В Физико-техническом институте Иоффе открытие деления атомного ядра также привело всех в волнение. Первая советская работа по делению ядра была сделана Яковом Френкелем. Он рассказал об этом на семинаре Курчатова, и вскоре его статья «Электрокапиллярная теория расщепления тяжелых ядер медленными нейтронами» была опубликована в «Журнале экспериментальной и теоретической физики».

Лаборатория Игоря Курчатова приступила к поискам ответа на вопрос, высвобождаются ли свободные нейтроны в процессе деления ядра и если высвобождаются, то в каком количестве. Мы помним, что это был ключевой вопрос, поскольку самоподдерживающаяся цепная реакция возможна только при высвобождении более чем одного нейтрона. Георгий Николаевич Флёров и Лев Ильич Русинов пришли к выводу, что на одно деление приходится от одного до трех таких нейтронов. Первое сообщение об этом они сделали 10 апреля 1939 года. К этому времени, однако, Фредерик Жолио-Кюри и два его сотрудника, Ханс фон Халбан и Лев Коварский, уже опубликовали статью, в которой утверждали, что в процессе деления испускаются вторичные нейтроны, а 22 апреля сообщили, что среднее число этих нейтронов на одно деление составляет три с половиной.

Как только эти эксперименты были завершены, Игорь Курчатов решил проверить гипотезу Нильса Бора, согласно которой медленные нейтроны вызывают деление только редкого изотопа урана-235. Проведя серию экспериментов, Флёров и Русинов подтвердили, что Бор прав, о чем доложили на семинаре 16 июня 1939 года.

К сожалению, результаты опытов, которые ставили советские физики, попадали в западную печать с большой задержкой, и получалось так, что приоритет доставался другим. Работы, выполненные в 1939 году лабораторией Курчатова, не были опубликованы вплоть до 1940 года, а к тому времени они утратили передовое значение.

Самая важная теоретическая работа, выполненная на тот период в СССР, принадлежала ленинградским исследователям Якову Борисовичу Зельдовичу и Юлию Борисовичу Харитону. Летом 1939 года в автобусе по пути в институт Зельдович узнал от коллеги о статье, в которой французский физик Франсис Перрен пытался определить величину критической массы урана, необходимой для возникновения в ней цепной реакции. Идея заинтересовала Зельдовича, и он рассказал Харитону о расчетах, выполненных Перреном. Вместе они проштудировали статью француза, но его анализ не показался им убедительным, и они решили, что сами исследуют проблему.

Поначалу Зельдович и Харитон работали над новой темой по вечерам, но вскоре поняли, что задача настолько велика, что ее решению они должны посвятить все свое время. Они стали посещать семинар Курчатова, на котором вскоре ознакомились с новейшими исследованиями в области ядерной физики.

В октябре 1939 года они направили в «Журнал экспериментальной и теоретической физики» две свои работы. В первой из них рассматривалась возможность развития цепной реакции в уране-238 под воздействием быстрых нейтронов. Зельдович и Харитон теоретически определили условия, при которых цепная реакция может запуститься, и сделали заключение, основанное на имеющихся экспериментальных данных, что требуемые условия не могут осуществиться в уране-238, будь то окись урана или чистый металлический уран.

Во второй статье Зельдович и Харитон исследовали возможность цепной реакции на медленных нейтронах. Опыты, проведенные Энрико Ферми совместно с Лео Силардом и Гербертом Андерсоном в Нью-Йорке, а также Фредериком Жолио-Кюри и его группой в Париже, показали, что на возможность цепной реакции в природном уране существенным образом влияет резонансное поглощение нейтронов в уране-238 до того, как они замедлятся и смогут вызвать деление урана-235. Напомню, что Ферми с сотрудниками провели свои опыты с ураном, помещенным в бак с водой, и пришли к выводу, что «даже при оптимальной концентрации водорода остается крайне неопределенным, превзойдет ли выход нейтронов их полное резонансное поглощение». Иными словами, все еще не было ясно, сможет ли вода замедлить нейтроны так, чтобы избежать резонансного захвата и тем самым сделать возможной цепную реакцию.

