Из отчета Смита:
«Выбор нужно было сделать между длинными урановыми стержнями, имеющими преимущество с точки зрения физики ядра, и относительно короткими цилиндрическими столбиками, удобными в обращении».
Действительно, десятки небольших цилиндрических блочков, приставленные один к другому, образуют, по сути дела, тот же длинный урановый стержень. Но зато операции загрузки и выгрузки уранового топлива при этом упрощаются. Американцы использовали в хэнфордских котлах длинные сплошные стержни из урана.
Доллежаль остановился всё-таки на блочках. Тем более что к этому времени на секретном металлургическом заводе в г. Электростали был отработан и достаточно хорошо освоен процесс изготовления урановых блочков для реактора Ф-1.
Еще одна проблема заключалась в необходимости надежной защиты урана от коррозии.
Дело в том, что непосредственное соприкосновение урана с водой категорически недопустимо. Уран активно химически реагирует с водой. Их контакт привел бы не только к заражению воды радиоактивными осколками деления, но и к разрушению блоков урана и «выносу» топливного материала из активной зоны потоком охлаждающей воды.
Из отчета Смита:
«Необходимо было найти метод защиты урана от непосредственного соприкосновения с водой. Были изучены две возможности: одна — покрытие (электролизом или погружением), другая — заключением урановых блоков в герметичный защитный кожух…
Как ни странно, эта «проблема оболочки» оказалась одной из самых трудных проблем, возникших при конструировании котла».
Для реактора Ф-1 годились «неочехленные» урановые блочки, без всякой оболочки, поскольку там никакого охлаждения не предусматривалось.
Для промышленного реактора «А» покрытие блочков спецоболочкой было необходимо. К решению проблемы были подключены несколько институтов по цветным металлам и сплавам. В качестве материала был подобран алюминиевый сплав. Технология же нанесения тонкого защитного слоя на урановый блочок является и сейчас одним из самых больших секретов как американского, так и советского атомных проектов. Этот секрет американцам удалось уберечь от советской разведслужбы. Даже Клаус Фукс не смог помочь.
Не только уран, но и графитовые кирпичи надо было предохранить от непосредственного контакта с водой. Замоченный графит теряет свои превосходные качества замедлителя, увеличивая паразитный захват нейтронов внутри реактора.
Поэтому урановые блочки, охлаждаемые водой, должны быть надежно отделены от окружающего графита металлической трубой технологического канала (ТК).
В качестве материала для труб ТК, как и рекомендовал Смит, был выбран алюминиевый сплав («только алюминий можно считать пригодным с точки зрения коррозии»).
Чрезвычайно сложным оказалось проектирование биологической защиты.
У Смита:
«Весь котел должен быть окружен очень толстыми стенами из бетона, стали… Вместе с тем должна быть предусмотрена возможность загрузки и разгрузки через эти стены и ввод-вывод воды через них. Защитные укрытия должны быть не только непроницаемыми для радиоактивного излучения, но и газонепроницаемы, так как воздух, подвергшийся облучению в котле, становится радиоактивным».
Верхнюю и нижнюю биологическую защиту конструкторы Доллежаля предусмотрели в виде двух рядов стальных двутавровых балок высотой в человеческий рост, засыпанных слоями песка и железной руды с примесью бора.
По периметру графитовая кладка окружалась защитными металлическими отсеками величиной с однокомнатную квартиру, которые заполнялись водой. Все сооружение окружалось по проекту многометровой дополнительной защитой из тяжелого бетона, наполняемого дробленой железной рудой. Верхняя часть технологических каналов прикрывалась свинцовой крышкой, набранной из пятнадцатикилограммовых свинцовых кирпичей.
Весь реактор к тому же предполагалось смонтировать под землей в скальном грунте…
Вот таким представлялся Доллежалю общий вид будущего реактора: графитовый цилиндр высотой и диаметром около десяти метров, пронизанный параллельно оси тысячью каналами, в которые можно будет загружать урановые блочки через верхние головки и при необходимости разгружать их содержимое в огромный нижний бункер с водой…
Оставался один вопрос, мучивший Николая Антоновича и днями, и ночами: как должен быть расположен уран-графитовый котел относительно поверхности земли — горизонтально или вертикально?
В зависимости от этого изменялся не только весь технологический процесс загрузки-выгрузки уранового топлива, но и вся архитектура центрального зала — наземного сооружения над реактором.
В хэнфордских котлах технологические каналы с урановыми стержнями были расположены горизонтально. В связи с их большой длиной (около двадцати метров) такая компоновка представлялась очень рациональной, так как позволяла не прибегать к строительству сложных и дорогостоящих высотных сооружений, что было бы неизбежным при вертикальном варианте.
Николай Антонович не только усомнился в правильности подобного решения, но с некоторых пор стал горячим защитником вертикального котла…
Как-то он поехал в лабораторию № 2 посоветоваться по текущим вопросам. Курчатов встретил его обычным вопросом:
— Ну, как дела, Николай Антонович? Что имеем?
Из воспоминаний Доллежаля:
«За разговором я машинально взял в руку наполовину сломанный спичечный коробок и постукивал его торцом по столу. Взгляд остановился на подпрыгивающих спичках. Где-то в глубине сознания шевельнулась неясная ещё мысль… И вдруг — вспышка, озарение… Ну, конечно, наш реактор требовалось развернуть на девяносто градусов, поставить его, сделать не горизонтальным, а вертикальным».
Николай Антонович тут же принялся рисовать эскиз вертикального аппарата:
— Графитовый цилиндр, высотой и диаметром примерно десять метров. Это уточним после. Сверху вниз его пронизывают… пронизывают… около тысячи каналов… Так? Расстояние между каналами двадцать сантиметров. Это ваша длина замедления нейтронов в графите до тепловой скорости. Теперь дальше рисуем… В каждую трубу загружаем сверху столб урановых блочков. Получается как бы длинный урановый стержень. Снизу канал прикрыт разгрузочным устройством, и весь столб стоит себе преспокойно…
Курчатов улыбался, потирая лоб:
— Стоит, говоришь?
Доллежаль подтвердил:
— Да, стоит. А куда же ему деваться?
И увлеченно продолжил:
— Сверху вода подается под давлением в верхний коллектор и из него распределяется по каналам через индивидуальные дроссели… Проходит по каналу… Вот так, проходит, нагревается… Собирается в нижний коллектор… И дальше на сброс… Что скажете, Игорь Васильевич?
— Ничего не скажу, — сознался Курчатов, — не могу сразу все оценить. Зерно есть. Надо вынести этот вопрос на заседание Совета. Надо всех послушать.
В феврале 1946 года Доллежаль выступил на заседании Совета с обоснованием выбора вертикальной компоновки для реактора «А».
В результате ленивой, скоротечной дискуссии Доллежалю разрешили проектировать вертикальный вариант. Но на всякий случай предусмотрели дублирование. Параллельно с НИИХиммашем другой организации — ОКБ «Гидропресс» — поручили проектирование горизонтального котла.
8 июля 1946 года Научно-технический совет ПГУ под председательством Бориса Львовича Ванникова собрался для рассмотрения обоих проектов и принятия окончательного решения. В заседании приняли участие руководители ПГУ, физики, конструкторы и инженеры конкурирующих организаций. Обсуждение протекало бурно с самого начала. Первые десять часов острой дискуссии не привели к логическому концу. Однако длительная задержка в решении этого вопроса была недопустима. В Челябинске уже начались земляные работы под здание реактора. Рабочие чертежи на отдельные изделия и конструкции надлежало срочно передать заводам-изготовителям. Надо было ставить точку в проекте!