Исследования в области ядерной физики в СССР велись уже с 1918 года. В 1937 году в Радиевом институте в Ленинграде был запущен первый в Европе циклотрон. 25 ноября 1938 года постановлением президиума Академии наук (АН) СССР была создана постоянно действующая комиссия по атомному ядру. В нее вошли Сергей Иванович  Вавилов, Абрам Иофе,   Абрам Алиханов, Игорь Курчатов и др. (в 1940 году к ним присоединились Виталий Хлопин и Исай Гуревич). К этому времени ядерные исследования проводились более чем в десяти научных институтах. В том же году при АН СССР была образована Комиссия по тяжелой воде, позднее преобразованная в Комиссию по изотопам.

В сентябре 1939 года началось строительство мощного циклотрона в Ленинграде, а в апреле 1940 года было решено построить опытную установку для производства примерно 15 кг тяжелой воды в год. Но из-за начавшейся войны эти планы не были реализованы. В мае 1940 года Н. Семенов, Я. Зельдович, Ю. Харитон (Институт химической физики) предложили теорию развития цепной ядерной реакции в уране. В этом же году были форсированы работы по поиску новых залежей урановых руд. В конце 30-х – начале 40-х годов многие физики уже представляли как в общих чертах должна выглядеть атомная бомба. Идея заключается в том, чтобы достаточно быстро сосредоточить в одном месте определенное (более критической массы) количество делящегося под действием нейтронов (с испусканием новых нейтронов) материала. После чего в нем начнется лавинообразное нарастание числа распадов атомов – цепная реакция с выделением огромного количества энергии – произойдет взрыв. Проблема состояла в получения достаточного количества делящегося вещества. Единственным таким веществом, встречающимся в природе в приемлемом количестве является изотоп урана с массовым числом (суммарное количество протонов и нейтронов в ядре) 235 (уран-235). В природном уране содержание этого изотопа не превышает 0,71% (99,28% уран-238) к тому же содержание природного урана в руде в лучшем случае составляет 1%. Выделение урана-235 из природного урана было достаточно сложной проблемой. Альтернативой урану, как скоро выяснилось, был плутоний-239. В природе он практически не встречается (его в 100 раз меньше чем урана-235). Получить его в приемлемой концентрации возможно в ядерных реакторах при облучении нейтронами урана-238. Постройка такого реактора представляла еще одну проблему.

Третьей проблемой было то каким образом возможно собрать в одном месте необходимую массу делящегося вещества. В процессе даже очень быстрого сближения подкритичных частей в них начинаются реакции деления. Выделяющаяся при этом энергия может не позволить большей части атомов «принять участие» в процессе деления, и они разлетятся, не успев прореагировать.

В 1940 году В. Шпинель и В. Маслов из Харьковского физико-технического института подали заявку на изобретение атомного боеприпаса на основе использования цепной реакции самопроизвольного деления закритической массы урана-235 которая образуется из нескольких докритических, разделенных непроницаемым для нейтронов взрывчатым веществом уничтожаемым путем подрыва (хотя «работоспособность» такого заряда вызывает большие сомнения, свидетельство на изобретение все же было получено но только в 1946 году). Американцы для своих первых бомб предполагали использовать так называемую пушечную схему. В ней реально использовался пушечный ствол с помощью которого одна подкритическая часть делящегося материала выстреливалась в другую (вскоре выяснилось что для плутония такая схема не подходит из-за недостаточной скорости сближения).

15 апреля 1941 года вышло постановление Совета Народных Комиссаров (СНК) о строительстве в Москве мощного циклотрона. Но после начала Великой Отечественной войны практически все работы в области ядерной физики были прекращены. Многие физики-ядерщики оказались на фронте или были переориентированы на другие, как тогда казалось, более насущные темы.

