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专门委员会、技术委员会和第一管理总局
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在上述信号的强烈刺激下，苏联做出了从未有过的积极反应。1945年8月20日，斯大林签署国防委员会第9887cc/оп号决议，决定成立国防委员会专门委员会、专门委员会技术委员会及人民委员会第一管理总局。[49]1945年8月20日和国防委员会第9887cc/оп号决议被永久性地载入史册，成为苏联正式出台和启动核计划的标志性事件。从此，核计划被赋予了至高无上的国家地位，苏联政府开始全面介入和直接领导核计划的实施。苏联核计划进入战后全民总动员阶段。
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身为国防委员会委员、人民委员会第一副主席、内务人民委员（1945年12月前）、苏共中央政治局委员（自1945年）、苏联元帅（1945年7月9日）的贝利亚任国防委员会专门委员会主席。专门委员会成员包括：苏共中央书记、苏共中央政治局委员马林科夫，苏共中央政治局委员、苏联国家计划委员会主席沃兹涅先斯基，弹药人民委员Б.Л.万尼科夫，内务副人民委员А.П.扎维尼亚金，库尔恰托夫院士，卡皮察院士，国防委员会副委员В.А.马赫涅夫，人民委员会副主席别尔乌辛。在上述人员中，贝利亚主要负责国家安全人民委员部和红军总参谋部情报总局等侦查机关有关核工业和原子弹技术及经济情报的搜集工作，马林科夫主要负责党政干部问题，沃兹涅先斯基主要负责经济问题，万尼科夫主要负责工业生产问题，库尔恰托夫主要负责科研问题，别尔乌辛主要负责与相关部委的协调工作，马赫涅夫担任委员会秘书工作。专门委员会享有特权，负责领导与核能利用有关的所有工作，包括科学研究、在苏联境内外勘探和开采铀矿、建设核工业、制造核能装置及研制原子弹。1945年9月，国防委员会撤销后，专门委员会归人民委员会领导；1946年4月起，又转归苏联部长会议领导。专门委员会负责研究解决在苏联核方案实施过程中出现的最为基本的组织问题。在专门委员会会议上讨论、修改、通过或否定了一系列与核方案的实施有关的国防委员会和人民委员会及部长会议的决议、决定和命令，所有决议、决定和命令都由斯大林本人最后签字确认。苏联第一颗原子弹试验前，专门委员会共召开过84次会议。1945～1949年，专门委员会共出台1000个与苏联核计划有关的国防委员会、人民委员会及部长会议决议、决定和命令。专门委员会部门齐全，经济独立核算，在国家银行设有往来账户。为保证专门委员会工作的正常进行，国家计划委员会特设第一局，由国家计划委员会副主席Н.А.鲍利索夫任局长。专门委员会的财政支出在苏联预算中的“国防专项支出”里单独立项。专门委员会的所有活动都严格保密。专门委员会会议议事日程安排及包括会议记录和决议、决定及命令草案等从不散发。提交例会研究讨论的问题由专门委员会秘书在会议召开前两天内电话通知专门委员会各个成员，为此，只有秘书可以事先接触有关材料。与会人员的名单由专门委员会主席事先确定。[50]
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专门委员会技术委员会由万尼科夫任主席，阿利汉诺夫院士任学术秘书，其他成员有：И.Н.沃兹涅先斯基通讯院士，扎维尼亚金，约费院士，卡皮察院士，基科因通讯院士，库尔恰托夫院士，马赫涅夫，哈里顿教授，赫洛平院士。技术委员会负责审议与核能利用有关的科技问题、科研计划和科研报告及技术设计方案并提交专门委员会讨论。技术委员会下设三个常设分委员会，分别为：由约费院士领导的离子方法研究委员会，先后由卡皮察和化学工业副人民委员А.Г.卡萨特金领导的重水生产委员会，由赫洛平院士领导的钚制备研究委员会。