Самым главным направлением деятельности математика Соболева в те годы стало его участие в работе по разделению изотопов урана. Эту проблему решал И. К. Кикоин, создавший теорию каскадов диффузионных машин (центрифуг). В связи со сложностью новой теории и необходимостью проведения для ее реализации огромного количества расчетов Сергей Львович как специалист высочайшего класса и был приглашен в Лабораторию № 2.
В апреле 1945 г. С. Л. Соболев вместе с выдающимся инженером И. Н. Вознесенским занимался проблемой расчетов разделительных элементов и каскадов, газодинамикой комплекса, устойчивостью и регулированием каскадов. Группа из трех человек — двух теоретиков и математика — под руководством С. Л. Соболева занималась также проблемой пористых фильтров.
Уже 1 декабря 1945 г. правительством страны было принято постановление о строительстве первого в СССР газодиффузионного завода — Д-1. Научным руководителем проекта назначается И. К. Кикоин, его заместителями — И. Н. Вознесенский и С. Л. Соболев. Сотрудники лаборатории под руководством Сергея Львовича в рамках пусковых задач разработали методику построения и взаимодействия 56 каскадов из нескольких тысяч машин и схему их автоматического регулирования в устойчивом гидравлическом режиме для получения конечного продукта — урана с обогащением 90 %, необходимого для создания атомных зарядов. Технологическая схема завода Д-1 также была рассчитана в группе С. Л. Соболева.
Сложности с возведением завода возникали постоянно на протяжении почти четырех лет, и нормально он заработал лишь в 1950 г. Но результаты, полученные на этом долгом пути, были очень важными. Они показали, что технология диффузионного обогащения урана в СССР освоена. По схеме, разработанной для Д-1, можно было строить новые заводы. Сейчас комплекс предприятий, первенцем которого был завод Д-1, стал всемирно известным Уральским электрохимическим комбинатом.
За выдающиеся заслуги в решении важнейших государственных задач С. Л. Соболев был награжден Сталинской премией I степени и удостоен звания Героя Социалистического Труда (указ от 8 января 1952 г.).
Как заместитель И. В. Курчатова Сергей Львович участвовал в работах и по другим направлениям деятельности Лаборатории № 2.
Например, в теории критических размеров с группой сотрудников он получил численное решение для сферического реактора с отражателем в нескольких вариантах параметров. Затем С. Л. Соболев рассмотрел влияние так называемого пушечного эффекта на реактивность (прострел нейтронов по трубам), — это исследование имело большое значение для промышленных реакторов в случае их аварий с обезвоживанием, а также для проектирования каналов регулирования и аварийной защиты. В 1951 г. академик Соболев и его сотрудники получили решение важной проблемы в построении реакторов — нашли точное значение граничных условий “задачи для черного стержня”. Все эти результаты, требовавшие большой точности при выполнении огромного объема расчетов, были получены на электромеханических машинках “Мерседес”, а иной раз — просто на логарифмических линейках.
Прежде чем составить алгоритм счета, требовалось разобраться в физических проблемах, которые до этого никогда не изучались, и академику Соболеву это удавалось. Он, по воспоминаниям его коллег, обладал колоссальной “пробивной силой” при решении задач математической физики. Сам Сергей Львович вспоминал годы спустя: “Тогда было такое ощущение, что если не выйдет наша работа, то неизвестно, что станет со страной. Но у всех у нас была уверенность, что выйдет, обязательно выйдет”.
В эти напряженные годы С. Л. Соболев продолжал преподавательскую работу, которой придавал очень большое значение. Еще в 1930-м он начал вести занятия в Ленинградском электротехническом институте им. Ленина, затем преподавал в Военно-транспортной академии РККА, в 1935—1957 гг. был профессором МГУ и ЛГУ. В 1952 г. он по просьбе М. В. Келдыша возглавил кафедру вычислительной математики Московского университета. В 1943-м, вернувшись из эвакуации, С. Л. Соболев сразу же активно включился в работу знаменитого семинара И. Г. Петровского и А. Н. Тихонова по уравнениям в частных производных. А травма ноги, приковавшая его к постели весной 1950 г., позволила ему за шесть недель написать книгу “Некоторые применения функционального анализа в математической физике”, которая впоследствии была переведена на многие языки. Свою же работу по проведению большого объема сложных вычислений С. Л. Соболев воспринял как толчок к исследованиям по теории алгоритмов, к развитию вычислительной математики.