Знаменитый физик – отец квантовой механики Нильс Бор – высказал предположение, что медленные нейтроны делят только редкий (0,7 %) изотоп уран-235, а основной изотоп (99,3 %) уран-238 делится только при действии быстрых нейтронов, захватывая при этом без деления медленные нейтроны и особенно сильно – нейтроны промежуточной энергии. В работах 1939–1941 гг., опубликованных в «Журнале экспериментальной и теоретической физики» и в обзоре, напечатанном в журнале «Успехи физических наук», Харитон (вместе с Зельдовичем) с позиций цепной теории анализирует условия осуществления ядерной реакции. Оказывается, что природный уран – ни редкий, ни основной, ни в виде металла, ни в виде окиси – не поддерживает цепной реакции.
В следующей работе тех же авторов анализировались условия реакции в смесях природного урана с замедлителями и прежде всего с водой. Но ответ оказался снова отрицательным.
Тогда был поставлен вопрос о необходимости найти другие замедлители, которые не захватывали бы нейтроны. Таким замедлителем мог бы стать гелий, но применить этот газ технически трудно. В настоящее время хорошо известно, что подходящими замедлителями стали тяжелая вода и сверхчистый графит (углерод). В обзоре Харитона и Зельдовича эти вещества упоминались предположительно потому, что не были известны с необходимой точностью их свойства. Для успешного осуществления цепной реакции с помощью графита понадобилась дополнительная идея применения урана в виде цилиндров (блоков). Идея эта была выдвинута в США итальянским физиком Энрико Ферми, а в СССР независимо (работы в тот период были секретными, как в США, так и в СССР) – советскими физиками И.И. Гуревичем и И.Я. Померанчуком.
Другой путь к осуществлению ядерной цепной реакции состоит в разделении изотопов, т. е. в получении либо чистого урана-236, либо урана, обогащенного изотопом урана-235, с содержанием в несколько процентов вместо 0,7 процента в природном уране.
Надо сказать, что за несколько лет до возникновения урановой проблемы Харитон рассмотрел вопрос о разделении воздуха на кислород и азот с помощью ультра центрифуги за счет использования разности их молекулярного веса. Тогда же он подсчитал энергетические затраты и необходимый размер оборудования. По довоенным масштабам размеры завода казались чрезвычайно большими.