Курчатов встретился со своими ближайшими коллегами — Харитоном, Флеровым, Зельдовичем, Кикоиным, Алихановым и Лейпунским в Москве в гостинице «Москва», чтобы принять решение о главных направлениях исследований^{436}. На себя он взял проектирование и постройку экспериментального реактора, производящего образцы элемента 94 для химического и физического анализа^{437}. Первое решение, которое ему предстояло принять, заключалось в выборе типа сборки. В своем апрельском докладе Первухину он оценил, что для тяжеловодного реактора потребуется 15 тонн тяжелой воды, две тонны природного урана, а для уран-графитовой системы — 500–1000 тонн графита и 50–100 тонн урана^{438}. К началу июля Курчатов выбрал в качестве замедлителя графит, и это несмотря на то, что для тяжеловодного реактора потребовалось бы значительно меньше урана. Главная причина такого 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 головного завода по производству тяжелой воды, которое перед войной планировалось осуществить при азотном заводе в Чирчике в Таджикистане, так и не было закончено. Производство тяжелой воды еще надо было организовывать, и она могла быть получена только «в весьма отдаленные времена»^{439}. Курчатов взял на себя прямое руководство работой по созданию уран-графитовой системы, выбрав одного из своих бывших учеников, И.С. Панасюка, в качестве главного помощника^{440}.[125] Задача строительства тяжеловодного реактора была возложена на Алиханова, который с неохотой соглашался работать под руководством Курчатова. Работа в этом направлении всерьез началась лишь после окончания войны^{441}.

Курчатову не хватало урана для экспериментов. Все, что он мог 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^{442}. 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. Зельдович и Померанчук разработали теорию замедления и поглощения нейтронов в графите и на этой основе развили метод контроля чистоты графита^{443}.[126] Эта работа была проделана в 1943 г. В январе 1944 г. Померанчук разработал теорию экспоненциальных экспериментов, в которых ключевые измерения могли быть проделаны еще до окончания полной сборки реактора^{444}.[127]

Курчатов знал, что для создания экспериментального реактора потребуются годы. В марте 1943 г. он предложил Леониду Неменову, который еще до войны вел работы по циклотрону в институте Иоффе, построить циклотрон и как можно скорее получить регистрируемые количества элемента 94. Он дал Неменову на это 16 месяцев и отправил его и П. Глазунова, инженера из института Иоффе, в Ленинград, чтобы разыскать там генератор, изготовленный для физтеховского циклотрона^{445}.[128] С письмами от Первухина к Андрею Жданову, секретарю ленинградского обкома, Неменов и Глазунов вылетели в Ленинград, взяв с собой более сотни посылок от коллег для родственников в осажденном городе. Самое тяжелое время было позади. В январе 1943 г. Красной армии удалось деблокировать жизненно важную железную дорогу между городом и «Большой землей», как говорили ленинградцы. Но население Ленинграда жестоко пострадало от голода и было сильно ослаблено.

Неменов и Глазунов разыскали части конструкции циклотрона. Они подготовили генератор и выпрямитель к перевозке и извлекли из земли медные трубы и латунные шины, закопанные во дворе Физико-технического института перед эвакуацией его персонала в Казань. Они разыскали также 75-тонный электромагнит на заводе «Электросила», который находился всего лишь в трех километрах от линии фронта. G помощью солдат, присланных к ним военным командованием, они погрузили все оборудование в два товарных вагона, чтобы транспортировать его в Москву. Так как вновь открытая железнодорожная колея проходила через район, обстреливаемый немцами, Неменов и Глазунов вылетели из города на самолете^{446}.

По возвращении в Москву Неменов 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 в 10 часов утра 25 сентября 1944 г., на два месяца позже назначенного Курчатовым срока, в циклотроне был получен пучок дейтронов. Неменов сообщил об этом по телефону Курчатову, который находился на совещании у Бориса Ванникова, народного комиссара боеприпасов. Курчатов 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 уранилнитрата, которое продолжалось до декабря 1945 г.^{447}

Облученный материал был передан для исследования в лабораторию младшего брата Курчатова, Бориса, который поступил в Лабораторию № 2 в середине 1943 г.^{448} Борис Курчатов выделил элемент 93 в первой половине 1944 г. и 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 г. были получены первые следы элемента 94. Первый плутоний (как теперь назывался элемент 94) из урана, облученного в циклотроне, Борис Курчатов выделил не ранее 1946 г.^{449},[129]

Курчатов не ограничился тем, что поручил химическое выделение плутония только своему брату. Ему надо было улучшить взаимоотношения с Хлопиным, и он решил подключить его к проекту, попросив Радиевый институт разработать метод выделения элемента 94 из облученного урана^{450}.[130] Курчатов не пытался «сводить счеты» с Хлопиным, а, как указывает Флеров, всегда оказывал ему «знаки внимания, проявлял уважение к его знаниям и авторитету. Курчатов всегда указывал на заслуги Хлопина как родоначальника советской радиохимии». Здесь он продемонстрировал свое искусство в обращении с людьми, и неприязнь между двумя учеными исчезла^{451}.

Первоначально разделение изотопов было включено в план работ Лаборатории № 2, но за военные годы достижений было немного. Ответственным за эту часть проекта был назначен Кикоин^{452}. Он организовал исследования по различным методам разделения. Ланге продолжал свою работу над центрифугой, и в 1944 г. они с Кикоиным изготовили в Лаборатории № 2 центрифугу пятиметровой длины. Однако она была слишком шумной в работе и развалилась при резонансной частоте вращения. Ланге переехал в Свердловск, а Кикоин сосредоточил свои усилия на методе газовой диффузии. В конце 1943 г. Курчатов предложил Анатолию Александрову организовать исследования по термодиффузии. В 1944 г. в лабораторию пришел Арцимович, чтобы возглавить работу по электромагнитному разделению^{453}.