Зельдович и Харитон по-другому интерпретировали результаты, полученные группами Ферми и Жолио-Кюри, и, основываясь на своей собственной теории, трактующей условия, необходимые для возникновения цепной реакции, сделали вывод о том, что она не будет возможной в системе уран – вода. Зельдович и Харитон писали о том, что для осуществления цепной реакции «необходимо для замедления нейтронов применять тяжелый водород, или, быть может, тяжелую воду, или какое-нибудь другое вещество, обеспечивающее достаточно малое сечение захвата. <…> Другая возможность заключается в обогащении урана изотопом-235». Если содержание урана-235 в природном уране будет повышено с 0,7 до 1,3 %, то, по их расчетам, в качестве замедлителя могли бы быть использованы простая вода или водород. Как мы помним, в этом и состоит ключевое открытие, определяющее путь к высвобождению атомной энергии.

На 4-й Всесоюзной конференции по физике ядра, состоявшейся в ноябре 1939 года в Харькове, Юлий Харитон доложил о работе, выполненной совместно с Яковом Зельдовичем:

Из этих расчетов, которые на первый взгляд приводят к пессимистическим выводам, видно, однако, по какому пути можно идти для осуществления цепной реакции. Достаточно повысить в уране концентрацию изотопа-235, чтобы реакция оказалась возможной. Если, с другой стороны, в качестве замедлителя вместо водорода использовать дейтерий, то поглощения в замедлителе практически не будет, и реакция, очевидно, также будет осуществима. Оба пути кажутся сейчас довольно фантастическими, если вспомнить, что для осуществления реакции необходимы тонны урана. Однако принципиально возможность использования внутриядерной энергии открыта.

Игорь Тамм, комментируя работу Зельдовича и Харитона, заявил: «Знаете ли вы, что означает это новое открытие? Оно означает, что может быть создана бомба, которая разрушит город в радиусе, возможно, десяти километров». Однако большинство советских ученых скептически относились к возможности использования атомной энергии. Абрам Иоффе в докладе, сделанном в Академии наук в декабре 1939 года, отметил, что если основываться на выводах, изложенных в статьях Зельдовича и Харитона, то представляется маловероятным использование результатов ядерной физики в практических целях. Пётр Капица в начале 1940 года по этому же поводу заметил, что для осуществления ядерных реакций потребуется больше энергии, чем они могут отдать. Было бы весьма удивительным, сказал он, если бы атомная энергетика стала реальностью.

Тем не менее исследования условий осуществления цепной реакции деления продолжались и после харьковской конференции. Чтобы убедиться в этом, достаточно взглянуть на план, который составил для своей лаборатории Игорь Курчатов:

В последнее время было открыто явление развала некоторых тяжелых ядер при захвате нейтронов. Эта реакция является новым типом ядерных превращений и представляет большой научный и, возможно, практический интерес.

В 1940 г. предполагается изучить взаимодействие нейтронов с ядрами урана и тория. Будет исследовано, происходит ли испускание вторичных нейтронов при захвате ядрами урана и тория быстрых нейтронов.

Курчатов поручил проведение одного из запланированных экспериментов Георгию Николаевичу Флёрову и Константину Антоновичу Петржаку, молодому исследователю из Радиевого института. Задача опыта состояла в наблюдении за тем, как меняется величина потока нейтронов из урановой сферы, если внутрь поместить источники нейтронов с различными спектрами энергий. Флёров и Петржак построили очень чувствительную ионизационную камеру для регистрации актов деления. Когда в начале 1940 года они приступили к опытам, то, к своему большому удивлению, обнаружили, что ионизационная камера продолжает срабатывать (то есть регистрировать деление ядра) и в том случае, когда они убрали источник нейтронов. Вскоре они пришли к заключению, что открыли спонтанное деление, происходящее без бомбардировки нейтронами. Теоретически такой процесс был предсказан Нильсом Бором и Яковом Френкелем, но теперь он получил экспериментальное подтверждение.