Назначенный главой отдела Курчатов энергично взялся за дело и большую часть 1933 года посвятил изучению литературы по ядерной физике. Попутно он обозначил стратегические цели и продумал варианты, первоначальные шаги и путь по организации и ведению экспериментов в области физики атомного ядра для своих сотрудников. Так же энергично он занялся подготовкой приборов для намечаемых исследований.

Вслед за Курчатовым к исследованиям физики атомного ядра перешли сотрудники и других лабораторий этого института: Абрам Исаакович Алиханов, ранее возглавлявший позитронную лабораторию [158] , Лев Андреевич Арцимович, заведовавший до этого высоковольтной лабораторией [159] , и Дмитрий Владимирович Скобельцын — руководитель лаборатории в отделе ядерной физики, который с начала 1920-х годов изучал проблемы космических лучей [160] .

Исследования по физике атомного ядра начали разворачиваться также и в других научно-исследовательских центрах Советского Союза — ленинградском Радиевом институте АН СССР (РИАН), московском Физическом институте АН СССР (ФИАН) и Украинском физико-техническом институте (УФТИ). Украинский физико-технический институт в Харькове, где после возвращения из Англии обосновался К. Д. Синельников, развернул свои работы раньше всех других. Там впервые в СССР 11 октября 1932 года А. К. Вальтер, К. Д. Синельников, А. И. Лейпунский и Г. Д. Латышев осуществили эксперимент — расщепили ядро лития [161] , проведя это сразу вслед за англичанами Кокрофтом и Уолтоном. С этого научного достижения и начался отсчет выдающихся открытий советских ученых в этой области. Курчатов, часто бывавший у коллег-харьковчан, непосредственно не участвовал в данном эксперименте, хотя в некоторых публикациях его ошибочно называют участником этих работ [162] . Впрочем, не случайно: в то время он много трудился над разработкой высоковольтной установки и новой ускорительной техники УФТИ [163] ; часто ездил в Харьков, где анализировал проводимые там эксперименты и вместе с Синельниковым выдвинул гипотезу о рождении в реакции «литий-6» легкого, тогда еще неизвестного изотопа гелия [164] .

У себя в Ленинградском физтехе Курчатов с самого начала приступил к разработке методов искусственного ускорения частиц, которые открывали более широкие перспективы, чем использование альфа-частиц естественно радиоактивных препаратов. Тогда же, в 1933 году, он решил создать и соответствующую техническую базу, в частности, ускорители заряженных частиц. Первые высоковольтная установка и ускорительная трубка позволили ему получать пучок протонов с энергией 350 кэВ. С помощью этой ускорительной трубки он провел первые собственные эксперименты с протонами на литии и боре [165] .

Затем вдвоем с сотрудником его отдела М. А. Еремеевым Курчатов соорудил новую установку с магнитом массой две тонны — они называли его «циклотрончик». Протоны на этом первом в ЛФТИ устройстве ускорялись уже до энергий порядка 530 кэВ. Этот циклический ускоритель был тогда единственным в мире за пределами лаборатории Лоуренса в США. Но нужна была более совершенная техника промышленного изготовления. Курчатов, проявив завидные энергию и темперамент, в том же 1933 году вместе с А. И. Алихановым доказал руководству необходимость соорудить в ЛФТИ большой циклотрон. Ученые «пробили» вопрос финансирования работ на его проектирование. В результате Главнаука отпустила Ленинградскому физико-техническому институту на эти работы в 1938 году 100 тысяч рублей [166] .

