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.