Под руководством академика А.Ф. Иоффе, директора Физико-технического института в Ленинграде (ЛФТИ), успешно работали группы талантливых молодых ученых, которые занимались исследованием модели ядра, выдвигали гипотезы его строения и поведения элементарных частиц, разрабатывали теории сложных явлений, в том числе и цепных ядерных реакций, проводили уникальные эксперименты. Не оставалась без внимания даже внеземная, космическая тематика.
В 1932 г. по инициативе Вернадского началось строительство гигантского ускорителя частиц (циклотрона) в Ленинградском физико-техническом институте. Для выполнения научных работ по ядерно-физической тематике в ЛФТИ была создана специальная исследовательская группа, а к 1934 г. работы в области ядерной физики и атомного ядра велись уже в четырех отделах ЛФТИ (под руководством И.В. Курчатова, Л.И. Алиханова, Л.А. Арцимовича и Д.Б. Скобельцина). В Радиевом институте академиками В.И. Вернадским и В.Г. Хлопиным создавалась отечественная школа радиационной и аналитической химии.
В 1934 г. был организован Физический институт им. П.А. Лебедева, ставший центром развития ядерной физики в Москве. Исследования по ядерной тематике проводились также в Украинском (позднее Харьковском) физико-техническом институте, основанном К.Д. Синельниковым в начале 1931 г. в Харькове.
В 1935 г. в Украинском физико-техническом институте было заложено основание электронной пушки для обстрела атомных ядер исследуемых элементов.
Работы выдающихся советских ученых – Л.И. Мандельштама, М.А. Леонтовича, И.В. Курчатова, Я.И. Френкеля, П.А. Черенкова, С.И. Вавилова, И.С. Тамма, К.М. Франка и многих других – убедительно показывали, что по уровню исследований в теоретической ядерной физике СССР не отстает от европейских стран – лидеров довоенного научного мира. По многим направлениям мы даже опережали их. Да и на практике отставание было очень незначительным. За рубежом тяжелую воду впервые получили в 1933 г., в СССР – на год позже. В 1939 г. были сделаны первые шаги по ее промышленному производству. А циклотрон, запущенный в ленинградском Радиевом институте в 1937 г., был первым в Европе.
Число ученых, работающих в области ядерной физики, с 1933 г. выросло в 5 раз. В феврале 1939 г., после того как наши физики узнали из зарубежных журналов об открытии деления атомного ядра, в СССР осознали военное значение этого открытия.
Тогда же Я.И. Френкель (руководитель теоретического отдела ЛФТИ) предложил капельную модель атомного ядра и сформулировал основы теории деления тяжелых ядер. В 1940 г. H.H. Семенов, Я.Б. Зельдович и Ю.Б. Харитон (Институт химической физики) предложили теорию развития цепной ядерной реакции в уране. В сентябре 1939 г. началось строительство огромного циклотрона в Ленинграде. Ввод его в строй планировался на 1942 г. И.В. Курчатов делает сенсационное заявление: при расщеплении ядер, содержащихся в одном килограмме урана, должна выделиться энергия, равная взрыву 20 тыс. т тротила. Эти расчеты полностью подтвердились при американской ядерной бомбардировке Хиросимы. К апрелю 1939 г. ученые нашей страны самостоятельно и независимо от исследователей на Западе установили, что каждое ядро урана при распаде испускает 2—4 нейтрона, т. е. становится возможной цепная ядерная реакция. К 1940 г. они пришли к заключению, что такая реакция может быть проведена с использованием урана-235 (или природного урана и тяжелой воды). В 1940 г. Г.Н. Флёров и К.А. Петржак открыли явление спонтанного (самопроизвольного) деления урана. Основная проблема состояла в построении реактора для получения энергии.
Перед войной, в 1940 г., И.В. Курчатов почти на год ранее, чем в США, высказал идею графитового реактора и представил в Академию наук план овладения ядерной энергией и создания целой атомной индустрии – заводов по производству обогащенного урана и тяжелой воды.
Исследования, связанные с получением тяжелой воды, уже проводились в СССР: в 1938 г. при Академии наук СССР была образована Комиссия по тяжелой воде (позднее преобразованная в Комиссию по изотопам). В 1939 г. Институт физической химии им. Л.В. Писаржевского в Днепропетровске установил на днепровской дамбе исследовательское оборудование для производства в небольших объемах тяжелой воды электролитическим методом. На конференции по изотопам в апреле 1940 г. было решено построить опытную установку для производства примерно 15 кг тяжелой воды в год. Этого количества хватало только для лабораторных экспериментов. Созданная опытная установка, расположенная на Чирчикском азотном заводе под Ташкентом, в 1944 г. еще не была введена в строй. К концу войны в СССР был сконструирован вариант водородного электролизатора, специально предназначенного для производства тяжелой воды.