С 1939 года сбором информации по ядерной проблеме занимались как ГРУ РККА, так и 1-е управление НКВД. Первое сообщение о планах создания атомной бомбы поступило от Д. Кэрнкросса в октябре 1940 года. Этот вопрос обсуждался в Британском комитете по науке, где работал Кэрнкросс. Летом 1941 года проект «Тьюб эллойз» о создании атомной бомбы был утвержден. К началу войны Англия была одним из лидеров в ядерных исследованиях во многом благодаря немецким ученым бежавшим сюда с приходом к власти Гитлера одним из них был член КПГ К. Фукс. Осенью 1941 года он отправился в Советское посольство и сообщил что имеет важную информацию о новом мощном оружии. Для связи с ним был выделен С. Крамер и радистка «Соня» – Р. Кучинская. Первые радиограммы в Москву содержали сведения о газодиффузионном методе разделения изотопов урана и о заводе в Уэльсе, строящимся для этой цели. После шести передач связь с Фуксом прервалась. В конце 1943 года советский разведчик в США Семенов («Твен») сообщил что в Чикаго Э. Ферми осуществил первую цепную ядерную реакцию. Информация исходила от физика Понтекорво. В это же время по линии внешней разведки из Англии поступили закрытые научные труды западных ученых по атомной энергии за 1940-1942 годах. Они подтвердили, что в создании атомной бомбы достигнут большой прогресс. На разведку работала и жена известного скульптора Коненкова, которая сблизившись с крупнейшими физиками Оппенгеймером и Эйнштейном долгое время оказывала влияние на них. Другой резидент в США – Л. Зарубина нашла выход на Л. Сциларда и была вхожа в круг людей Оппенгеймера. С их помощью удалось внедрить надежных агентов в Ок-Ридж, Лос-Аламос и Чикагскую лабораторию – центры американских ядерных исследований. В 1944 году информацию по американской атомной бомбе советской разведке передавали: К. Фукс, Т. Холл, С. Саке, Б. Понтекорво, Д. Грингласс и супруги Розенберги.

В начале февраля 1944 года нарком НКВД Л. Берия провел расширенное заседание руководителей разведки НКВД. В ходе заседания было принято решение с целью координации сбора информации по атомной проблеме. поступающей по линии НКВД и ГРУ РККА. и ее обобщения создать отдел «С». 27 сентября 1945 года отдел был организован, руководство было возложено на комиссара ГБ П. Судоплатова. В январе 1945 года Фукс передал описание конструкции первой атомной бомбы. Среди прочего разведкой были получены материалы по электромагнитному разделению изотопов урана, данные об эксплуатации первых реакторов, спецификации по производству урановой и плутониевой бомбы, данные о конструкции системы фокусирующих взрывных линз и размерах критической массы урана и плутония, о плутонии-240, о времени и последовательности операций по производству и сборке бомбы, способе приведения в действие бомбового инициатора; о строительстве заводов по разделению изотопов, а также дневниковые записи о первом испытательном взрыве американской бомбы в июле 1945 года.

Информация, поступавшая по каналам разведки, облегчила и ускорила работу советских ученых. Западные специалисты считали, что атомная бомба в СССР может быть создана не ранее чем в 1954-1955 годах, но ее первое испытание произошло уже в августе 1949 года.

В апреле 1942 года наркома химической промышленности М. Первухина, по распоряжению Сталина, ознакомили с материалами о работе над атомной бомбой за рубежом. Первухин предложил подобрать группу специалистов для оценки сведений, изложенных в этом докладе. По рекомендации Иоффе в группу вошли молодые ученые Курчатов, Алиханов и И. Кикоин. 27 ноября 1942 года вышло постановление ГКО «О добыче урана». Постановление предусматривало создание специального института и начало работ по геологоразведке, добыче и переработке сырья. Начиная с 1943 года Наркомат цветной металлургии (НКЦМ) приступил к добыче на Табашарском руднике в Таджикистане и переработке урановой руды с планом 4 т. урановых солей в год. В начале 1943 года мобилизованные ранее ученные были отозваны с фронта.

Во исполнение постановления ГКО 11 февраля 1943 года была организована Лаборатории №2 АН СССР начальником которой стал Курчатов (в 1949 году она была переименована в Лабораторию измерительных приборов АН СССР – ЛИПАН, в 1956 году на ее основе был создан Институт атомной энергии, а в настоящее время это РНЦ «Курчатовский институт»), которая должна была координировать все работы по реализации атомного проекта.