1945年12月10日，苏联人民委员会第3061-915cc号决议批准成立专门委员会工程技术委员会，负责对核能利用企业的设计和建设及核能利用专用设备的设计和制造提供工程技术指导。工程技术委员会下设五个分委员会。[51]1946年4月9日，苏联部长会议第803-325cc号决议《苏联部长会议第一管理总局问题》决定改组第一管理总局机构，将专门委员会的技术委员会和工程技术委员会合并，成立第一管理总局科技委员会。[52]第一管理总局科技委员会主席由万尼科夫担任，副主席由库尔恰托夫、别尔乌辛、В.А.马雷舍夫、扎维尼亚金担任，成员有阿利汉诺夫、基科因、卡皮察、В.С.叶梅利亚诺夫、С.Л.索伯列夫、亚历山德罗夫、梅谢里亚科夫、赫洛平、И.Ф.捷沃相，学术秘书由Б.С.波兹尼亚科夫担任。科技委员会下设四个分委员会：核反应堆委员会，由别尔乌辛任主席；采用扩散法分离铀同位素委员会，由马雷舍夫任主席；采用电磁法分离铀同位素委员会，由И.Г.卡巴诺夫和Д.В.叶夫列莫夫任主席；金属冶金和化学委员会，由叶梅利亚诺夫任主席。库尔恰托夫负责铀—石墨核反应堆，阿利汉诺夫负责铀—重水反应堆，阿尔齐莫维奇负责采用电磁法分离铀同位素，基科因负责采用扩散法分离铀同位素。[53]
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人民委员会第一管理总局局长由万尼科夫担任，扎维尼亚金任第一副局长，其他副局长为鲍利索夫、П.Я.梅什克、П.Я.安特罗波夫及卡萨特金。第一管理总局的副局长均为与核计划的实施密切相关的各部委负责人。扎维尼亚金是内务副人民委员，管辖内务人民委员部包括工业建筑工程总局在内的所有工程建筑单位，将负责核工业设施的建设。安特罗波夫是苏联地质部部长，将负责铀矿的地质勘探和加工。梅什克来自内务人民委员部，将负责人事和保密工作。卡萨特金为化学工业副人民委员。第一管理总局负责对参与核能利用研究和原子弹研制的科研和设计部门及生产企业的直接领导，负责分配和划拨供专门委员会使用的资金、人员和技术物资。第一管理总局及其下属企业机构受专门委员会领导，只向专门委员会汇报工作。不经国防委员会特许，任何组织、机构及个人不得干涉第一管理总局的行政事务和业务活动，不得过问其下属及协作单位的工作。第一管理总局成立后，各部委也先后成立了相应的部门配合其工作，如国家计划委员会第一局、内务人民委员部第九局、内务人民委员部工业建筑工程总局、地质委员会第一勘探总局等。第一管理总局还从其他部委接收并成立了一些新的研究所和设计院及生产企业。第一管理总局的地位相当于国家中央机构，享有特权，所需的物资由国家计划委员会单列计划并优先供应，组织结构机动灵活，极大地简化和缩短了各部委间协调工作的程序和时间，提高了工作效率。
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如此，斯大林亲自指定的核计划决策机构——专门委员会和执行机构——第一管理总局、技术委员会和工程技术委员会及二者合并后的科技委员会的成立首先解决了苏联实施核计划的组织和管理问题。[54]
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铀原料
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尽管早在20世纪初的沙皇俄国时期便已开始勘探和开采铀矿，但由于发现的铀矿资源有限，且品位极低，含量极少，铀原料问题一直悬而未决，始终困扰着苏联的核研究人员，也是苏联实施核计划的重大障碍之一。
