Целью советского атомного проекта, стартовавшего в 1943 году, было создание атомной бомбы. Ученым уже было понятно, что её можно сделать либо из плутония или из обогащенного урана. Первая американская бомба была плутониевой, и Советский Союз пошел по тому же пути. Но плутоний как элемент отсутствовал в земной коре из-за малого времени полураспада, и получить его можно было только в реакторе путем облучения урана. Поэтому первая и главная задача, стоявшая перед руководством атомного проекта на его первом этапе, заключалась в строительстве и пуске атомного реактора. Им стал реактор Ф-1.
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.
