Разделение изотопов было также включено в план работ Лаборатории № 2, но за военные годы достижений было немного. Ответственным за эту часть проекта был назначен Исаак Кикоин. Он организовал исследования по различным методам разделения. Фриц Ланге продолжал свою работу над центрифугой, и в 1944 году они с Кикоиным изготовили в Лаборатории № 2 центрифугу пятиметровой длины. Однако она была слишком шумной в работе и развалилась при резонансной частоте вращения. Ланге переехал в Свердловск, а Кикоин сосредоточил свои усилия на методе газовой диффузии. В конце 1943 года Курчатов предложил Анатолию Александрову организовать исследования по термодиффузии. В 1944 году в лабораторию пришел Лев Арцимович, чтобы возглавить работу по электромагнитному разделению.
Лаборатория № 2 расширялась медленно. В распоряжение Курчатова предоставили сто московских прописок: для проживания в Москве требовалось специальное разрешение. Он также получил право демобилизовать людей из Красной армии. По мере разрастания лаборатории Курчатов присматривал для нее специальное место. Он нашел его в районе Покровское-Стрешнево, на северо-востоке города, вблизи Москвы-реки. Там уже начались работы по строительству нового здания Всесоюзного института экспериментальной медицины, и, поскольку площадка располагалась за городом, хватало места для последующего расширения лаборатории. Курчатов принял на свой баланс недостроенное здание, к нему были добавлены другие строения, и в апреле 1944 года Лаборатория № 2 переехала в новые помещения. На 25 апреля 1944 года в ее штате числилось 74 сотрудника, 25 из них были учеными мирового уровня.
Когда Курчатову предложили возглавить исследования по урановой проблеме, он сомневался, будет ли его авторитета достаточно для такой должности. Очередные выборы в Академию наук должны были происходить в сентябре 1943 года. Когда стало ясно, что на имевшуюся вакансию по отделению физических наук изберут Алиханова, Иоффе и Кафтанов обратились в правительство с просьбой предоставить дополнительную вакансию для Курчатова. Просьба была удовлетворена, и Курчатов стал академиком, минуя промежуточное звание члена-корреспондента. Избранию Курчатова воспротивились некоторые физики старшего поколения, такие как Френкель и Тамм, но решение правительства никто не решился оспорить.
Самой серьезной проблемой для Курчатова как руководителя конкретной темы было получение урана и графита для реактора. Весной 1943 года у него был только «пестрый набор небольших количеств разнородных, далеко не лучшей чистоты кустарных изделий в виде кусков урана и порошкового урана и его окислов» общей массой около двух тонн.
Первухин вызвал в Москву академика Хлопина, чтобы тот доложил об имеющихся государственных запасах, которые оказались весьма незначительными. Когда в ноябре 1940 года на заседании Урановой комиссии обсуждались результаты экспедиции в Среднюю Азию, то был сделан вывод, что к началу 1943 года можно будет извлекать ежегодно до 10 тонн урана. При таких темпах Игорю Курчатову понадобилось бы от пяти до десяти лет, чтобы получить уран в необходимом для его реактора количестве. После доклада Хлопина правительство дало задание Наркомату цветной металлургии как можно скорее получить 100 тонн чистого урана. В мае Курчатов попросил Институт редких и драгоценных металлов снабдить его разными соединениями урана и металлическим ураном, причем в каждом случае требовалась необычайно высокая химическая чистота. Однако первый слиток урана весом около килограмма был получен лишь в конце 1944 года.
В августе Игорь Курчатов просил Александра Ивановича Васина, помощника Первухина, помочь в получении графита. Вскоре 3,5 тонны графита были отгружены с Московского электродного завода. Графит, предназначавшийся для использования в качестве замедлителя, должен быть исключительно чистым. Испытания показали, что зольность и примеси бора в графите увеличивают сечение захвата нейтронов на порядки. Когда Курчатов стал настаивать на том, чтобы завод исключил примеси, ему сказали, что он требует невозможного. Пришлось решать проблему своими силами: с помощью физиков из Лаборатории № 2 завод разработал соответствующую технологию производства. В палатке во дворе лаборатории были проведены испытания по определению чистоты ряда партий графита. Только к началу осени 1945 года был получен графит требуемой чистоты.
Тогда советское правительство решило воспользоваться преимуществами военного союзника западных держав. Оно послало в Управление по ленд-лизу запрос на 10 килограммов металлического урана, 100 килограммов окиси урана и 100 килограммов нитрата урана. Генерал Лесли Гровс удовлетворил запрос из опасения, что отказ привлек бы внимание к американскому атомному проекту. Соединения урана были отправлены в Советский Союз в начале апреля 1943 года. Несмотря на предоставленную лицензию, закупочная комиссия не смогла найти на американском рынке 10 килограммов металлического урана и вынуждена была удовлетвориться килограммом загрязненного. Кроме того, в ноябре 1943 года СССР получил из Соединенных Штатов килограмм тяжелой воды, а затем, в феврале 1945 года, еще 100 граммов.
В 1943 году нескольким отделениям Академии наук было поручено провести поиски радиоактивных руд. Для координации разведывательных работ и составления рекомендаций создали постоянное консультативное бюро, в которое вошли академики Владимир Вернадский и Виталий Хлопин. В декабре было доложено о том, что залежи урана найдены в Киргизии. Однако прогресс шел медленно, так что в мае 1944 года Вернадский обратился к руководству Управления геологии с жалобой на невыполнение взятых обязательств по разведке урана. Реально же полевые экспедиции начали полномасштабную разведку в сентябре 1945 года, и центр внимания был перенесен на Ферганскую долину.
Игорь Курчатов был обескуражен темпами работы над проектом. 29 сентября 1944 года, спустя четыре дня после запуска циклотрона, он написал Лаврентию Берии, выразив свою озабоченность ходом дел:
В письме т. М. Г. Первухина и моем на Ваше имя мы сообщали о состоянии работ по проблеме урана и их колоссальном развитии за границей.
В течение последнего месяца я занимался предварительным изучением новых весьма обширных (3000 стр. текста) материалов, касающихся проблемы урана.
Это изучение еще раз показало, что вокруг этой проблемы за границей создана невиданная по масштабу в истории мировой науки концентрация научных и инженерно-технических сил, уже добившихся ценнейших результатов.
У нас же, несмотря на большой сдвиг в развитии работ по урану в 1943–1944 году, положение дел остается совершенно неудовлетворительным.
Особенно неблагополучно обстоит дело с сырьем и вопросами разделения. Работа Лаборатории № 2 недостаточно обеспечена материально-технической базой. Работы многих смежных организаций не получают нужного развития из-за отсутствия единого руководства и недооценки в этих организациях значения проблемы.
Зная Вашу исключительно большую занятость, я все же, ввиду исторического значения проблемы урана, решился побеспокоить Вас и просить Вас дать указания о такой организации работ, которая бы соответствовала возможностям и значению нашего Великого Государства в мировой культуре.