Первый
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 И. В. 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. В конечном счете, И. В. Курчатов заявил: либо Лаборатория № 2 разрабатывает уран-графитовый котел, либо он отказывается от руководства проектом.
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 удалось добиться производства урана и графита 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 физические эксперименты, изучали характеристики урановых блоков, выбирали их оптимальные размеры. Были выполнены десятки экспериментов, и по мере накопления экспериментальных данных уточнялись физические параметры и совершенствовалась теория реакторов.
Из различных вариантов был выбран гетерогенный реактор, где уран располагается отдельными блоками между замедлителем реакции, в качестве которого использовался графит. Поочередно были собраны четыре подкритические сборки со все более увеличивающимися размерами, и в результате спрогнозированы основные размеры реактора, в котором могла быть получена самоподдерживающаяся цепная реакция деления ядер урана. Расчеты позволили оценить примерные размеры реактора и необходимое для него количество графита (примерно 400 т) и урана (примерно 50 т).
Размещение реактора Ф-1 предполагалось в специальном здании «К» с бетонным котлованом глубиной 7 метров и подземной лабораторией с пультом управления. Такое заглубление было призвано сыграть роль биологической защиты от излучения. Котлован был оборудован системой радиационного контроля, вытяжной и приточной вентиляцией, сигнализацией и пр. Попасть из лаборатории в котлован можно было только через узкий зигзагообразный лабиринт, сложенный из толстых слоев свинца и блоков из смеси парафина и борной кислоты. Летом 1946 года строительство здания было завершено.
15 ноября 1946 года в здании началось сооружение реактора. Для экономии материалов область уран-графитовой решетки должна была иметь форму шара, радиусом 3 м, окруженного сферической графитовой изоляцией и вмонтированного для устойчивости в графитовый цилиндр. 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. Всего было просверлено 30 тыс. отверстий для урана с образованием пространственной решетки с определенным шагом. Как и в первом американском реакторе, построенном под руководством Ферми, в реакторе Ф-1 использовался металлический уран с природным содержанием урана-235. Для стержней системы управления предусматривались три вертикальных канала (один регулирующий и два аварийных), а также шесть горизонтальных экспериментальных каналов.
При сооружении реактора велся тщательный контроль потока нейтронов. 25 декабря 1946 года в 14 часов был собран 62 слой и стало ясно, что реактор достиг критичности. 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. Всех лишних людей Курчатов удалил, оставив несколько самых необходимых сотрудников.
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.
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 мае 1947 года для увеличения реактивности реактор незначительно перестраивался, вследствие чего в дальнейшем Кэфф составил 1,002.
При исследованиях поведения реактора на больших уровнях мощности (более 10 кВт) управление реактором осуществлялось дистанционно из Главного здания, расположенного на расстоянии 1 км от здания «К», где был смонтирован дублирующий пульт управления. Фактически это был первый опыт дистанционного управления реактором с такого большого расстояния. Многочисленные дистанционные пуски реактора для различных целей прошли без единой аварии и свидетельствовали как о работоспособности систем управления и автоматики, так и о легкости управления реактором.
Реактор разгонялся до сравнительно больших мощностей, при этом блоки урана центральной области реактора разогревались 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.
В реакторе Ф-1 были впервые в СССР получены значительные, так называемые весовые количества плутония. До этого физики располагали лишь индикаторным количеством этого элемента, то есть достаточным для идентификации его присутствия в образце.
Реактор Ф-1 стал мощным инструментом для изучения физических характеристик материалов и элементов активной зоны будущего первого промышленного реактора, строящегося на заводе № 817. Для этого 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). Кроме того, были проверены все партии урана для промышленного реактора. В октябре 1947 года на реакторе была обучена первая группа инженеров управления работой атомного реактора. Эти люди в дальнейшем заняли должности начальников смен первого 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. 26 декабря 2016 года в здании реактора Ф-1 был открыт музей. В настоящее время реактор Ф-1 имеет статус памятника науки и техники Российской Федерации.
Фотогалерея3