Стремясь как можно глубже познать современную ускорительную технику, Курчатов использовал буквально любую появлявшуюся возможность для этого. За год до этого, в 1937 году, как лучший знаток ускорительной техники он был приглашен академиком В. Г. Хлопиным, чтобы возглавить и осуществить ввод в действие спроектированного по инициативе Л. В. Мысовского еще в 1932 году, но еще не запущенного в работу первого в СССР крупного циклотрона. Налаживание этого циклотрона в Радиевом институте шло чрезвычайно медленно и туго. Устойчивой и регулярной работы его не получалось, пуск постоянно откладывался. Согласившись определить необходимый цикл работ и провести их, Курчатов в течение трех лет, с 1937 по 1939 год, лично монтировал, разбирал, принимал, отбраковывал и испытывал все его детали и узлы. Анализировал, разрабатывал методики и испытывал всё вместе с учениками — М. Г. Мещеряковым и др. Составлял и передавал необходимые заказы на завод. Когда их выполнение задерживалось, Курчатов сам отправлялся на завод, разговаривал с исполнителями, терпеливо устранял препятствия и препоны. А если дело задерживалось в мастерских РИАНа или ЛФТИ, то шел в мастерские и объяснял мастерам, что нужно сделать, вместе с ними искал способы устранения помех. Благодаря его активной деятельности в начале 1937 года циклотрон заработал, пучок протонов начал поддаваться регулировке. И уже 16 марта 1937 года директор РИАНа академик В. Г. Хлопин доложил об этом на ученом совете института [167] . Этот циклотрон стал пятым в мире большим действующим ускорителем после четырех, которые тогда действовали в США. 17 марта 1937 года «Ленинградская правда» отметила событие пуска этого советского циклотрона статьей «Атомная пушка РИАНа» [168] .

В Радиевом институте Курчатов работал с 1935 по 1940 год вначале консультантом, а затем заведующим физическим отделом и циклотронной лабораторией. Чтобы ближе познакомиться с работой этого единственного в СССР в то время циклотрона и овладеть необходимой техникой, он весной 1937 года перешел работать в РИАН по совместительству один раз в неделю. А с 1 апреля 1939 года Президиум АН СССР утвердил его в должности заведующего физическим отделом РИАНа (также по совместительству). В этой должности он фактически работал до 17 января 1941 года [169] . Приход Курчатова в РИАН изменил положение с наладкой циклотрона — постепенно Игорь Васильевич добился его устойчивой и регулярной работы. Первые ускоренные частицы на нем удалось получить в октябре — ноябре 1938 года.

11 июня 1939 года Курчатову было выдано авторское свидетельство № 22 872 на изобретение установки для получения диффузного источника нейтронов [170] . В. Г. Хлопин был доволен. «Большой циклотрон Радиевого института является единственно действующей установкой не только в Союзе, но и в Европе», — отмечал он в «Вестнике АН СССР» [171] .

Все чаще о работах в области ядерной физики стали писать в центральных газетах. В «Правде», «Ленинградской правде», «За индустриализацию» регулярно рассказывалось об «атомной пушке» и работах на ней. Довольный ходом эксперимента, Курчатов поделился новостями с женой в письме в Харьков, где она находилась в гостях у брата. «Дела с циклотроном идут хорошо… на большой палец! За время работы с 1 по 8 марта удалось удлинить время работы с 5 минут до 5 часов. Работаю… в 10 (утра. — Р. К.) начинаю, в 11 (вечера. — Р. К.) кончаю…» [172] — писал он. Эти работы в РИАНе находились под пристальным вниманием Академии наук и в 1938 году дважды проверялись комиссиями. Одна из них в справке от 1–5 октября, тщательно ознакомившись с делами отдела Курчатова, назвала его крупным специалистом по ядерной физике [173] .

С конца ноября 1939-го по март 1940 года, когда шла война с Финляндией, Курчатов временно прекратил эксперименты на циклотроне, так как из-за военных действий на Карельском перешейке в Ленинграде была ограничена подача электроэнергии и топлива. Поэтому план научно-исследовательских и производственных работ ленинградских институтов срывался по многим темам. Директор РИАНа В. Г. Хлопин существенно замедлил в институте почти все темы по урану, а некоторые были им закрыты [174] . Но к этому периоду деятельность Курчатова в РИАНе, связанная с настройкой и пуском циклотрона института, уже вышла на финишную прямую.