链式裂变反应中最关键性的问题是裂变时释放出来的中子数量，只有在每次裂变过程中都释放出一个以上的中子时，链式反应才能产生和得以维持。1939年4月，约里奥－居里等人公布了他们的实验结果，即每个铀核裂变时释放出的次级中子数量为3.5个⑥。此时，物理技术研究所的弗廖罗夫和Л．И．鲁西诺夫也完成了他们的实验，测出次级中子的常数为3±1⑦。相对而言，他们的结论更接近正确的2.4个次级中子。1940年年初，弗廖罗夫和镭研究所的К．А．彼得扎克在莫斯科地铁的深井里做实验时发现了自发性铀核裂变现象，即在不用中子轰击的情况下铀核产生的裂变现象。1940年6月，约费将发现这一现象的消息发往美国的《物理学评论》杂志，弗廖罗夫和彼得扎克撰写的论文《铀的自发裂变》也同时在国内的杂志上发表⑧。
    从1918年起，在第一代物理学家约费和赫洛平等人的积极倡议和组织下，苏联先后成立了列宁格勒物理技术研究所和镭研究所，并以此为基础创立了苏联物理学派和放射学派。物理技术研究所和镭研究所培养的第二代物理学家库尔恰托夫、谢苗诺夫、瓦维洛夫、卡皮查、哈里顿等人迅速成长起来，先后参与创建了科学院物理研究所、化学物理研究所和物理问题研究所，进一步扩大了苏联物理学的研究平台。彼得扎克、弗廖罗夫、泽利多维奇等人在物理学研究领域的崭露头角，标志着第三代物理学家的问世。这样，到二战爆发之前20多年的时间里，苏联不仅成立了多家物理学科研机构，而且还形成了一支老中青相结合的科研队伍。这支队伍不仅为核物理学增添了多个新的理论和多项新的发现--伊万年科的原子结构假说，谢苗诺夫的链式化学反应，卡皮查的液氦超流性，切连科夫、塔姆和弗兰克的“切连科夫效应”，库尔恰托夫等人的同质异能现象，弗伦克尔的原子核液滴模型，彼得扎克和弗廖罗夫的自发裂变现象，泽利多维奇和哈里顿的临界质量，而且也为苏联核计划的实施和第一颗原子弹的研制奠定了坚实的科学理论基础。
    二 第二次世界大战期间军事利用核能的技术条件准备苏联政府一向重视国外情报的搜集工作，从30年代开始尤其关注科技情报的搜集。科学家们证实，铀原子核在裂变过程中会释放大量能量，可以用来制造威力巨大的核武器。于是，情报部门的注意力便首先放在核情报的搜集上。1942年10月6日，贝利亚向斯大林呈递了关于英国军事利用核能及建议在苏联开展核研究的报告⑨。其实，早在1941年9月25日和10月3日，苏联驻伦敦情报机构便已先后向国内通报了1941年9月16日和9月20日英国铀委员会会议的情况及铀委员会呈报给战时内阁报告的内容⑩。虽然贝利亚的报告在一年之后才最终呈递给斯大林，但不能否认核情报在促使苏联政府作出恢复核研究的决定时所起的关键作用。
    1942年9月28日，斯大林在国防委员会第2352cc号密令《开展铀研究》上签字，责成科学院恢复核能利用研究，组建科学院下属的原子核专门实验室，在1943年4月1日前向国防委员会提交制造铀弹或铀燃料的可行性报告(11)。在具有高度职业敏感和责任心的科研人员的一再呼吁下，在担心敌对国德国抢先研制出杀伤力巨大的原子弹的情况下，在情报机构提供的同盟国英国也在积极从事核武器研究的消息的刺激下，苏联政府终于作出秘密决定，从而为恢复因战争爆发而中断的核研究提供了政策保障。
    在作出恢复核研究的决定后，苏联并未立即采取积极行动，仍在继续谨慎地进行可行性论证。经约费推荐，原子核专门实验室主任库尔恰托夫作为核物理专家先后两次被召到莫斯科，开始接触驻外情报机构获取的核情报，并先后于1942年11月27日和1943年1月13日写出两份鉴定报告(12)。库尔恰托夫的报告进一步打消了苏联领导人的疑虑，坚定了恢复核研究的决心。另外，在斯大林格勒战役中取得胜利后，苏联掌握了战争的主动权，已经有暇顾及除战争以外的其他事情了。