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柏林刚刚被攻克，一架飞机便从莫斯科起飞，上面乘坐的是由苏联内务人民委员部军官和第二实验室科研人员组成的特别行动小组，准备去德国完成特殊使命。数日后，国防委员会作出第8568cc号决议，布置特别行动小组把在德国找到的重要物资和人员运回苏联。[55]1945年6月18日，苏联内务副人民委员扎维尼亚金和马赫涅夫向贝利亚报告：“根据国防委员会决议及您的命令，已在德国将下述设备和物资拆卸并装运回苏联：运往苏联的设备和物资有7个专列，共380个车皮。7个专列将在布列斯特换装。第一个专列已在布列斯特换装完毕并运抵莫斯科。随同物理研究所和化学冶金企业的设备抵达苏联的还有39名德国科学家、工程师、技师及其61位家属，共99人，名单附后。在德国不同地方发现的约250～300吨铀化合物和约7吨金属铀，已经全部运回苏联。在红军进入柏林之前，大量的设备、技术资料及专家被转移到了图林根及其他地区，现为盟军辖区，不久将被解放并由我军接管。稍后，需派工作小组前来德国对上述设备、技术资料及专家进行核实并运回苏联。”[56]1946年初，库尔恰托夫曾这样写道：“1945年5月前，铀—石墨反应堆点火是一件毫无希望的事，因为我们总共只有7吨氧化铀。要在1948年前弄到反应堆所需的100吨铀显得非常渺茫。去年年中，贝利亚同志向德国派出了以扎维尼亚金、马赫涅夫和基科因同志为首的由第二实验室和内务人民委员部工作人员组成的特别小组，寻找铀和铀原料。在做了大量的工作之后，特别小组找到了300吨氧化铀及其化合物并将其运回苏联。这不仅大大改善了铀—石墨反应堆的境况，而且也大大改善了整个铀研究的境况……”[57]在德国发现并运回苏联的这批铀原料解了苏联的燃眉之急，为苏联第一座物理实验堆的点火和启动提供了必要的保证。后来，苏联政府除了大力开发本国的铀矿资源外，还分别与保加利亚、波兰、罗马尼亚、匈牙利等国签订长期协议，共同开展铀矿勘探和开采并将加工后的铀产品供给苏联，以满足苏联核计划对铀原料的需求。1945年11月23日，苏联政府与捷克斯洛伐克政府签订协议，共同开发亚希莫夫铀矿并向苏联企业提供开采出的铀矿石。1946年10月，苏联政府又同东德签订同样的协议。随后，在东德成立了苏德股份公司“维斯穆特”，开采铀矿，运往苏联。第一管理总局成立后的最初几年内，苏联的铀矿主要来自捷克斯洛伐克和东德。下面所引表格基本上反映了苏联第一颗原子弹研制期间的铀原料来源情况。[58]
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铀原料问题解决后，随之而来的是从天然铀中分离出可用于制造原子弹的铀同位素的问题。天然铀中共含三种同位素：铀-234、铀-235和铀-238，其含量分别为0.006%、0.72%和99.27%。也就是说，每1000个铀原子中只有7个是铀-235，也只有铀-235经高度浓缩或纯化后才可用来制造原子弹。要获得足够数量的铀-235，必须对天然铀进行同位素分离，然而，分离工艺相当复杂，且周期长、投入大。虽然铀-238不能直接用于制造原子弹，但可以在核反应堆中经过一系列裂变反应蜕变成与铀-235一样可用于制造原子弹的钚-239。要获得钚-239，在核反应堆中直接使用天然铀即可，其成本要比分离和浓缩铀-235低得多。库尔恰托夫决定走这条捷径。他曾在写给斯大林的一份报告中指出：“制造核炸药的实际工作应当集中于铀—石墨反应堆，应将该问题作为重中之重。这并不是说铀—石墨反应堆是最佳方案（就原材料的消耗及其他指标而言），但就科技研究状况而言，它却是唯一可以在最短时间内生产出钚-239的方案。”[59]
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物理实验堆Ф-1
