22 марта Курчатов написал еще одну памятную записку, которая стала основополагающим документом советского атомного проекта. В ней физик заявил: наиболее перспективен плутониевый путь к атомной бомбе. В этом случае можно обойти сложную проблему разделения изотопов. Однако советские ученые не будут иметь возможности изучить свойства элемента-94 до лета 1944 года, когда будут восстановлены и запущены советские циклотроны. Следовательно, очень важно узнать, что об этом элементе знают в США. Курчатов сформулировал четыре ключевых вопроса. Первый – делится ли элемент-94 быстрыми или медленными нейтронами? Второй – если делится, то каково сечение деления? Третий – подвержен ли элемент-94 спонтанному делению и каков период его полураспада? Четвертый – какие превращения претерпевает элемент-94 со временем? В дополнение Курчатов привел список американских лабораторий, где могли проводиться подобные работы. Список открывался Радиационной лабораторией в Беркли.
Новая памятка Курчатова попала Гайку Бадаловичу Овакимяну – заместителю начальника иностранного отдела Главного управления государственной безопасности НКВД, а тот поручил своим сотрудникам передать вопросы физика агентам за границей. Так начиналась сверхсекретная операция «Энормоз», призванная помочь советским физикам как можно быстрее создать атомную бомбу.
12 апреля 1943 года, выполняя решение Государственного Комитета Обороны, Академия наук приняла постановление о создании новой лаборатории под руководством Курчатова. Она стала известна как Лаборатория № 2. Находясь формально в составе Академии наук, Лаборатория № 2 подчинялась наркому химической промышленности Михаилу Георгиевичу Первухину, который должен был курировать работы от имени правительства. Сергей Кафтанов отошел на задний план.
Игорь Курчатов написал для Первухина доклад, озаглавленный «Протон, электрон и нейтрон», из которого тот мог получить основные сведения о структуре атомов. В следующем месяце физик составил более обширный доклад «Урановая проблема», где описал путь, пройденный от открытия радиоактивности к пониманию атомной структуры, и рассказал о разработке ускорителей частиц и их роли в ядерной физике. В этом докладе давался обзор представлений о цепной ядерной реакции по состоянию на июнь 1941 года, когда соответствующие исследования в СССР были прекращены. Курчатов лишь кратко остановился на атомной бомбе, упомянув, что цепная реакция на быстрых нейтронах в блоке урана-235 приведет к «взрыву исключительной силы». Но это будет зависеть, писал он, от «решения невероятно сложной технической задачи выделения большого количества этого изотопа из обычного урана». Потребуется по меньшей мере несколько килограммов чистого урана-235. Оценки критической массы лежат, отмечал Курчатов, в пределах от двух до сорока килограммов. В этом докладе Курчатов коротко коснулся и элемента-94, но по каким-то причинам не упомянул, что его можно использовать вместо урана-235 в качестве активного материала для бомбы.
Затем Курчатов встретился с Харитоном, Флёровым, Зельдовичем, Кикоиным, Алихановым и Лейпунским в Москве, чтобы принять коллективное решение о главных направлениях исследований. На себя он взял проектирование и постройку экспериментального реактора, производящего образцы элемента-94 для химического и физического анализа.
Первое решение, которое ему предстояло принять, заключалось в выборе типа сборки. В апрельском докладе Первухину он оценил, что для реактора потребуется 15 тонн тяжелой воды и 2 тонны природного урана, а для уран-графитовой системы – 500–1000 тонн графита и 50–100 тонн урана. К началу июля Курчатов выбрал в качестве замедлителя графит. Главная причина его выбора заключалась в том, что получить графит было легче, чем тяжелую воду: в Советском Союзе имелись электродные заводы, где производился графит, в то время как строительство завода по производству тяжелой воды в Чирчике (Таджикистан) так и не было завершено.
Курчатову не хватало урана для экспериментов. И все, что он мог на тот момент сделать, – это предложить теоретикам Лаборатории № 2 рассчитать конструкцию сборки. Исай Гуревич и Исаак Померанчук разработали теорию гетерогенной сборки, в которой урановые блоки распределялись в графитовом замедлителе в виде решетки. Такое размещение снижало вероятность резонансного поглощения нейтронов ураном-238, поскольку уменьшало возможность столкновения нейтронов с атомами урана-238 в процессе их замедления, когда вероятность поглощения была особенно велика. В январе 1944 года Померанчук разработал теорию экспоненциальных экспериментов, в которых ключевые измерения могли быть проделаны еще до окончания полной сборки реактора.
Курчатов знал, что для создания экспериментального реактора потребуются годы. В марте 1943 года он предложил Леониду Немёнову, который перед войной вел работы по циклотрону в институте Иоффе, завершить их и как можно скорее получить регистрируемые количества элемента-94. На это он дал Немёнову шестнадцать месяцев и отправил его и Петра Яковлевича Глазунова, инженера из института Иоффе, в Ленинград, чтобы разыскать там генератор, изготовленный для физтеховского циклотрона. Немёнов и Глазунов вылетели в Ленинград с письмами от Первухина к Андрею Александрович Жданову, секретарю ленинградского обкома. Там физики разыскали части конструкции циклотрона, подготовили генератор и выпрямитель к перевозке, извлекли из земли медные трубы и латунные шины, закопанные во дворе Физико-технического института перед эвакуацией его персонала в Казань. Они нашли даже 75-тонный электромагнит на заводе «Электросила», который находился всего лишь в трех километрах от линии фронта. С помощью солдат, присланных военным командованием, физики погрузили оборудование в два товарных вагона, чтобы транспортировать его в Москву.
По возвращении в столицу Немёнов начал собирать циклотрон. Сделать оставалось еще многое: спроектировать и изготовить ускорительную камеру, разработать систему охлаждения магнитных обмоток, изготовить поковки для магнита на московском заводе «Серп и молот». Наконец сборка циклотрона была завершена, и 25 сентября 1944 года, на два месяца позже назначенного Курчатовым срока, в циклотроне был получен пучок дейтронов. Немёнов сообщил об этом по телефону Курчатову, который находился на совещании у народного комиссара боеприпасов. Тот выехал посмотреть на циклотрон в действии и после этого привез всю группу, работавшую над циклотроном, к себе домой, чтобы отметить успех шампанским. На следующий день началось облучение уранил-нитрата. Полученный материал был передан для исследования в лабораторию Бориса Курчатова, младшего брата физика. Борис Курчатов выделил элемент-93 в первой половине 1944 года, а затем сосредоточился на элементе-94. Он поместил колбу с перекисью урана в сосуд с водой, служившей замедлителем, а в центре колбы расположил радиево-бериллиевый источник нейтронов, остававшийся там в течение трех месяцев. Затем он повторил процесс с облученным ураном и выделил препарат с альфа-активностью. Так в октябре 1944 года были получены следы наличия элемента-94 в экспериментальных образцах. Первые крупицы плутония из урана, облученного в циклотроне, Борис Курчатов выделил только в 1946 году. Кроме того, вопросами выделения плутония занималась группа Радиевого института под руководством академика Хлопина, к которому Игорь Курчатов испытывал определенный пиетет.