Осенью 1941-го и весной 1942-го братья получили печальные известия о смерти родителей. Борис Васильевич до конца своих дней скорбел и сокрушался, винил себя за то, что у него «не хватило настойчивости и решимости остаться с отцом и матерью в Ленинграде». Тогда же он помогал Марине Дмитриевне выхаживать Игоря Васильевича, боровшегося с тяжелой болезнью. Он и сам часто болел. Жил вначале в здании Казанского университета на улице Чернышевского, где для сотрудников ЛФТИ отвели несколько комнат под лаборатории, мастерские и склады. Тридцать пять ученых вместе с семьями разместили в одной комнате площадью 60 квадратных метров. Но трудности организации на новом месте, по выражению Бориса Васильевича, «не слишком тормозили научную работу». Вскоре он получил отдельную комнату «недалеко от трамвая и базара» по улице Чехова в доме 43/2. Комната была холодная и сырая, и у Бориса Васильевича снова появилась реальная опасность заболеть туберкулезом или ревматизмом. В октябре — декабре он перенес грипп и дважды бронхит, перебравшись на время болезни к Марине Дмитриевне.

Миновала страшная зима. Позади остались скорби и болезни. Вся жизнь Курчатова-младшего, как и всех физтеховцев, сконцентрировалась на работе для фронта, для победы. То, что делалось в мирное время за несколько лет, теперь решалось в несколько месяцев. Вспоминая работу в Казани (об этом периоде известно мало), Б. В. Курчатов говорил: «Занимался оборонной тематикой, проблемой „темновидения“ — созданием веществ для приборов ночного видения». В 1942 году ему и его товарищам удалось создать состав, чрезвычайно чувствительный к инфракрасному излучению. Состав фиксировал источник инфракрасных лучей мощностью порядка 1 ватта на расстоянии 300 метров. На его основе был предложен целый ряд оптических приборов, которые обеспечивали ориентацию наших бойцов в условиях ночных танковых атак, делали возможным распознавание вражеских объектов. А. Ф. Иоффе называл эти исследования «темновидением». Известно, что эта работа выдвигалась на соискание Сталинской премии, но Борис Васильевич получил только премию Академии наук — три тысячи рублей. Исключительно напряженная работа Б. В. Курчатова по выполнению оборонных заданий в 1941–1943 годах оказалась успешной и необходимой фронту. Он не раз премировался в ряду особо отличившихся ученых Казанской группы ЛФТИ.

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 -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 -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.

Опыты по выделению 94 велись на пяти отдельных порциях (от 0,5 до 2 килограммов урана). Схема переработки варьировалась. И вот из последней, пятой порции весом 2 килограмма урана 15 апреля 1944 года был выделен препарат (KLA(SO4)2– активностью 21 /m. Необходимо было убедиться еще раз в химической природе нового излучателя. Переменная валентность и аналогия с цериевой группой редких земель были подтверждены. Сделана оценка периода полураспада элемента 94–30 тысяч лет.