В мае 1943 года И. В. Курчатов отозвал брата в Москву, где в недавно созданной Лаборатории № 2 начали разворачиваться работы по урановому проекту. Объявив, что задачей лаборатории является развитие работ по цепной реакции урана, Игорь Васильевич сначала поручил брату изучить всю литературу по элементу 93 (нептунию), а потом доверил решение одной из ключевых задач — постановку в лабораторных условиях экспериментов по получению элементов 93 и 94 и изучению их физико-химических свойств. Это было архиважно для решения последующего наиважнейшего этапа атомного проекта — создания в стране промышленного способа извлечения из урановых руд плутония.
Первые опыты Б. В. Курчатов начал ставить в Пыжевском переулке, в здании Сейсмологического института. Проводя эксперименты с громадными трудностями, практически без лабораторного оборудования, в совершенно не приспособленном для экспериментальных работ (тем более химических) помещении, уже в 1944 году он развернул исследования по физическим и радиохимическим проблемам образования и выделения плутония из облученного урана. Работали и днем и ночью, и вскоре пришла удача. Ожидалось, что изотоп элемента 94 с атомным весом 239 так же, как и уран-235, способен делиться под действием и быстрых, и тепловых нейтронов. По аналогии с ураном-235 предполагалось, что плутоний-239 должен быть ядерным горючим, пригодным для осуществления как взрывного цепного процесса, так и управляемой ядерной реакции. Но в то время о свойствах плутония почти ничего не было известно. Их нужно было изучить.
Опыты Б. В. Курчатов начал с получения «индикаторных» количеств нептуния и изучения его химических свойств. Нептуний был выделен из слабо облученных соединений урана. Борис Васильевич подтвердил сходство этого элемента (низшей валентности) с цериевой группой редких земель. Для выделения плутония он значительно увеличил дозу нейтронного облучения. Располагая лишь радий-бериллиевым источником, он около трех месяцев непрерывно облучал колбу с гидратом окиси-закиси урана, поместив ее и источник в бочку с водой. После химической переработки материала в октябре 1944 года был выделен препарат, который оказался альфа-активным. Измерения показали, что он содержит десять атомов плутония. Это были первые «атомные» количества плутония, полученные в СССР, — важнейшее достижение отечественной радиохимии.
К этому времени в литературе был известен только элемент 93. Его достоверно идентифицировали Мак-Миллан и Абельсон в 1940 году. Из него должен был получаться элемент 94, предположительно α-излучатель с очень большим периодом полураспада — больше миллиона лет. Обнаружить его американским ученым тогда не удалось, несмотря на использование мишени элемента 93 с большой исходной активностью. К этой загадке Борис Васильевич возвращался не раз.
Мак-Милланом и Абельсоном были охарактеризованы химические свойства элемента 93. Уже тогда было сделано предположение, что с урана начинается новая группа элементов, аналогичная редкоземельной группе. В 1942 году была опубликована вторая и последняя работа по химии элемента 93. Авторы ее, Ган и Штрассман, показали в журнале «Натурвиссеншафтен» ряд результатов, подтверждающих выводы американцев. Однако в отношении свойств элемента 93 в восстановленном состоянии был получен странный результат, противоречащий американским данным. Других публикаций в открытой печати не было, и это свидетельствовало с большой вероятностью о засекречивании за рубежом всех работ по трансурановым элементам.
Работа Б. В. Курчатова по получению элемента 93 и изучению его химических свойств была закончена вскоре после переезда курчатовцев в 1945 году в Покровское-Стрешнево, в достроенное главное здание на Октябрьском Поле. Накопление элемента 93 велось 83 дня и закончилось 17 октября 1944 года. По средней пробе была определена скорость накопления 93, а следовательно, и 94. Полное количество накопленного 94 выражалось величиной 3,31012 атомов. Эксперименты продолжили, сконцентрировавшись на получении элемента 94. Облучения урана Борис Васильевич с сотрудниками вел с помощью радий-бериллиевого источника нейтронов, содержащего около 200 тс Ra. Физическая аппаратура для изучения β-активности, вывезенная из Ленинграда и Казани, была несовершенна, капризничала и часто ломалась. Уже в первых опытах был опровергнут аномальный результат Гана и Штрассмана и подтверждено сходство свойств элемента 93 в низшей валентности с цериевой группой редких земель. Этот результат позволил Б. В. Курчатову разработать так называемый сульфатный метод очистки элемента 93 — простой и надежный в отличие от «классической» схемы фторидного осаждения. Для начального этапа, когда надо было выделить его из довольно больших количеств облученного урана, Борис Васильевич отработал купферонный метод выделения элемента 93 четырехвалентным ураном, добавлявшимся в небольшом количестве к основному раствору шестивалентного урана, и доложил об этом на семинаре.