    这样，国防委员会又于1943年2月11日签发了第2872cc号密令，决定由人民委员会副主席、化学工业人民委员М．Г．别尔乌辛和卡夫塔诺夫负责铀研究的日常管理工作，库尔恰托夫为铀研究的科技负责人(13)。根据国防委员会的上述密令，科学院作出在莫斯科成立新的实验室的决定，任命库尔恰托夫为新的实验室--2号实验室的主任(14)。
    2号实验室的组建过程持续了几年的时间，直到1945年上半年才基本稳定下来。2号实验室是在物理技术研究所基础上成立起来的，人员主要来自战时转移到喀山的研究人员。当时，研究所共有10个实验室，其中，2号实验室主要从事声学和无线电物理研究。科学院作出成立2号实验室的决定后，沿用了原有的2号实验室的名称，不过，2号实验室相对独立，不受物理技术研究所管辖。2号实验室先后成立了8个研究实验室，分别是：核反应堆物理研究实验室，采用扩散法浓缩铀－235研究实验室，铀后元素化学研究实验室，重水生产研究实验室，采用电磁法分离铀同位素研究实验室，新机组生产工艺研究实验室，快中子物理研究实验室，介子研究实验室(15)。2号实验室最初为两地办公，1944年4月迁往位于莫斯科市郊的波克罗夫斯科耶－斯特列什涅沃(16)。到1945年年末，2号实验室共有科技人员180名(17)。
    1943年7月30日，库尔恰托夫向国防委员会副主席和人民委员会第一副主席莫洛托夫递交了研制铀弹和生产铀燃料的可行性报告，报告同时也是2号实验室成立后1943年上半年的工作汇报。在简要回顾了核研究的状况后，库尔恰托夫首先介绍了分离铀同位素的扩散方法，随后说明了建造反应堆的重要性。在论证和肯定了研制铀弹和生产铀燃料的可行性后，库尔恰托夫提出将2号实验室的工作重点放在建造反应堆、浓缩铀同位素及研究裂变材料钚－239和铀－235的物理特性上(18)。
    反应堆是使原子核裂变的链式反应能够有控制地持续进行的装置，是进行各项核物理、中子物理、固体物理、超导性、放射性材料研究的基地，是核燃料、核材料及核构件等的实验基地，也是钚－239等裂变材料的生产基地。铀－石墨反应堆主要使用天然铀或浓缩铀和石墨，天然铀或浓缩铀用作核燃料，而石墨和重水则用作减速剂。因此，建造反应堆必须首先具备铀、石墨和重水等材料。
    受库尔恰托夫委托，苏联有色冶金工业人民委员部的稀有金属研究所承担了用于反应堆的金属铀生产工艺的研究和开发任务，由被称为“俄罗斯的居里夫人”的З．В．叶尔绍娃负责。叶尔绍娃曾于1937年被派往巴黎的玛丽娅·居里实验室学习和工作，在约里奥－居里的指导下进行科学研究。1944年12月，第一块重量为1公斤的高纯度金属铀锭在叶尔绍娃领导的实验室铸造出来，为2号实验室进行铀物理特性研究提供了样品。1945年年末，苏联开始批量生产金属铀。
    在主抓反应堆研究和建设的同时，库尔恰托夫还时刻关注着回旋加速器的制造。为进行一系列的核物理研究，急需功率强大的中子源。当时，能够提供强大中子源的只有回旋加速器。战前，物理技术研究所便开始了加速器的建设，原计划在1942年1月1日启动运行，但战争的爆发阻止了计划的最终完成。1943年夏天，根据国防委员会第2872cc号密令，回旋加速器的部分设备和材料从列宁格勒运抵莫斯科。1943年年末，回旋加速器在修建中的2号实验室实验大楼完成了最后组装。1944年9月8日，库尔恰托夫向莫洛托夫报告了回旋加速器启动运行的消息(19)。