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在库尔恰托夫的直接领导下，第二实验室开展了对核反应堆的研究。И.И.古列维奇、泽利多维奇、И.Я.波梅兰丘克和科学院物理研究所的Е.Л.法因贝格、И.М.弗兰克等人进行了核反应堆的自持链式裂变反应的理论计算，库尔恰托夫、弗廖罗夫、В.А.达维坚科和И.С.帕纳修克等则进行了裂变反应过程中中子的增殖实验研究。1945年末，第二实验室开始了核反应物理实验堆Ф-1的施工建设。在新建的厂房里，地下挖了一个直径为10米、深度为7米的基坑，用混凝土浇灌而成。包括反射层在内的实验堆活性区的直径为6米，均由10厘米×10厘米×60厘米的直角型高纯度石墨砖堆砌而成，外观为球型结构。活性区石墨块的间距为20厘米，层层叠加，每块石墨砖上都钻有一个圆孔，里面装着直径为32毫米和35毫米的高纯度金属铀块。1946年12月25日，库尔恰托夫亲自启动了苏联第一座物理实验堆，实验堆达到临界状态并产生链式反应。[60]
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1946年12月28日，贝利亚、库尔恰托夫、万尼科夫和别尔乌辛共同起草了致斯大林的报告。报告中说：“1946年12月25日，在库尔恰托夫实验室建成并启动了铀—石墨物理实验锅炉。在铀—石墨锅炉运行的最初几天（12月25日、26日和27日），我们首次在苏联实现了半规模化链式核反应。同时，我们也实现了对锅炉的调整和对链式核反应的控制。铀—石墨物理实验锅炉共装载了34800公斤纯金属铀、12900公斤纯二氧化铀和420000公斤纯石墨。铀—石墨物理实验锅炉的启动为我们解决工业化生产及利用核能等重要问题创造了条件。”[61]1947年1月9日，物理实验堆Ф-1启动两周后，斯大林在克里姆林宫召见了专门委员会成员和参与苏联核计划的主要科研人员，并听取了他们的汇报。第二天，斯大林批准了苏联部长会议关于奖励库尔恰托夫等人的决定。[62]
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苏联物理实验堆Ф-1的启动是苏联核计划史上的一个重大事件，是苏联在实施核计划过程中迈出的关键性一步，它不仅检验并证实了苏联核物理学家所掌握的可控链式裂变反应理论的正确性和可行性，为用于制造原子弹的核材料钚-239的制备和研究及规模化生产提供了可能和依据，而且还大大增强了苏联政府和领导人及全体研究人员对成功实施核计划的坚定信心。正如别尔乌辛在回忆录中所说的：“反应堆的成功启动表明我们选择的道路是完全正确的。这一点非常重要，因为参与核计划的专家对我们是否能取得成效还心存疑虑。反应堆的启动和运行不仅加快了各项工作的进展速度，而且也使各项工作的进展变得更加顺利。”[63]
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817综合厂
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被称为美国氢弹之父的泰勒曾说：“裂变材料的生产是制造原子弹过程中难度最大的环节。一旦攻克这一难关，原子弹在几个月之后便可以制造出来。”[64]苏联高度重视用于制造原子弹的裂变材料的生产。核计划刚刚开始实施，物理实验堆尚未启动，苏联便已着手筹建生产裂变材料钚-239的综合厂——817综合厂。
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1946年4月9日，苏联部长会议作出第802-324cc/оп号《关于筹建817厂及817厂施工和投产期限》的决定。[65]817综合厂厂区位于苏联重工业中心车里雅宾斯克市西北80公里、克什特姆市以东15公里处，坐落在水域为17平方公里、水容量为8400万立方米的克孜勒塔什湖南岸。厂址是由曾任克什特姆地区最高苏维埃主席的扎维尼亚金在1945年末选定的。