В 1944 году советской разведкой был получен справочник по уран-графитовым реакторам который содержал очень ценные сведения по определению параметров реактора. Но урана необходимого для загрузки даже малого опытного ядерного реактора в стране тогда еще не было. 28 сентября 1944 года правительство обязало НКЦМ СССР сдавать уран и урановые соли в Государственный фонд и возложил задачу их хранения на Лабораторию № 2. В ноябре 1944 года большая группа советских специалистов, под руководством начальника 4-го спецотдела НКВД В. Кравченко, выехала в освобожденную Болгарию, для изучения результатов по геологоразведке Готенского месторождения. 8 декабря 1944 года вышло постановление ГКО о передаче добычи и переработки урановых руд из НКМЦ в ведение созданного в Главном управлении горно-металлургических предприятий (ГУ ГМП) НКВД 9-го Управления. В марте 1945 года начальником 2-го отдела (горно-металлургического) 9-го Управления НКВД был назначен генерал-майор С. Егоров, до этого занимавший должность зам. начальника Главного управления Дальстроя. В январе 1945 года в составе 9-го Управления на базе отдельных лабораторий Государственного института редких металлов (Гиредмет) и одного из оборонных заводов организуется НИИ-9 (ныне ВНИИНМ) для изучения урановых месторождений, решения задач переработки уранового сырья, получения металлического урана и плутония. К этому времени из Болгарии поступали примерно полторы тонны урановой руды в неделю.

С марта 1945 года после поступления по каналам НКГБ из США информации о схеме атомной бомбы на принципе имплозии (сжатие делящегося материала взрывом обычного ВВ) начались работы над новой схемой имевшей очевидные преимущества перед пушечной. В записке В. Маханева к Берии в апреле 1945 года о сроках создания атомной бомбы говорилось, что диффузионный завод при Лаборатории № 2 для получения урана-235 предполагается пустить в 1947 году. Его производительность должна была составить 25 кг урана в год чего должно было хватить на две бомбы (на самом деле для американской урановой бомбы потребовалось 65 кг урана-235).

В ходе боев за Берлин 5 мая 1945 года было обнаружено имущество Физического института Общества кайзера Вильгельма. 9 мая в Германию была направлена комиссия во главе с А. Завенягиным для поиска ученых, работавших там над Урановым проектом и приемки материалов по урановой проблеме. В Советский Союз вместе с семьями была вывезена большая группа немецких ученых. Среди них были Нобелевские лауреаты Г. Герц и Н. Риль, профессора Р. Деппель, М. Фольмер, Г. Позе, П. Тиссен, М. фон Ардене, Гайб (всего около двухсот специалистов из них 33 доктора наук).

Создание ядерного взрывного устройства с использованием плутония-239 требовало постройки промышленного ядерного реактора для его наработки. Даже для небольшого экспериментального реактора требовалось около 36 тонн металлического урана, 9 тонн двуокиси урана и около 500 тонн чистейшего графита. Если проблема графита была решена к августу 1943 года – удалось разработать и освоить специальный технологический процесс получения графита нужной чистоты, а в мае 1944 года его выпуск был налажен на Московском электродном заводе, то необходимого количества урана к концу 1945 года в стране не было. Первые технические условия на изготовление двуокиси урана и металлического урана для исследовательского реактора были выданы Курчатовым в ноябре 1944 года. Параллельно с созданием уран-графитовых реакторов велись работы над реакторами на основе урана и тяжелой воды. Возникает вопрос зачем нужно было так «распылять силы» и двигаться одновременно по нескольким направлениям? Обосновывая необходимость этого Курчатов в своем Докладе в 1947 году приводит такие цифры. Количество бомб, которые можно было получить из 1000 т. урановой руды разными методами равно 20 при использовании уран-графитового котла, 50 – при диффузионном методе, 70 – при электромагнитном, 40 – при использовании «тяжелой» воды. При этом котлы с «тяжелой» водой хотя и обладают рядом существенных недостатков, зато имеют то преимущество что позволяют использовать торий. Таким образом уран-графитовый котел хотя и давал возможность создать атомную бомбу в кратчайшие сроки, но имел наихудший результат в смысле полноты использования сырья. Учитывая опыт США, где из четырех изучавшихся методов разделения урана был выбран газодиффузионый, 21 декабря 1945 года правительством было принято решение о строительстве комбинатов № 813 (Ныне Уральский электро-механический завод городе Новоуральске) для получения высокообогащенного урана-235 методом газовой диффузии и №817 (Челябинск-40, ныне химический комбинат «Маяк» городе Озерске) для получения плутония.

Весной 1948 года истек двухгодичный срок, отпущенный Сталиным на создание советской атомной бомбы. Но к этому времени не то что бомбы, не было расщепляющихся материалов для её производства. Постановлением правительства от 8 февраля 1948 года был установлен новый срок изготовления бомбы РДС-1 – 1 марта 1949 года.

