1939年发现了铀的链式反应以及构思核反应炉。1942年，库尔恰托夫宣佈：「一公斤的铀核进行分裂后，释放出来的能量与20,000吨TNT炸药相等。」，此一通告于后来在美军于广岛进行的原爆中获得了应验。
原子弹工程.1941年，纳粹德国对苏联展开了大规模的进攻，代号为「巴巴罗萨作战」。在此期间，库尔恰托夫领导着核物理研究，并在苏联科学院中颇有名气。由于与德国和轴心联军的激烈战争，苏联直到1942年前都未以积极的态度去进行核武器的开发。1942年4月，年轻的核物理学家格奥尔基·尼古拉耶