Сборка реактора была сложным и ответственным делом. Из графитовых блоков в виде сферы диаметром шесть метров, окруженной отражателем (также графитовым) толщиной 80 сантиметров, сооружалась его активная зона. В уложенных блоках графита было просверлено около 30 тысяч отверстий для урановых блочков — они образовывали пространственную решетку с определенным шагом. Общий вес графитовой кладки в реакторе составлял 450 тонн, а урановых блочков — 45 тонн. Полная структура реактора выглядела как кубическая решетка урана, погруженная в графитовую сферу[551]. Монтаж вели горизонтальными слоями, начиная со дна котлована. По расчетам реактор должен был состоять из 76 слоев[552]. На каждый слой составляли монтажную картограмму, определяющую его планировку: где и какой графитовый брусок уложить, в какое отверстие вставить какой урановый блочок и т. п. В сборке реактора были предусмотрены три сквозных вертикальных канала, предназначенные для свободного перемещения внутри кладки стержней управления и защиты (стержни СУЗ). Поднятие или погружение внутрь активной зоны центрального или управляющего стержня позволяло регулировать величину нейтронного потока в реакторе.
Два других вертикальных канала были предусмотрены для стержней аварийной защиты. Они крепились к тросу с помощью электромагнитного замка. Простота и надежность конструкции состояли в том, что достаточно было обесточить обмотку электромагнита, чтобы стержень под собственным весом упал внутрь реактора и цепная реакция мгновенно прекратилась. Вся конструкция для регулирования мощности реактора и его аварийной защиты была разработана и смонтирована прямо в здании своими же инженерами и рабочими.
В кладке предусматривались также пять горизонтальных каналов контрольно-измерительной аппаратуры. Подаваемые от нее электрические импульсы детекторов воспроизводились в звуковых динамиках и на гальванометре, установленных в комнате управления и в центральном зале. Для будущих экспериментов в кладке предусматривался широкий горизонтальный туннель. В нем предполагалось облучать образцы различных материалов и изучать биологическое воздействие нейтронного потока на живые организмы (мышей, крыс, собак).
15 ноября 1946 года Курчатов принял решение о начале сборки. 20 ноября на дне котлована выложили первый графитовый слой. Начальные слои многократно перепроверяли, перекладывали. Потом дела пошли быстрее — выкладывали по два-три слоя за день. Сборка первых двадцати пяти слоев проходила без особых мер предосторожности, точно по картограммам. Но когда в горизонтальный канал был установлен «запальный» источник нейтронов, начали вести радиационный контроль и обстановка сразу изменилась. Напряжение, ожидание неожиданностей нарастали с каждым выложенным слоем. С 28-го слоя Курчатов ночевал в только что выстроенном для него на территории лаборатории доме. Он дал команду еще раз тщательно проверить и привести в рабочее состояние стержни СУЗ, включить все приборы радиационного контроля, детекторы нейтронного потока и гамма-излучения, находившиеся внутри активной зоны и в разных точках здания. Опасность пускового момента заключалась в том, что надо было подойти к критическим размерам реактора осторожно, ведя постоянное наблюдение за уровнем нейтронного потока внутри сборки. Цепная реакция могла развиться неожиданно.
По теоретическим расчетам критичности ожидали достигнуть на 75-м слое. Но все инженеры понимали, что слепое доверие к теории в данном случае принципиально исключено. Поэтому величину потока нейтронов после укладки очередного слоя тщательно замеряли и полученные данные анализировали, что позволяло прогнозировать резкое возрастание потока и приближение к критическим размерам по мере роста числа слоев. Начиная с 38-го слоя каждый следующий слой укладывали при опущенных вниз аварийных стержнях. Потом стержни поднимали вверх и производили замер потока нейтронов. Далее стержни вновь опускали и сборку продолжали. После 50-го слоя Курчатов практически не выходил из реакторного здания. Некоторые из рабочих в последние три дня тоже не уходили домой, ночевали на полу в здании реактора. На 58-м слое обнаружилось кратковременное нарастание скорости счета импульсов. Котел приближался к критическим размерам. Строящийся график предсказывал начало цепной реакции на 61-м слое. К шести часам вечера 24 декабря рабочие собрали этот слой. Уверенный, что теперь реактор «пойдет», Курчатов отпустил рабочих домой, оставшись с несколькими инженерами. Сам сел за пульт управления. Несколько раз поднимая стержни, он пытался «оживить» реактор. Поток нейтронов возрастал, но через некоторое время насыщался и стабилизировался. К часу ночи Курчатов убедился, что придется класть еще один слой. В ожидании рабочих задремал в кресле на пару часов. Рано утром 25 декабря сборку продолжили. Уполномоченный Совмина генерал НКВД Н. И. Павлов не отходил от Курчатова ни на шаг, фиксируя каждое его движение или указание[553]. К 15 часам 25 минутам 62-й слой был готов. Реактор достиг критических размеров. Для страховки Курчатов приказал всем, не имеющим непосредственного отношения к пуску, покинуть здание.