Первый реактор, так называемый «Чикагская поленница» (CP-1) проработала до февраля 1943 года. Перевезена в Аргоннскую лабораторию, где она была доработана с добавлением радиологической защиты, получила название (CP-2). В 1944 году был закончен новый ядерный реактор (СР-3)с защитой на тяжелой воде.
Сразу же после удачного запуска атомного реактора был создан проект Y2 по проектированию атомной бомбы в Лос-Аламосе, которым руководил тот же Оппенгеймер, которому не раз приходилось обращаться к Ферми, мировому авторитету атомной физики, с возникшими проблемами. Было решено изготовить бомбу на основе урана-235, другую на плутоние-239 с изотопом плутония-240, которые готовились в разных реакторах. Идея создания атомной бомбы на основе урана-235 оказалась проще: при соединении двух частей данного вещества, достигается критическая масса, при которой происходит вышедшая из под контроля цепная реакция, с выделением большого количества энергии за короткое время, чтобы произошел взрыв. С плутониевой бомбой было несколько вариантов. В итоге остановились на таком: плутониевый шар взрывной волной сжимается вдвое и достигает надкритичности.
Первые сведения о работах, проводимых по разработке атомной бомбы, как союзниками, так и противником, были доложены Сталину разведкой в 1943 году. Сразу же было принято решение о развертывании подобных работ в Союзе. В одном из зданий Казанского университета начала работать секретная «Лаборатория № 2», ее руководителем назначен Курчатов. Так начался советский атомный проект. Задания получили не только ученые, но и разведчики, для которых добыча ядерных секретов стала проблемой № 1. Ценнейшие сведения о работе над атомной бомбой в США, добытые разведкой, очень помогли продвижению советского ядерного проекта. Участвовавшие в нем ученые сумели избежать тупиковых путей поиска, тем самым существенно ускорив достижение конечной цели.
33-й президент США Трумэн, сменивший Рузвельта, планировал завершить войну в мае 1945 гола. Советские войска вошли в Берлин, и 8 мая Германия капитулировала, но продолжал действовать японский фронт, союзник Германии. Трумэн провел совещание с физиками-разработчиками ядерной бомбы с целью выяснения возможности ее применения. 11 мая физики отправили Трумэну письмо, в котором не рекомендовали использовать атомную бомбу в военных целях, самое большее, продемонстрировать японцам ее мощь на пустом пространстве, хотя мнения ученых было различным.
По окончании войны из СССР в Германию была направлена группа советских физиков, среди которых были будущие академики Арцимович, Кикоин, Харитон, Щелкин. Все были в форме полковников Красной армии. Операцией руководил первый заместитель наркома внутренних дел Иван Серов, что открывало любые двери. Кроме нужных немецких ученых «полковники» разыскали тонны металлического урана, что, по признанию Курчатова, сократило работу над советской бомбой не менее чем на год. Немало урана из Германии вывезли и американцы, прихватив и специалистов,