为保密起见，817综合厂曾先后被称为车里雅宾斯克-40、车里雅宾斯克-65等，是苏联最大的核军工企业，堪比美国的汉福德核军工企业，现为俄罗斯“灯塔”联合公司。817综合厂下设三个分厂，分别为A厂、Б厂和B厂。A厂即工业堆，主要进行在反应堆中辐照金属铀块的工作；Б厂即放射化学厂，它的主要任务是溶解在A厂辐照过的金属铀块，分离并制备钚浓缩溶液，然后交付B厂进入下一道工序；B厂即化工冶金厂，主要对分离出来的钚进行纯化和加工并生产供制造原子弹用的金属零部件。1946年4月24日，在第一管理总局科技委员会会议上通过了由第11国营联合设计所和第二实验室提出的817综合厂总体建设设计方案，确定了反应堆、循环水冷却系统、给水及化学净化处理设施、生活区等的布局规划。第二实验室负责工业堆的工程建设及科技指导，科学院镭研究所负责对放射化学厂的科技指导，第9研究所则负责对化工冶金厂的科技指导。[66]
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生产裂变材料钚-239的第一个环节是反应堆。早在1945年春，第二实验室便在库尔恰托夫的直接领导下开始了功率为10万千瓦的工业堆的研究和设计工作。经过反复研究，最终确定了铀—石墨反应堆的方案，决定采用普通水作为冷却剂。1946年1月28日，根据苏联人民委员会第229-100cc/оп号决定，库尔恰托夫被任命为工业堆建设项目科技负责人，莫斯科化工机械制造研究所所长Н.А.多列扎利被任命为工业堆总设计师。政府决定在化工机械制造研究所成立专门的液压设计室，人员从其他设计部门调入。钢结构设计院（Н.П.梅利尼科夫任院长）、航空工业部设计院（А.С.阿布拉莫夫任院长）、航空材料研究所（А.В.阿基莫夫任所长）、物理化学研究所（弗鲁姆金院士任所长）、全苏液压机械制造研究所（В.В.米什克教授设计室）等也参与了化工机械制造研究所的设计工作。进入化工机械制造研究所的全体设计人员被分成5个小组，同时进行设计。1946年2月，多列扎利提出了由立式结构的工艺管路取代卧式结构的工艺管路的设计方案。立式结构的工艺管路的设计方案是全新的和独创的，它的最大优点是可以避免反应堆的许多构件发生变形的问题。卧式结构的工艺管路的设计方案是美国在曼哈顿计划中所采用的，虽已得到成功的验证，但存在着诸多弊端。1946年7月10日，第一管理总局科技委员会最终确定了立式结构的方案。[67]
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1946年5月，817综合厂建设工程动工，开始平整场地、铺设道路、修建工棚。1946年9月，举行了工业堆奠基仪式，工人们用锄头和铁锹挖掘出一个用于建造生产堆的40米深的基坑。负责817综合厂工程建设的扎维尼亚金在提到工业堆主体工程的施工量和投入的人力时曾给出下面一组数字：“土方工程为19万立方米，多为硬土层。浇灌混凝土82000立方米，砌砖6000立方米……在第一管理总局的建筑工地，包括技术人员在内的总人数为45000人。”[68]这些人中还包括大量的犯人。1947年末，工业堆的外体工程竣工。1948年1月，在总设计师代表В.Ф.古谢夫的领导下开始进行工业堆的内部装配。工业堆的内部装配工作是由第21建筑安装管理局、第11建筑安装管理局、第71设计安装局、“热控制”建筑安装管理局、“乌拉尔卫生设备”建筑安装管理局等共同承担和完成的，共安装了5000吨金属构件和基本设备及5745个调节阀门和3800个仪表，铺设了230公里长的不同直径的管线及165公里长的电缆。1948年3月，开始堆砌工业堆的活性区和石墨块反射层，共用去150吨高纯度金属铀块和1000吨高纯度石墨。反应堆的活性区位于零刻度以下的混凝土井里，井壁厚达3米，壁外是里面盛满了水的钢制贮水池。活性区直径为9.4米，里面铺设了1168个工艺管路。