Необходимо было установить критические размеры активной зоны и размеры слоя отражателя, при которых количество вылетевших наружу нейтронов настолько мало, что оно точно компенсируется избытком коэффициента размножения над единицей. Но кроме работ научного характера в связи с созданием атомного реактора нужно было решить комплекс разнообразных научно-технических и инженерных задач, и прежде всего разработать ряд новых технологических процессов: наладить производство металлического урана, графита и других материалов. Требовалось разработать и внедрить в производство изготовление целого комплекса специальной аппаратуры и приборов.
В рекордно короткий срок промышленность страны выполнила все заказы и изготовила необходимые материалы и оборудование. И это в условиях, когда большая часть квалифицированных рабочих сражались на фронте, когда производство до предела было загружено выполнением военных заказов! И это несмотря на то, что требования, которые предъявляла зарождавшаяся советская атомная промышленность соответствующим отраслям народного хозяйства, были и новы, и необычны. Так, требования, предъявлявшиеся к чистоте и качеству материалов, были столь жесткими, что малейшее их нарушение делало материалы непригодными для использования в реакторе. Достаточно сказать, что примесь в графите бора в количестве всего лишь нескольких миллионных долей сделала бы цепную реакцию деления неосуществимой. А для реактора нужны были несколько сот тонн графита такой сверхвысокой чистоты и около 50 т урана высокой чистоты. А страна несла все тяготы войны…
В Лаборатории,№ 2 в яростных спорах, в ходе длительных, кропотливых экспериментов ковалась победа советских физиков. Сейчас это научное учреждение называется Институтом атомной энергии и по праву носит имя И. В. Курчатова.
Разумеется, поиск велся не в одной лишь лаборатории И. В. Курчатова, Постепенно к сотрудничеству с его группой привлекались все новые и новые научные коллективы, десятки, а затем и сотни отраслевых и академических институтов, многие наркоматы и их предприятия.
Почти все приходилось начинать сначала. Сразу возникли трудности с сырьем. Раньше уран использовался лишь во второстепенных производствах, и при этом в незначительных количествах; например, при изготовлении никоторых видов краски, керамических изделий. Свойства этого металла были мало изучены. Кроме того, нужно было подумать об увеличении разведанных запасов урановой руды, ее обогащении, извлечении из нее чистого урана.
В 1943 г. 80-летний академик В. И. Вернадский писал президенту Академии наук СССР академику В. Л. Комарову: «Считаю необходимым восстановить деятельность Урановой комиссии, имея в виду как возможность использования урана для военных нужд, так и необходимость быстрой реконструкции последствий разрушений от гитлеровских варваров. Для этого необходимо ввести в жизнь источники новой мощной энергии».
Речь шла о научной организации, учрежденной по инициативе В. И. Вернадского в начале 30-х годов. Она ставила своей целью определить распространенность урановых минералов и руд.
Нужно было создать целый производственный цикл со многими предприятиями, не зная, что из этого получится и как поведет себя самый тяжелый из всех известных металлов.
После тщательного анализа И. В. Курчатов и его сотрудники остановились на уран-графитовом варианте реактора (уран — топливо, графит — замедлитель нейтронов). Такой вариант требовал большого количества урана и еще большего количества безупречно чистого графита (речь шла о сотнях тонн). И это лишь для одного опытного реактора, создававшегося на площадке Лаборатории № 2, а не для промышленного, который требовал совсем других объемов поставок.
По предварительным расчетам И. В. Курчатова, для осуществления управляемой цепной реакции требовалось около 100 т природного урана в виде чистого металла или его солей. Наркомат цветной металлургии сообщил, что разведанные запасы урановых руд незначительны. Правительство поручило наркомату принять меры к тому, чтобы в короткий срок добыть на действующих рудниках необходимые ученым 100 т металла. Разработка технологии промышленного получения урана и графита ядерной чистоты началась еще во время Великой Отечественной войны. В создание советской металлургии урана внесли свой вклад многие научные, проектно-технологические и производственные коллективы. Большую инженерную и организаторскую работу провел заместитель наркома цветной металлургии Е. П. Славский.
Необходимо было организовать в больших масштабах разведку урановых месторождений, горные работы на рудниках, а также соорудить установки по обогащению руды. Коммунистическая партия и Советское правительство одобрили соответствующую программу мероприятий, и специалисты приступили к ее выполнению. Еще до окончания войны геологи открыли новые месторождения урановых руд.
В то время в распоряжении экспериментаторов не было ни миллиграмма чистого урана-235 и плутония, а группа физиков и химиков уже начала изыскания с целью определить критические массы делящихся веществ. Начались также поиски способов мгновенного получения критической массы, при которой происходит ядерный взрыв. Эти важные предварительные исследования помогли впоследствии, когда ученые стали располагать необходимыми количествами урана-235 и плутония, создать эффективную конструкцию атомной бомбы.
К тому времени в лаборатории И. В. Курчатова уже действовал циклотрон, на котором был получен первый в Европе плутоний, успешно решались вопросы, связанные с постройкой экспериментального уран-графитового реактора. Несмотря на то что решающий эксперимент, который подтвердил бы осуществимость управляемой цепной реакции, еще не был поставлен, И. В. Курчатов весной 1945 г. дал задание разработать конструкцию промышленного реактора.
Важной проблемой в то время было сооружение опытного реактора из урановых и графитовых блоков. На одном из заводов Наркомата цветной металлургии с помощью физиков и химиков был создан цех для выпуска графитовых блоков сверхвысокой чистоты. Группа ученых во главе с академиком А. П. Виноградовым много сделала для налаживания производства чистого продукта на урановых предприятиях.
Ответственная, нелегкая задача — разработка технологической схемы выделения плутония из облученного урана — была решена рядом институтов.
Первые миллиграммы плутония были получены в Лаборатории № 2 Б. В. Курчатовым — братом И. В. Курчатова, возглавлявшим сектор № 3 Лаборатории № 2, с его сотрудниками. Одновременно над технологией промышленного получения плутония работали в Радиевом институте под руководством академика В. Г. Хлопина.
О многочисленных трудностях этой работы писали академик Б. П. Никольский и кандидат химических наук К. А. Петржак:
«В чем же была трудность этой работы? Прежде всего в том, что первые исследования по химии плутония велись без плутония. Работали с его аналогами — торием и нептунием. Причем нептуний первоначально был в невесовых количествах, определяемых счетчиком по числу распадов в единицу времени. Следовало изучить химические свойства нептуния и перенести полученные результаты на плутоний.
Нептуний и плутоний содержатся в облученных материалах в ничтожных концентрациях. Отделение вновь полученных элементов от больших количеств урана и микроколичеств разнообразных по химическим свойствам продуктов деления требует особых химических приемов. Особенно трудной была необходимость очистки плутония и урана от радиоактивных осколочных элементов. Другая трудность, которую предстояло преодолеть, — гамма-излучение продуктов деления с интенсивностью до сотен тысяч гамма-эквивалентов радия на тонну урана. Опыта работы с излучением такой интенсивности не было. Для безопасности работы потребовалась особая радиационная защита, дистанционное управление и контроль производства».
Доктор химических наук 3. В. Ершова, кандидат химических наук М. Е. Пожарская и член-корреспондент АН СССР В. В. Фомин позже так описывали события тех лет.