В начале 1947 года к реактору Ф-1 добавили еще несколько слоев кладки, увеличив его мощность вдвое. При ограниченном времени работы реактор мог развивать мощность в несколько киловатт. В таких случаях им управляли с выносного пульта, удаленного на значительное расстояние от здания, так велики были радиоактивные излучения от реактора.

Для Курчатова исследовательский реактор Ф-1 долгое время оставался любимым детищем, он проводил на нем бесконечные эксперименты в погоне за знаниями, которых всегда не хватало. На реакторе проходили подготовку научные работники и персонал промышленных реакторов.

23 марта 1946 года Сталин подписал распоряжение Правительства о строительстве двух заводов ядерных взрывчатых веществ: для получения урана-235 и получения плутония Площадки для строительства выбрали еще в 1945 году, тогда же началось их освоение. Летом 1947 года директором плутониевого комбината назначили Ефима Павловича Славского, будущего министра Минсредмаша. Начальником строительства стал генерал М. М. Царевский, имевший опыт сооружения Нижне-Тагильского металлургического комбината.

Главным конструктором промышленного реактора был Николай Антонович Доллежаль. Его обязали выдать проект к августу 1946 года. Над проектом трудилось несколько конструкторских групп. Общее научное руководство осуществлял Курчатов. Доллежаль выбрал для реактора схему с вертикальным расположением топливных каналов, что давало ряд существенных преимуществ.

Летом 1946 года начали рыть котлован, а к осени заложили фундаменты под здание и оборудование атомного реактора. В целях экономии времени параллельно со строительством шло проектирование объектов и изготовление для них оборудования. К концу 1947 года здание реактора было уже готово, приступили к интенсивному монтажу оборудования. Сначала монтировали тяжеловесные конструкции корпуса реактора, в марте 1948 года приступили к графитовой кладке, она состояла из множества блоков. Через кладку проходили около 1000 алюминиевых труб — каналов, в которых размешались урановые блоки, заключенные в алюминиевые герметичные оболочки. Каналы реактора охлаждались водой.

Монтажные работы продолжались круглосуточно под руководством Курчатова, Ванникова, Доллежаля, директора установки Ф. Я. Овчинникова. Объект регулярно посещали Берия, Первухин, Завенягин и другие высшие руководители, они помогали выходить из многочисленных затруднений в организации работ, с поставками оборудования, материалов и рабочей силы. На объекте трудились десятки тысяч человек, труд был, в основном, ручной, транспорт — гужевой, а дела шли быстро. Всего было смонтировано только на реакторе около 5 тысяч тонн металлоконструкций, более 200 километров трубопроводов, множество насосов, теплообменников, запорной и регулирующей арматуры, всевозможных приборов, электрических кабелей и щитов.

В июне 1948 года началась загрузка реактора урановыми блоками, проводили последние наладочные работы. Вечером 7 июня Курчатов лично начал пуск реактора. На следующий день была достигнута мощность в 10 кВт. 19 июня реактор выведен на проектную мощность 100 Мвт. Обстановка при пуске и в начальный период эксплуатации реактора была чрезвычайно сложной и напряженной. Зная о том, что получение урана-235 задерживается ввиду неимоверной сложности производства, что единственный путь к бомбе лежит через атомный реактор, И. В. Сталин уделял ему большое внимание, участвуя в подборе технического персонала вплоть до начальников смен. (Ядерная индустрия России Стр. 324.)

Через 3–4 месяца непрерывной работы в реакторе накапливалось несколько килограммов плутония. Выгруженные из реактора отработанные урановые блоки имели такую высокую радиоактивность, что их приходилось выдерживать около месяца, прежде чем передать на радиохимический завод.

Плутониевый комбинат состоял из трех крупнейших предприятий: атомных реакторов, радиохимического завода, химико-металлургического завода. Комбинат выдавал в качестве конечного продукта плутониевые полусферы для боевых зарядов атомных бомб. Все три производства отличались высокой радиоактивностью оборудования и продуктов, которые они перерабатывали. Чтобы защитить людей от радиации, использовали бетон, чугун и другие материалы. Толщина бетонных стен, полов и перекрытий редко бывала менее половины метра, а вокруг атомного реактора доходила до 2–3 и более метров.

