Атомный котёл на пустыре
Курчатов решил немедленно развернуть работу по сооружению опытного атомного реактора или, как тогда говорили, котла. Размещение лаборатории и реактора требовали значительной территории. Несколько дней Курчатов, Алиханов и сотрудник аппарата ГКО С. А. Балезин искали подходящее здание для лаборатории, пока не нашли на окраине Москвы в Покровско-Стрешневе большой пустырь с недостроенным зданием Всесоюзного института экспериментальной медицины. Как оказалось впоследствии, место было выбрано очень удачно, на перспективу. Лаборатория № 2 со временем выросла в Институт атомной энергии, а в начале 90-х годов он стал называться Федеральным ядерным центром имени И. В. Курчатова.
Ясно осознавая колоссальные трудности, стоявшие на пути создания атомного оружия, Курчатов собирает в лабораторию лучших ученых.
Теоретическими расчетами занимались Я. Б. Зельдович, Ю. Б. Харитон, И. И. Гуревич и И. Я. Померанчук. Ученые рассчитали теорию атомного реактора и атомного взрыва.
К. И. Щелкин и В. И. Меркин проводили эксперименты, по результатам которых на имитаторах анализировался процесс сближения двух надкритических масс для осуществления взрывной реакции.
Л. М. Неменову Курчатов поручает строительство циклотрона, на котором с помощью облучения мишени из урана должны быть получены первые миллиграммы плутония. В условиях войны строительство столь крупного сооружения с широким использованием цветных металлов было сложным делом. Неменов привозит два вагона материалов с недостроенного циклотрона в Ленинграде. Семидесятипятитонный магнит получают с Новокраматорского завода.
25 сентября 1944 года циклотрон запущен в работу по круглосуточному графику, чтобы быстрее наработать первые миллиграммы плутония.
Лидирующее место в Лаборатории занял сектор № 1. Под руководством Курчатова в нем исследовались проблемы уран-графитового реактора. В 1944 году в секторе работали всего пять человек: И. В. Курчатов, И. С. Панасюк, А. К. Кондратьев, Н. Е. Юркович и Б. Г. Дубовский. К концу 1946 года в секторе насчитывалось уже 76 человек.
Параллельно разрабатывался реактор. Руководил этой группой А. И. Алиханов. На ее базе была чуть позже создана теплотехническая лаборатория, развернутая в Институт теоретической и экспериментальной физики.
Разработку технологии обогащения урана газодиффузионным методом Курчатов поручил И. К. Кикоину — сотруднику Ленинградского физтеха. Метод электромагнитного разделения разрабатывала группа исследователей под руководством Л. А. Арцимовича.