Первый промышленный реактор «А» на Комбинате № 817 был запущен 19 июня 1948 года (22 июня 1948 года вышел на проектную мощность и был выведен из эксплуатации только в 1987 году). Для выделения наработанного плутония из ядерного топлива в составе комбината № 817 был построен радиохимический завод (завод «Б»). Облученные урановые блоки растворяли и химическими методами отделяли плутоний от урана. Концентрированный раствор плутония подвергался дополнительной очистке от высокоактивных продуктов деления с целью снижения его радиационной активности при поступлении к металлургам. В апреле 1949 года на заводе «В» приступили к изготовлению деталей бомбы из плутония по технологии НИИ-9. В это же время был запущен первый исследовательский реактор на тяжелой воде. Освоение производства расщепляющихся материалов шло тяжело с многочисленными авариями при устранении последствий которых имели место случаи переоблучения персонала (тогда на такие мелочи внимания не обращали). К июлю комплект деталей плутониевого заряда был готов. Для проведения физических измерений на комбинат выехала группа физиков под руководством Флерова, а для обработки результатов этих измерений, расчета значений КПД и вероятности неполного взрыва – группа теоретиков под руководством Зельдовича.

5 августа 1949 года заряд плутония был принят комиссией во главе с Харитоном и отправлен литерным поездом в КБ-11. К этому времени здесь были практически закончены работы по созданию взрывного устройства. Здесь в ночь с 10 на 11 августа была проведена контрольная сборка ядерного заряда, получившего индекс 501 для атомной бомбы РДС-1. После этого устройство было демонтировано, детали осмотрены, упакованы и подготовлены к отправке на полигон. Таким образом, советская атомная бомба была сделана за 2 года 8 месяцев (в США на это ушло 2 года 7 месяцев).

Испытание первого советского ядерного заряда 501 было проведено 29 августа 1949 года на Семипалатинском полигоне (устройство находилось на вышке). Мощность взрыва составила 22 Кт. Конструкция заряда повторяла американского «Толстяка», хотя электронная начинка была советской разработки. Атомный заряд представлял собой многослойную конструкцию, в которой перевод плутония в критическое состояние осуществлялся путем сжатия сходящейся сферической детонационной волной. В центре заряда размещалось 5 кг плутония, в виде двух полых полусфер, окруженных массивной оболочкой из урана-238 (тампером). Эта оболочка служила для инерционного сдерживания раздувающегося в процессе цепной реакции ядра, чтобы как можно большая часть плутония успела прореагировать и, кроме того, служила отражателем и замедлителем нейтронов (нейтроны с низкими энергиями наиболее эффективно поглощаются ядрами плутония, вызывая их деление). Тампер был окружен оболочкой из алюминия которая обеспечивала равномерность сжатия ядерного заряда ударной волной. В полости плутониевого ядра устанавливался нейтронный инициатор (запал) – шарик диаметром порядка 2 см. из бериллия, покрытый тонким слоем полония-210. При сжатии ядерного заряда бомбы ядра полония и бериллия сближаются, и испускаемые радиоактивным полонием-210 альфа-частицы выбивают из бериллия нейтроны которые инициируют цепную ядерную реакцию деления плутония-239. Одним из наиболее сложных узлом был заряд ВВ состоявший из двух слоев. Внутренний слой представлял собой два полусферических основания из сплава тротила с гексогеном, внешний собирался из отдельных элементов имевших различную скорость детонации. Внешний слой, предназначенный для формирования в основании ВВ сферической сходящейся детонационной волны, получил название фокусирующей системы.

В целях безопасности установка узла содержащего делящийся материал осуществлялось непосредственно перед применением заряда. Для этого в сферическом заряде ВВ имелось сквозное коническое отверстие, которое закрывалось пробкой из ВВ, а в наружном и внутренних корпусах имелись отверстия закрывавшиеся крышками. Мощность взрыва была обусловлена расщеплением ядер примерно килограмм плутония, остальные 4 кг не успевали прореагировать и бесполезно распылялись. В ходе реализации программы создания РДС-1 возникло много новых идей по совершенствованию ядерных зарядов (повышения коэффициента использования делящегося материала, снижении габаритов и веса). Новые образцы зарядов стали мощнее, компактнее и «изящнее» по сравнению с первым.