核计划是一项庞大的工程，仅仅依靠科学家的努力是远远不够的，还需要有一个极具权威的政府机构来调动全国的力量。美国制造的广岛事件给苏联敲响了警钟，斯大林终于走出疑虑，将核计划的地位提升到国家高度，批准成立了专门委员会、第一管理总局和科技委员会，建构了一个完整的核计划决策、组织、领导和监督体系。从此，由国家最高领导人斯大林、核计划决策监督人贝利亚、核计划协调管理人万尼科夫、核计划科技负责人库尔恰托夫组合形成的核计划组织、领导和管理机制全面启动运行。
    1942年11月27日，在斯大林作出恢复核研究的重大决策后，莫洛托夫签署了国防委员会第2542cc号《关于开采铀矿的决定》，责成有色冶金、中型机器制造、国家监察、地质及镭研究所等政府部委和科研院所全力开展铀矿勘探、开采和加工工作(32)。1943年7月30日，莫洛托夫又签署了国防委员会第3834cc号决定，进一步部署和督促地质、高校、财政、有色冶金、中型机器制造、黑色冶金、造纸、橡胶、轻工、纺织、弹药、煤炭及科学院等政府部委和科研院所的铀矿勘探、开采和加工工作(33)。
    苏联早期的铀矿勘探、开采和加工条件极其恶劣，人员、设备匮乏，技术落后。有色冶金工业人民委员部所属铀矿开采人员仅为100～150人，仅有10～15台汽车、20匹马和驴，主要靠手工劳动，而且是由犯人和特殊移民完成的。在开采和运输过程中损失的氧化铀达27％，加工时损失的氧化铀更达60％，金属铀的提取率仅为10％～12％(34)。
    在此情况下，斯大林先后于1944年12月8日和1945年3月8日签署了国防委员会第7102cc/ов号和第7737cc号决定，明确提出铀矿勘探、开采和加工为国家最重要的一项任务，要求政府各部门加大力度，在最短时间内完成铀原料基地建设的任务(35)。此后，铀矿勘探、开采和加工在苏联境内全面展开。苏联地质部门向中亚、卡累利阿－芬兰、爱沙尼亚、列宁格勒州、东西伯利亚和西西伯利亚以及摩尔曼斯克州、阿尔泰边区、乌克兰、高加索等地共派出包括13个地质勘探队、23个找矿队、32个复查队和15个科研队在内的83个地质工作队，费用支出达2千多万卢布(36)。
    尽管1950年苏联的铀矿开采总量与1945年相比增长了113倍，达到了2056.8吨，但境内的开采量却只占其中的3成，为416.9吨，而东德、波兰、捷克斯洛伐克和保加利亚却占到了7成，为1639.9吨(37)。据著名的美国学者霍洛韦提供的中央情报局的统计数据，在1950年，苏联45％的铀矿来自东德，35％来自波兰，15％来自捷克斯洛伐克，4％来自保加利亚，只有33％来自苏联本国(38)。
    2号实验室成立伊始，生产核材料便成为其首要任务，而借助铀－石墨反应堆获得人工裂变材料钚则被确定为生产核材料的一条捷径。为此，2号实验室不仅解决了一系列理论问题，还攻克了生产高纯度石墨和金属铀的技术难关，从而为反应堆的建设创造了条件。然而，有一个问题却始终困扰着库尔恰托夫，那便是没有足够数量的铀用作核燃料。
    德国无条件投降以后，情况发生了转机。库尔恰托夫曾在1946年年初表示：“1945年5月前，铀－石墨反应堆点火是一件毫无希望的事情，因为我们总共只有7吨氧化铀。要在1948年前弄到反应堆所需的100吨铀显得非常渺茫。去年年中，贝利亚同志向德国派出了以扎维尼亚金、马赫涅夫和基科因同志为首的由2号实验室和内务人民委员部人员组成的特别小组，寻找铀和铀原料。在做了大量的工作之后，小组找到了300吨氧化铀及其化合物并将其运回苏联。这不仅大大改善了铀－石墨反应堆的境况，而且也大大改善了整个铀研究的境况……”(39)库尔恰托夫亲自组织和领导了2号实验室物理实验堆Ф－1的建设。经过对铀和石墨特性的研究和实验，他基本确定了实验堆的临界质量--金属铀块50吨，石墨块500吨(40)。1946年10月末，由第12厂用在德国找到的氧化铀及其化合物生产出的金属铀块被源源不断地运到2号实验室。11月中旬，库尔恰托夫指挥科技人员开始往实验堆里装填金属铀。12月24日，实验堆开始产生链式反应。12月25日晚18时，实验堆达到临界状态，功率为100瓦特，瞬间甚至达到了3800瓦特(41)。这是苏联，也是欧洲大陆首次实现的自持可控铀核链式裂变反应，标志着苏联已经掌握了生产核材料的技术。作为进行各项核物理、中子物理、固体物理、物质结构、超导性、放射性材料、生物学、医学、生态学研究的实验场和同位素生产基地以及核燃料、核材料及核构件等的实验基地，实验堆为此后工业堆的建设提供了重要的参考和宝贵的经验。
    在建设实验堆的同时，苏联便已经开始积极筹划工业堆的建设。1945年10月26日，贝利亚主持召开专门委员会会议，重点讨论817厂的选址问题，从此，苏联核材料综合生产厂--817厂的建设被列入议事日程(42)。考虑到地形特点、远离城镇、树木茂盛、水源充足、交通便利、易于施工、电力保障等综合因素，1945年12月1日，贝利亚以副主席的名义签署了苏联人民委员会第3007－892cc号决定，批准将817厂建在乌拉尔南部的克孜勒塔什湖南岸，对外地址为车里雅宾斯克－40(43)。1947年11月24日，根据第3909－1327cc/оп号苏联部长会议决定，817厂更名为由“A”厂--铀－石墨工业堆、“Б”厂--放射化学厂和“B”厂--化工冶金厂组成的817综合厂(44)。
    1946年9月，举行了铀－石墨工业堆奠基仪式。经过反复讨论和多次论证，工业堆的设计方案没有采用已在美国的曼哈顿计划中所采用的卧式结构，而独创了工艺管路的立式结构设计，以避免构件容易变形等弊端。1947年年末，工业堆主体工程施工结束。核设施建筑工程负责人、内务副人民委员А．П．扎维尼亚金曾在1948年的报告中写道：工业堆主体工程量浩大，其中，土方工程为19万立方米，混凝土和钢筋混凝土浇铸82000立方米，砌砖6千立方米。共计4万5千人参加了工业堆的建筑工程施工，包括雇工、工程兵、特殊移民、犯人等(45)。1948年1月，开始进行工业堆金属构件和主要设备的内部安装和调试。3月初，开始堆砌作为中子减速剂的石墨块反射层，共用去大约1000吨石墨。5月末，开始检测和调试信号、保护、控制、冷却、换装等系统。6月8日，在反应区的工艺管路中装填了32600公斤的金属铀块后，工业堆实现了工艺管路注水前的物理启动(46)。6月10日晚7时，当金属铀装填到72 600公斤后，工业堆实现了工艺管路注水后的链式裂变反应(47)。12月22日，首批辐照后的金属铀块运抵“Б”厂--817综合厂的放射化学厂。