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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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1943年，第二实验室自成立起便开始探讨对气体相的铀同位素进行分离的可行性问题，并将同位素分离确定为重要的研究方向之一。战争期间，化学工业人民委员部第42研究所首次获得了可用于气体扩散法分离铀同位素的气体铀化合物——六氟化铀。战争结束后，苏联科学院通讯院士基科因开始同数学家索伯列夫和理论物理学家Я.А.斯莫罗金斯基埋头进行气体扩散理论的研究。他们让气态六氟化铀通过带有大量小孔的挡板，以此获得了高纯度的铀-235轻质同位素。1945年12月1日，苏联人民委员会通过第3007-892cc号决议，在原航空工业人民委员部第261厂的基础上建设采用气体扩散法生产铀-235的813综合厂。[74]813综合厂位于上涅伊文斯克村，距斯维尔德洛夫斯克市80公里。这里曾先后被称为斯维尔德洛夫斯克-44和新乌拉尔斯克。813综合厂建设工程负责人为И.П.博伊科夫，总工程师为Б.М.谢尔久科夫，设计单位为第十一国家专业设计所。813综合厂于1946年动工建设，1949年竣工投产。基科因担任813综合厂科技总负责人，索伯列夫院士领导理论计算工作，著名的液压机械专家沃兹涅先斯基领导生产工艺研究。列宁格勒基洛夫厂和装备部高尔基机械制造厂的设计院参与了铀浓缩扩散分离设备的研制。经实验，列宁格勒基洛夫厂设计院设计制造的扩散分离设备不符合要求被淘汰，装备部高尔基机械制造厂设计院设计制造的扩散分离设备被采用。813综合厂共安装了6000台压缩机，每128台分为1组。1949年11月，813综合厂Д-1厂生产出首批纯度为75%的浓缩铀-235。从1950年起，813综合厂每年生产数十公斤浓缩铀，纯度达到了94%。[75]
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除气体扩散法外，苏联科学院第二实验室还同时组织开展了采用电磁法和离心法分离铀同位素的研究，并在斯维尔德洛夫斯克-45（即列斯诺伊市）建起了高浓缩铀-235电磁分离厂，列宁格勒基洛夫厂设计院总设计师Н.М.西涅夫在以施腾贝克为首的德国专家的参与下研制出了气体离心机。[76]
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不过，由于短时间内难以解决的技术上的困难等方面的原因，无论是813综合厂还是电磁分离厂及气体离心机，都未能及时提供足够数量的浓缩铀，未能在苏联核计划实施初期——第一颗原子弹的研制中发挥作用。
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第11设计院
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第二实验室早在成立之初便将核爆炸和原子弹作为主要的研究方向之一，由哈里顿负责。1946年4月9日，苏联部长会议作出决定，成立专门的设计院承担核爆炸研究和原子弹设计任务。第805-327cc号决议《第二实验室问题》规定：①将第二实验室第6研究室改组为第二实验室设计室，承担原子弹的设计和生产任务；②设计室的正式名称为苏联科学院第二实验室第11设计院；③任命运输机械制造部副部长П.М.焦尔诺夫为设计院院长，哈里顿为总设计师；④接受万尼科夫、扎维尼亚金、哈里顿等人的建议，将农业机械制造部550厂厂址及附属用地划归第11设计院；⑤苏联科学院化学物理研究所承担核爆炸理论研究任务；⑥第一管理总局负责向第11设计院和化学物理研究所提供物质技术支持。[77]
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550厂原为生产体育用品的小厂，后被改造为机器制造厂，1939年开始生产产品。第二次世界大战爆发后成为国防企业，代号550。1942年末开始生产新的产品——“喀秋莎”火箭炮M-13型炮弹零部件。1946年1月，550厂划归农业机械制造人民委员部。550厂位于摩尔多瓦自治共和国与高尔基州结合地带的萨罗夫村，地处俄罗斯腹地，树木繁茂，人口稀少，居民2000～3000人，有17条乡间土路与外界相通，一条窄轨铁路支线与沙特基车站相连。萨罗夫村曾以萨罗夫修道院闻名，一度被奉为东正教的耶路撒冷。十月革命后，萨罗夫修道院被苏联政府查封，用作少年和成年犯人的劳动改造营，渐渐被人们淡忘。第一管理总局派专人考察了萨罗夫村。之后，因符合“偏僻之地、远离大道、距莫斯科400公里之内”等选址条件，既便于进行秘密核爆炸试验又距核计划管理中心不远，萨罗夫村被确定为第11设计院所在地。从此，萨罗夫在苏联各类地图上“消失”。为保密起见，这里曾先后被称为“550工程”、“112基地”、苏联城市建设总局伏尔加沿岸办事处、“莫斯科中心-300”、阿尔扎马斯-75、阿尔扎马斯-16等。[78]