Тем не менее производство чистого урана в промышленных масштабах оказалось трудной задачей. К концу 1945 года завод был готов лишь частично, и строительство явно не укладывалось в сроки, установленные правительством. Атмосфера становилась напряженной и неприятной, и в начале 1946 года на завод прибыл сам Завенягин для инспекции и стимуляции работ. Обстановка нормализовалась после того, как группе Риля удалось получить несколько тонн двуокиси урана достаточной чистоты для экспериментов, которые хотел провести Игорь Курчатов. А к октябрю 1946 года завод № 12 давал Лаборатории № 2 около трех тонн металлического урана в неделю.
Следующим шагом на пути к бомбе был экспериментальный реактор Ф-1 (первый физический), создание которого планировалось Игорем Курчатовым с начала 1943 года. Хотя зона ответственности, лежавшей на нем, резко возросла после августа 1945 года, Курчатов продолжал руководить строительством реактора. При этом численность его группы заметно увеличилась: с одиннадцати человек в январе 1946 года до семидесяти шести – в декабре.
Летом 1946 года из Электростали в Лабораторию № 2 начали поступать большие партии металлического урана. Вскоре физики обнаружили, что часть урана содержит повышенную концентрацию бора. Борис Ванников поехал в Электросталь разбираться с проблемой. Его тон в разговорах с заводскими руководителями был вежливым, но угрожающим, и проблема была вскоре решена. Если бы примесь не была выявлена, реактор не достиг бы критичности, поскольку бор является сильным поглотителем нейтронов.
К июлю 1946 года на территории Лаборатории № 2 было построено специальное здание для реактора размером 15 Ч 40 метров; из соображений секретности его называли в документах «монтажными мастерскими». Сам реактор собирали в шахте глубиной 7 метров, окруженной мощными бетонными стенами и толстым слоем земли и песка. Вход в реактор походил на лабиринт из блоков свинца, парафина и борной кислоты. Две независимые подстанции давали электрический ток, необходимый для управления реактором. Измерение уровня радиации осуществлялось системой дозиметров, установленных внутри и снаружи здания.
Как и первый американский реактор, построенный под руководством Энрико Ферми, в реакторе Ф-1 использовались металлический уран с природным содержанием изотопа уран-235 (около 0,7 %) и графит в качестве замедлителя. Кадмиевые стержни управляли потоком нейтронов. Реактор не имел системы охлаждения, поэтому длительная работа на сколько-нибудь большой мощности была невозможна.
Курчатов решил продвигаться к расчетному диаметру «котла», составлявшему около 6 метров, шажками, начав с небольшой модели. Первая уран-графитовая сферическая сборка имела диаметр 1,8 метра, а предпоследняя, четвертая – 5,6 метра. Все работы вручную выполнял коллектив так называемого Сектора № 1 численностью тридцать человек, среди которых около четверти составляли женщины. Сотрудникам пришлось пять раз собирать и разбирать сферу. Графитовые призмы и урановые блоки таскали на руках, а ведь в совокупности это несколько сотен тонн! Иногда в такелажных работах принимал участие и сам Игорь Курчатов.
В ноябре 1946 года началась сборка самого реактора. Для этого послойно укладывали графитовые брикеты размером 100Ч100Ч600 миллиметров с тремя цилиндрическими отверстиями, в которые вставляли урановые блоки. 20 декабря, когда к реактору был добавлен пятьдесят восьмой слой, стало ясно, что критичность будет достигнута гораздо раньше, чем при расчетных семидесяти шести. Теперь Курчатов и его коллеги действовали очень осторожно. Днем 25 декабря был добавлен шестьдесят второй слой. Курчатов попросил всех, кто не был непосредственно занят измерениями, покинуть здание. Он сам и пять человек из его группы остались. В 18.00 реактор, управляемый Курчатовым, достиг критичности, и впервые в Советском Союзе (да и во всей Европе) была получена цепная ядерная реакция. Курчатов оставался за пультом управления всю ночь и поднял мощность реактора до 100 ватт, прежде чем заглушить его.
Как только реактор был запущен, некоторые из Сектора № 1 поспешили к «монтажным мастерским», чтобы увидеть сам процесс. «Это был для всех нас волнующий и радостный вечер, – писал один из присутствующих. – Сдержанно, как то позволяла рабочая обстановка, но тепло и искренне мы поздравляли друг друга с необычным и особенным Рождеством». Игорь Курчатов был счастлив. «Атомная энергия, – сказал он торжественным тоном, – теперь подчинена воле советского человека!»
