Вспомним, как ставились основные цели программы перед войной. Первое — сконструировать урановый реактор с замедлителем нейтронов, лучше всего с тяжелой водой. И второе — наладить промышленное разделение изотопов урана, чтобы обогащенный легким изотопом уран применить в реакторах без замедлителей. Теперь уже нельзя было ограничиться обогащением исходного ядерного материала легким изотопом. Требовался уран-235 в чистом виде и в достаточном количестве. Ведь именно этот изотоп, делящийся нейтронами любых энергий, представляет собой ядерную взрывчатку. Расчет критической массы урана, осуществленный тремя ленинградскими теоретиками — Харитоном, Зельдовичем и Гуревичем, — извлекли из сейфа: международная обстановка вынуждала нас позаботиться о собственном ядерном оружии, чтобы не оказаться беззащитными перед угрозой со стороны государств, уже владеющих им. Последующие события подтвердили дальновидность советской ядерной политики.
Новые задачи определялись и тем, что длительный спор физиков и радиохимиков о трансуранах наконец завершился — трансураны нашли. Как выяснилось, тяжелый изотоп урана не просто поглощает нейтроны, выводя их из цепной реакции, но сам при этом преобразуется — превращается в сравнительно короткоживущий (с полураспадом примерно в двое суток) нептуний, занимающий клетку № 93 в таблице Менделеева. А тот, в свою очередь, излучая электрон, переходит в элемент № 94, плутоний, гораздо более устойчивый — его период полураспада свыше двадцати четырех тысяч лет. Оба элемента в естественном состоянии не существуют.
Плутоний, открытый в 1940 году Гленном Сиборгом, сразу обнаружил уникальные свойства: как и уран-235, он делится нейтронами любых энергий и тоже испускает вторичные нейтроны. В качестве материала для ядерной бомбы он даже превосходит легкий изотоп урана. Есть у плутония и еще одно огромное преимущество: по своей химической природе он отличен от урана, и потому его несравненно легче выделить из общей массы, чем легкий изотоп-235. Именно эти свойства определили важное место плутония в разработке американского ядерного оружия. В нашей ядерной программе, которую в 1943 году стал проводить в жизнь Курчатов, естественно, плутонию тоже придавалось первостепенное значение. Теперь советский урановый реактор с замедлителем мог решать две задачи: давать тепловую энергию, возникающую при цепной реакции деления ядер, и производить пригодный для последующего извлечения из массы урана плутоний.
Оставалось выбрать замедлитель нейтронов. До войны Курчатов, подобно немецким и французским физикам, ориентировался на тяжелую воду. Ни немцы во время войны, ни французы после войны не изменили своей привязанности к тяжелой воде. Американцы же, как мы знаем, предпочли графит. Курчатов решил испытать оба замедлителя. Один из секторов Лаборатории № 2 — вскоре он выделился в самостоятельную лабораторию, руководимую академиком А. И. Алихановым, а ныне это Институт теоретической и экспериментальной физики — конструировал тяжеловодный реактор. Сам Курчатов, помимо научного руководства всеми ядерными работами в стране, оставил за собой создание реактора с графитовым замедлителем.
Это было невероятно трудно — направлять и координировать научные и промышленные разработки общегосударственной ядерной программы, давать задания институтам, проектировщикам, производственникам, контролировать их выполнение и одновременно вести еще свое, личное, неохватно важное и чрезвычайно сложное исследование, призванное разжечь цепную реакцию деления урана в уран-графитовой массе. Но хотя Курчатов нес на своих плечах основную тяжесть ответственности за советскую ядерную программу, и на всех ее исследованиях лежит отпечаток его интеллекта, знаний и устремлений, тем не менее среди необычайного многообразия гигантских по сложности и широте дел работа над уран-графитовым реактором выделяется особо: в нее замечательный ученый вложил всю свою душу.
Новоорганизованной Лаборатории № 2 предоставили в Замоскворечье часть помещения эвакуированного из Москвы Сейсмологического института. Здесь в 1943 году и начались эксперименты с ураном и графитом. Еще было неясно, сколько понадобится того и другого, но теоретики предсказывали, что необходимы сотни тонн графита и десятки тонн урана, причем еще невиданной в промышленности чистоты. Наивыгоднейшая геометрия реактора, по их заключению, — бочкообразная масса графита, в которую в строгом порядке вставлены урановые стержни. Таковы были предварительные расчеты. Уточнить их мог только эксперимент.