Многие технологические процессы управлялись дистанционно. Бывали случаи, когда ремонтный персонал в зоне повышенной радиации мог работать всего несколько минут.

Облученные урановые стержни растворяли, чтобы отделить плутоний от урана и примесей. Химическая обработка очень сложна, в ней применяли многие реагенты. Конечным продуктом завода были концентрированные, очищенные от примесей растворы плутония, они передавались на химико-металлургический завод.

Получение металлического плутония из раствора сопровождалось множеством химических процессов. Здесь, кроме высокой радиации, имелась не менее страшная угроза скопления продуктов плутония в массе превышающей критическую, что могло бы вызвать ядерную реакцию. Все оборудование, трубопроводы, хранилища рассчитывали так, чтобы ни при каких обстоятельствах не могла скопиться критическая масса. Плутоний подвергался очень высокой степени очистки от примесей. Содержание наиболее вредных из них ограничивалось цифрой с четырьмя нулями после запятой.

Первый слиток плутония весом в несколько граммов был получен в апреле 1949 года. Металлический плутоний имеет удельную массу 15,8, в два раза большую, чем железо. Поверхность плутония самопроизвольно принимает температуру на 5-10 градусов выше окружающей среды, но радиация не слишком опасна для людей при кратковременном обращении с ним.

Существует версия о том, что Сталину был продемонстрирован небольшой плутониевый шар, покрытый никелевой оболочкой. Сталин коснулся его рукой и ощутил теплоту.

— Он всегда теплый?

— Всегда, товарищ Сталин.

Такой приятный на ощупь плутоний! Для атомной бомбы из него надо изготовить две полусферы так, чтобы они совместно составляли полый шар.

В августе 1949 года впервые изготовлены две полусферы из плутония. Были опасения, что при их прессовании может произойти ядерная реакция. За выпуск плутониевого заряда отвечали Курчатов, Славский и Мазурков, они приняли все необходимые меры, чтобы реакции не произошло. В работах по извлечению полусфер из пресс-формы лично принимал участие Е. П. Славский. 5 августа полусферы прошли аттестацию и их отправили на предприятие по производству атомных бомб.

Основным способом извлечения урана-235 из природного урана стал газодиффузионный способ. Советские ученые Кикоин, Соболев и Смородинский разработали теорию газодиффузионного процесса. Метод газовой диффузии основан на небольшом различии в скорости перемещения тяжелых ядер урана-238 и менее тяжелых ядер урана-235 при прохождении газообразного соединения урана через специальные пористые перегородки. При однократном прохождении газа, можно повысить содержание изотопа урана-235 всего на 0,2 %. Чтобы обогатить уран изотопом 235 до 90–94 процентов, а именно такой требуется для боевого заряда, необходимо прокачать газ через диффузионную ступень с пористой перегородкой несколько тысяч раз.

Очень сложной проблемой оказалась разработка и изготовление пористых перегородок, от их качества зависели как выход готовой продукции, так и расход электроэнергии на перекачку газа. Непросто было сконструировать и изготовить надежные и простые компрессоры для перекачки газа с высокой степенью герметичности, чтобы токсичный газовый продукт не попадал в производственные помещения.

Газодиффузионный завод начали строить в 1946 году. В начале строительства здесь также применялся ручной труд и конная тяга, лишь в 1948 году сюда прибыл первый экскаватор. Работы велись круглосуточно. Проект завода и его установок был чрезвычайно сложен. Главный корпус завода имел площадь более 100 тысяч квадратных метров. Во время наладки систем происходили многочисленные остановки. Поставщик компрессоров весьма оперативно производил реконструкцию и даже замену оборудования, эти работы находились под личным наблюдением Берии и Сталина. После реконструкции на заводе было установлено несколько тысяч диффузионных машин четырех модификаций.