Об успешном пуске котла Курчатов сразу же сообщил Лаврентию Берии. Тот, не очень доверяя ученым и желая перед докладом Сталину убедиться во всем своими глазами, попросил Курчатова на следующий день еще раз запустить ядерную реакцию в его присутствии. Пуск «котла», естественно, повторили.
В исходном варианте Ф-1 содержал 35 тонн чистого урана и 436 тонн чистого графита. Затем сборку увеличили, чтобы поднять мощность. В реакторе Ф-1 были получены значительные (так называемые «весовые») количества плутония. Блоки, в которых часть урана-238 превратилась в плутоний, доставили в НИИ-9, находившийся под руководством Андрея Анатольевича Бочвара. Сотрудники института выделили новый элемент и приступили к исследованиям его ядерных и физико-химических свойств, без чего невозможно было сконструировать атомную бомбу.
Чтобы наработать необходимое химикам количество плутония, реактор нужно было хотя бы периодически выводить на мощность в несколько сотен киловатт. Но поскольку серьезной биологической защиты у него не было, около здания отмечался очень высокий радиационный фон. Поэтому во время работы на форсированном режиме реактором управляли из помещения, расположенного на расстоянии около 500 метров, а на крыше «монтажных мастерских» загорался большой красный фонарь, предупреждавший сотрудников Лаборатории № 2 об опасности.
Даже когда практическая надобность в реакторе Ф-1 отпала, его решили не разбирать, как это сделали американцы с первым реактором Ферми. Ветеран продолжает работать на старом месте, и благодаря высокой стабильности нейтронного потока его используют в качестве эталона для обучения студентов-физиков и для калибровки аппаратуры, используемой на реакторах новых атомных электростанций. Согласно расчетам, Ф-1 способен проработать еще 700 лет.
Опыт эксплуатации Ф-1 позволил приступить к строительству на Урале промышленного «котла» А-1 («Аннушка») мощностью 100 тысяч киловатт («Строительство № 859»). Место, в пятнадцати километрах к востоку от города Кыштыма и в восьмидесяти километрах к северо-западу от Челябинска, было выбрано Авраамием Завенягиным в самом конце 1945 года. Он хорошо знал этот район, поскольку, став депутатом в декабре 1937 года, представлял Кыштымский округ в Верховном Совете. Новый комбинат был назван Челябинск-40 в соответствии с практикой давать секретным заводам название близлежащего города и номер почтового ящика. Он должен был стать советским эквивалентом американского комплекса в Хэнфорде.
Челябинск-40 (впоследствии получивший название Озёрск) был возведен на необычайно красивой территории среди озер, гор и лесов. Место имело также и практические преимущества: поблизости были озера Иртяш и Кызылтяш, содержащие огромные запасы воды, которая необходима для охлаждения реактора; в районе была отличная по тем временам линия электропередачи; район прилегал к железной дороге и шоссе, был близок к индустриальным центрам Урала, которые могли обеспечить комбинат материалами; он располагался внутри страны и был менее уязвим для нападения вражеской авиации. В первые месяцы 1946 году там были проложены новые подъездные дороги и подготовлена площадка для строительства; рытье котлованов под фундаменты началось летом. Завенягин поставил во главе строительства генерал-майора Якова Давидовича Рапопорта, который в 1930-е годы был одним из ответственных за строительство Беломорско-Балтийского канала. Та стройка вошла в историю трагической страницей из-за неоправданной гибели свыше десяти тысяч заключенных, работавших на ней. Челябинск-40 также строился заключенными, причем одновременно работало не менее 70 тысяч человек.
Осенью 1946 года был заложен фундамент для главного здания реактора, и к концу 1947 года оно было готово. К этому времени физики получили достаточное количество материалов для И-1. Курчатов и Ванников приехали в Челябинск-40 в начале 1948 года для наблюдения за сборкой реактора. Сборка реактора началась в начале марта. Перед этим Курчатов произнес прочувствованную речь:
Здесь, дорогие мои друзья, наша сила, наша мирная жизнь на долгие-долгие годы. Мы с вами закладываем промышленность не на год, не на два <…> на века. «Здесь будет город заложен назло надменному соседу». Надменных соседей еще хватает, к сожалению. Вот им назло и будет заложен! Со временем в нашем с вами городе будет все – детские сады, прекрасные магазины, свой театр, свой, если хотите, симфонический оркестр! А лет так через тридцать дети ваши, рожденные здесь, возьмут в свои руки все то, что мы сделали. И наши успехи померкнут перед их успехами. Наш размах померкнет перед их размахом. И если за это время над головами людей не взорвется ни одна урановая бомба, мы с вами можем быть счастливы! И город наш тогда станет памятником миру. Разве не стоит для этого жить?..
