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.