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.