­то­пов урана). В марте 1947 года были преми­ро­ваны и их сотруд­ники, при­ни­мав­шие участие в этих работах, а также немец­кие учёные и спе­ци­али­сты — участ­ники совет­ского атом­ного проекта.

Иссле­до­ва­ния пока­зали, что реактор при пол­но­стью извле­чен­ных стер­ж­нях имел Кэфф=1,00075. В даль­нейшем реактор незна­чи­тельно пере­стра­и­вался, вслед­ствие чего в даль­нейшем Кэфф составил 1,002.

Для иссле­до­ва­ния пове­де­ния реак­тора на больших уровнях мощ­но­сти упра­в­ле­ние реак­то­ром осу­ще­ст­в­ля­лось дистан­ци­онно из Глав­ного здания, рас­поло­жен­ного на рас­сто­я­нии 1,5 км. Фак­ти­че­ски это был первый опыт дистан­ци­он­ного упра­в­ле­ния реак­то­ром с такого боль­шого рас­сто­я­ния. Реактор раз­го­нялся до срав­ни­тельно больших мощ­но­стей, при этом блоки урана цен­траль­ной области реак­тора нагре­вались до 60-70 оС, а цен­траль­ная часть в целом до 20-30 оС. Разгоны исполь­зо­вались для накоп­ле­ния плу­то­ния, биоло­ги­че­ских опытов, изу­че­ния пове­де­ния мате­ри­а­лов под действием ради­а­ции. В ходе этих работ был обна­ру­жен эффект само­ре­гу­ли­ро­ва­ния реак­тора за счет физи­че­ских харак­те­ри­стик актив­ной зоны. При высво­бо­жде­нии полного запаса реак­тив­но­сти мощ­ность реак­тора дости­гала при­мерно 3890 кВт, а затем начи­нался спад мощ­но­сти за счет отри­ца­тель­ных коэф­фи­ци­ен­тов реак­тив­но­сти как на уране, так и на графите. Таким образом, экс­пе­ри­мен­тально было пока­зано, что малый запас реак­тив­но­сти и отри­ца­тель­ный тем­пе­ра­тур­ный коэф­фи­ци­ент реак­тив­но­сти реак­тора пол­но­стью обес­пе­чи­вали его ядерную безо­пас­ность.

Реактор Ф-1 стал мощным сред­ством для изу­че­ния физи­че­ских харак­те­ри­стик мате­ри­а­лов и эле­мен­тов актив­ной зоны первого про­мыш­лен­ного реак­тора.

Для стро­я­ще­гося первого про­мыш­лен­ного реак­тора в 1947 году в экс­пе­ри­мен­таль­ном тоннеле реак­тора Ф-1 были про­ве­дены работы по оптими­за­ции решетки с исполь­зо­ва­нием имита­то­ров и эле­мен­тов актив­ной зоны про­мыш­лен­ного реак­тора, а также алю­ми­ни­е­вых изделий (оболо­чек ура­но­вых блочков, труб тех­ноло­ги­че­ских каналов). Были про­ве­рены все партии урана для про­мыш­лен­ного реак­тора.

На реак­торе были про­ве­дены мно­го­чи­с­лен­ные иссле­до­ва­ния в области ядерной физики, изме­рены неко­то­рые ядерные харак­те­ри­стики деля­щихся веществ. Так, были выпол­нены изме­ре­ния коли­че­ства рожда­ю­щихся вто­рич­ных нейтро­нов на один нейтрон, погло­щен­ный деля­щимся веще­ством, про­ве­дены изме­ре­ния резо­нан­с­ного захвата нейтро­нов в ура­но­вых блоках раз­лич­ных диа­мет­ров.

В 1952 году была про­ве­дена модер­ни­за­ции системы упра­в­ле­ния и защиты реак­тора Ф-1, заменен пульт, привода стер­ж­ней регу­ли­ро­ва­ния и ава­рий­ной защиты, датчики и приборы кон­троля (которые к этому времени начала выпус­кать про­мыш­лен­ность).

В 1958 году для уси­ле­ния ради­а­ци­он­ной защиты кот­ло­ван реак­тора был пере­крыт желе­зо­бетон­ной плитой тол­щи­ной 0,65 метра. Тогда же была уста­но­в­лена биоло­ги­че­ская защита и по пери­метру пере­кры­тия высотой 2,46 м и тол­щи­ной 0,65 м.

В 1960 году начались работы на смон­ти­ро­ван­ном тем­пе­ра­тур­ном стенде РБМК с под­кри­ти­че­ской уран-гра­фи­то­вой сборкой рас­по­ла­гав­шейся на широком нейтрон­ном пучке в проеме биоло­ги­че­ской защиты реак­тора.

В 1961 году еще над одним из проемов в биоло­ги­че­ской защите была смон­ти­ро­вана гра­фи­то­вая теп­ло­вая колонна с раз­ме­рами 2,4х1,4х1,2 м.

В 1968 году на реак­торе Ф-1 начались работы по иссле­до­ва­нию спек­траль­ных харак­те­ри­стик решеток типа ВВЭР для отра­ботки методик спек­траль­ных изме­ре­ний на под­кри­ти­че­ской сборке ВВЭР.

Еже­год­ная пере­ат­те­ста­ция реак­тора на про­тя­же­нии десят­ков лет сви­детель­ство­вала о высокой ста­биль­но­сти пара­мет­ров поля нейтро­нов. В связи с раз­ра­бот­кой в СНИИП аппа­ра­туры для систем упра­в­ле­ния и защиты реак­то­ров атомных станций и других ядерных уста­но­вок на реак­торе Ф-1 про­во­ди­лись натур­ные испы­та­ния этой аппа­ра­туры. Аппа­ра­тура СУЗ «Иней», «Суган», «Карпаты», серийно выпус­ка­е­мая про­мыш­лен­но­стью для реак­то­ров России и других стран, про­хо­дила атте­ста­цию на реак­торе Ф-1.

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.

Более 60-лет реактор Ф-1 нахо­дился в рабочем состо­я­нии. В насто­я­щее время реактор Ф-1 имеет статус памят­ника науки и техники Рос­сийской Феде­ра­ции.