В 1940 г. аспирантами И. В. Курчатова Г. Н. Флеровым и К. А. Петржаком открыто явление спонтанного деления ядер урана, что свидетельствовало о возможности первоначального возбуждения цепной реакции деления ядер урана без внешних источников нейтронов.
В том же 1940 г. американский физик Э. Макмиллан доказал, что при облучении урана нейтронами получается новый элемент – нептуний-239:
Нептуний-239 является бета-активным излучателем с периодом полураспада 2,3 сут.
Вскоре Г. Сиборг, Э. Макмиллан, Дж. Кеннеди и А. Вал получили изотоп элемента с порядковым номером 94 и массовым числом 238 путем бомбардировки урана в циклотроне дейтронами:
Химия плутония-238 изучалась микрохимическими методами на микрограммовых количествах, полученных на циклотроне. Лишь после работ с 238Ри было установлено, что распад 239Np приводит к образованию долгоживущего изотопа 239Ри с периодом полураспада 24 390 лет. Нептуний и плутоний по традиции названы по именам планет, следующих за Ураном. Изотоп 239Ри, так же как и 235U, способен делиться под действием нейтронов.
В 1940 г. в США начинаются работы по созданию атомной бомбы, закодированные под названием Манхэттенский проект. Строятся заводы по разделению изотопов урана. Под руководством Э. Ферми 2 декабря 1942 г. в Чикаго запущен первый в мире атомный реактор, которому было разрешено работать всего 28 мин. Критическая масса составила 46 т урана, размещенного среди 385 т чистого графита. Затем были построены промышленные реакторы для наработки плутония-239. За 1942–1945 г.г. было получено урана-235 и плутония-239 на три атомные бомбы. 16 июля 1945 г. в Аламогордо (штат Нью-Мексико) проведено испытание атомной бомбы. 6 и 9 августа 1945 г., как известно, атомные бомбы разрушили японские города Хиросиму и Нагасаки, погибли сотни тысяч мирных жителей.
В СССР научные исследования по делению урана были возобновлены в 1942 г. после письма Г. Н. Флерова И. В. Сталину о том, что с осени 1941 г. американские, английские и другие научные журналы прекратили сообщения по делению урана и по цепным ядерным реакциям. Это означало, что в США начали вести работу по созданию ядерного оружия. 15 февраля 1943 г. принято решение о создании лаборатории № 2 Академии наук СССР в целях раскрытия путей овладения энергией деления ядер урана. Начальником лаборатории был назначен И. В. Курчатов. Работы по диффузионным методам разделения изотопов урана проводились под руководством И. К. Кикоина, Л. А. Арцимович отвечал за разработку электромагнитного способа разделения изотопов урана. Работы, связанные с сооружением ядерного реактора, взял на себя Курчатов.
Теория цепной реакции деления ядер урана с размножением нейтронов была разработана Я. Б. Зельдовичем и Ю. Б. Харитоном на основании теории цепных реакций Н. Н. Семенова.
После разрушения Хиросимы и Нагасаки 20 августа 1945 г. при Государственном комитете обороны СССР был образован Специальный комитет для