Опыт эксплуатации Ф-1 позволил приступить к строительству на Урале промышленного «котла» А-1 («Аннушка») мощностью 100 тысяч киловатт («Строительство № 859»). Место, в пятнадцати километрах к востоку от города Кыштыма и в восьмидесяти километрах к северо-западу от Челябинска, было выбрано Авраамием Завенягиным в самом конце 1945 года. Он хорошо знал этот район, поскольку, став депутатом в декабре 1937 года, представлял Кыштымский округ в Верховном Совете. Новый комбинат был назван Челябинск-40 в соответствии с практикой давать секретным заводам название близлежащего города и номер почтового ящика. Он должен был стать советским эквивалентом американского комплекса в Хэнфорде.

Челябинск-40 (впоследствии получивший название Озёрск) был возведен на необычайно красивой территории среди озер, гор и лесов. Место имело также и практические преимущества: поблизости были озера Иртяш и Кызылтяш, содержащие огромные запасы воды, которая необходима для охлаждения реактора; в районе была отличная по тем временам линия электропередачи; район прилегал к железной дороге и шоссе, был близок к индустриальным центрам Урала, которые могли обеспечить комбинат материалами; он располагался внутри страны и был менее уязвим для нападения вражеской авиации. В первые месяцы 1946 году там были проложены новые подъездные дороги и подготовлена площадка для строительства; рытье котлованов под фундаменты началось летом. Завенягин поставил во главе строительства генерал-майора Якова Давидовича Рапопорта, который в 1930-е годы был одним из ответственных за строительство Беломорско-Балтийского канала. Та стройка вошла в историю трагической страницей из-за неоправданной гибели свыше десяти тысяч заключенных, работавших на ней. Челябинск-40 также строился заключенными, причем одновременно работало не менее 70 тысяч человек.

Осенью 1946 года был заложен фундамент для главного здания реактора, и к концу 1947 года оно было готово. К этому времени физики получили достаточное количество материалов для И-1. Курчатов и Ванников приехали в Челябинск-40 в начале 1948 года для наблюдения за сборкой реактора. Сборка реактора началась в начале марта. Перед этим Курчатов произнес прочувствованную речь:

Здесь, дорогие мои друзья, наша сила, наша мирная жизнь на долгие-долгие годы. Мы с вами закладываем промышленность не на год, не на два <…> на века. «Здесь будет город заложен назло надменному соседу». Надменных соседей еще хватает, к сожалению. Вот им назло и будет заложен! Со временем в нашем с вами городе будет все – детские сады, прекрасные магазины, свой театр, свой, если хотите, симфонический оркестр! А лет так через тридцать дети ваши, рожденные здесь, возьмут в свои руки все то, что мы сделали. И наши успехи померкнут перед их успехами. Наш размах померкнет перед их размахом. И если за это время над головами людей не взорвется ни одна урановая бомба, мы с вами можем быть счастливы! И город наш тогда станет памятником миру. Разве не стоит для этого жить?..

К концу мая сборка реактора была в основном завершена, а первый запуск состоялся 18 июня 1948 года. В июле реактор начал работать согласно плану производства плутония, но возникли неожиданные проблемы. Началась сильная коррозия алюминиевой оболочки топливных стержней. Еще более серьезной проблемой стало разбухание топливных стержней и возникновение складок и выступов на поверхности урана – стержни застревали в охлаждающих трубах. Представители Берии заподозрили саботаж, но Курчатов заявил, что вполне можно ожидать сюрпризов в поведении материалов в сильных нейтронных полях. Реактор нужно было заглушить, уран вынуть и исследовать, а образовавшийся плутоний извлечь. В проекте реактора сделали изменения, и все проблемы были решены.

Вторым элементом атомного проекта в Челябинске-40 был «объект Б» – радиохимический завод, где плутоний выделялся из урана, облученного в реакторе.