每个管路上都装有显示器和信号系统，用以测定数据的变化并显示水流的增加和减少、水温的急剧变化及石墨管路进水等紧急情况。除紧急保护系统外，工业堆还有控制系统、冷却系统及核燃料换装系统等。1948年5月末，工业堆主体装配完工。为筹备和进行工业堆的启动工作，第二实验室专门成立了由40多人组成的分部。第二实验室第6研究室主任В.И.梅尔金被任命为工业堆总工程师。1948年6月8日，库尔恰托夫下达了启动反应堆的指令，在工艺管路未注水的情况下进行了物理点火。6月10日，工艺管路中注满水的反应堆达到临界状态。工业堆的启动工作在6月19日接近尾声，首次达到10万千瓦的设计功率。从1948年7月起，工业堆开始不间断地全功率运行。尽管在点火启动阶段和后来的正常运行阶段，工业堆曾发生过大大小小的各类故障，出现过诸如铝质外壳腐蚀、渗漏等情况，但在所有参与工业堆建设的人员共同努力下，817综合厂首个分厂的建设和投产任务完成，开始规模化生产用于制造原子弹的核材料钚-239。[69]
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在进行工业堆设计施工的同时，817综合厂的其他两个分厂也进入了紧张的设计和建设阶段。放射化学厂的设计方案首先由苏联科学院镭研究所提出，列宁格勒国家联合设计所又做了进一步完善。1946年12月，放射化学厂主体厂房建设动工，生产设备的安装和干线的铺设及墙体的垒砌同时进行。1948年8月末，放射化学厂开始安装遥控装置，进行投产前的各项准备工作。1948年12月22日，在工业堆中辐照过的首批金属铀块被送到放射化学厂。1949年2月26日，在金属铀块经去除铝质外壳、在硝酸溶液中溶解以及铀、钚分离和纯化等工序后，放射化学厂将首批成品——钚浓缩液送往化工冶金厂。[70]
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化工冶金厂最初设在海军部仓库，位于克什特姆市和塔特什火车站附近。1948年3月3日，在与工业堆和放射化学厂相联的一片生产场地上建起了一栋三层楼房，这便是化学冶金厂的新厂房。化学冶金厂最先是由第九研究所设计室设计的，第十二国家联合设计所最终完成了设计方案。1949年2月26日，在收到放射化学厂送来的最终产品钚浓缩液后，化工冶金厂投产运行。1949年2月27日，第九车间生产出首批钚硝酸溶液。1949年4月，在尚无生产工艺规程的情况下，第九车间又完成了高纯度二氧化钚的生产任务。1949年6月，冶金车间生产出了足够用来制造苏联第一颗原子弹的金属钚。1949年8月，半球体钚装料制作完成，从而保证了1949年8月29日在谢米巴拉金斯克试验场进行的苏联首个原子弹试验。[71]
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为建设817综合厂，政府投入了大量的财力、物力和人力。建设施工和设备配套等一应费用无须事先提出预算，全部按实际支出拨付。全国有数十家工厂和研究所参与了817综合厂设备、仪器和装置的生产制造与安装和调试，数以万计的工人、军人及犯人参与了817综合厂的施工建设。[72]在一年零8个月的时间里，苏联核计划的行政和科技负责人万尼科夫和库尔恰托夫就住在离817综合厂施工现场不远的一座芬兰式住房里。苏联核计划的核心领导机构专门委员会主席贝利亚及扎维尼亚金、别尔乌辛等其他成员也都定期前来工地察看施工进度、设备和材料的供应及安装情况。[73]817综合厂的建设和投产是苏联在实施核计划过程中迈出的关键性一步，此时，离苏联核计划的阶段性成果——第一颗原子弹的制造完成与成功试验仅咫尺之遥。
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813综合厂
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