В течение всего 1940 года была проведена большая экспериментальная работа по апробации самых различных по сечению и длине труб, сделанных из различных коррозионно-стойких материалов. Одновременно всячески менялись режимы нагрева, однако несмотря ни на что эффективность установки была низкой: за пару недель в лучшем случае выход составлял 1 кг гексафторида урана с удвоенным содержанием изотопа U-235. После многих обсуждений и совещаний в начале 1941 года был вынесен вердикт: данный способ изотопного разделения следует считать малоэффективным. Основное внимание стали уделять разработке альтернативным, масс-спектрометрическим методам. Тогда-то еще один советский репатриант Александр Семенович Вайсберг и предложил впервые увиденный им в Харькове «молекулярный луч», пропускаемый через систему из вращающихся экранов с узкими щелями. Поскольку более легкие изотопы имеют в луче более высокую скорость, они будут сепарироваться в накопитель при определенной скорости вращения экранов. Но мнения о перспективности данного метода разделились, было принято компромиссное решение прорабатывать сразу несколько методов обогащения урана-235, включая следующие: масс-спектрометрический, термодиффузионный, молекулярного луча, ультрацентрифугирования, жидкостный и диффузионный.

Например, Хоутерманс склонялся к увиденному им в УФТИ методу диффузии гексафторида урана сквозь пористые стенки, через которые лучше диффундируют наиболее легкие изотопы урана, именно этот метод впоследствии и получил развитие в США и Англии. Но основное внимание уделялось изотопному обогащению урана с использованием различных конструкций ультрацентрифуг. Здесь тоже возникли определенные трудности, связанные с устойчивостью ротора при очень высокой скорости вращения, достигающей сотни тысяч оборотов в минуту.

В конце 1941 года произошла утечка секретной информации, и в руки британской разведки попал отчет ведущих ядерщиков Германии, составленный для Главного имперского управления вооружений:

«Перед нами стоят две проблемы:

1. Производство тяжелой воды.

2. Разделение изотопов».

Первая более актуальна, так как, судя по имеющимся данным, при наличии тяжелой воды реактор будет работать и без обогащения изотопов урана. Кроме того, изготавливать тяжелую воду все же проще и дешевле, чем обогащать изотопы U-235.

Между тем в 1941 году профессор Вейцзеккер неожиданно подал патентную заявку на устройство ядерного боезапаса на основе нового трансуранового элемента № 94, позднее названного плутонием, который можно получить из урана-238. Когда об этом узнал Хоутерманс, он стал оспаривать приоритет коллеги, доказывая, что еще год назад докладывал на заседании Уранового клуба, где присутствовал Вейцзеккер, о подобной разработке харьковских физиков, в которой принимал самое непосредственное участие. Хоутерманс тут же подал от себя встречную патентную заявку, где рассматривал возможность использования плутония в качестве взрывчатого вещества. Последующий анализ вариантов устройства плутониевых бомб Вейцзеккера и Хоутерманса показал, что они детально совпадают с атомной бомбой харьковских физиков.

В августе 1941 года Хоутерманс написал статью «К вопросу о начале цепной реакции деления ядер», где первым из немецких ученых подробно описал цепную реакцию под действием быстрых нейтронов, а также рассчитал критическую массу урана-235, то есть наименьшую массу, при которой может протекать самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция. Его оценки в несколько десятков килограммов полностью повторяли результат харьковских физиков, но в первую очередь Хоутерманса интересовал плутоний, использование которого делало ненужным разделение изотопов урана. Сам плутоний можно было выделять с помощью достаточно простых химических методов, и Хоутерманс предложил использовать его в качестве делящегося материала вместо урана-235. Необходимо было только запустить реактор на медленных нейтронах для наработки плутония из урана-238.

После серии очень трудных экспериментов летом 1941 года Лейпцигская группа «Уранового проекта», которой непосредственно руководил Гейзенберг, а его заместителем был Вейцзеккер, наконец добилась положительного результата, наладив процесс размножения нейтронов. Урановый котел в данном случае представлял алюминиевый шар диаметром несколько менее метра с 164 л тяжелой воды и 142 кг оксида урана. Два слоя оксида разделяла тонкая алюминиевая сфера, а источник нейтронов находился в центре котла, погруженного в водный резервуар.

Именно с этим первым работающим котлом немецкого «Уранового проекта» и связаны изначальные сомнения в правдивости официальной историографии нацистских ядерных исследований. Дело в том, что выполненные в пятидесятых годах XX века модельные опыты американских физиков однозначно показали, что в данном варианте размножение нейтронов никак не может быть зафиксировано приборами. И только когда экспериментаторы поменяли тяжелую воду на сверхчистый графит, они получили искомый положительный коэффициент размножения нейтронов для самоподдерживавшейся цепной реакции.

Когда научные журналисты ознакомили Гейзенберга с подобным, на первый взгляд очень странным результатом, он только недоуменно пожал плечами. Не стал он комментировать и свою давнюю фразу: «Именно в сентябре 1941 года мы поняли, что атомную бомбу создать можно». После разгрома немецких войск под Москвой в декабре 1941 года стала полностью очевидной несостоятельность стратегии «блицкрига», и германская промышленность начала перестраиваться в перспективе долгой и тяжелой войны согласно гитлеровскому тезису: «Интересы всей немецкой экономики следует подчинить нуждам военной промышленности». В официальной военной историографии считается, что именно в конце 1942 года стал развиваться прогрессирующий крах «Уранового проекта», поскольку командование Вермахта решило резко урезать финансирование всех научно-исследовательских работ, не обещавших быстрой отдачи, сосредоточив все средства на дальнейшем развитии тяжелого вооружения, ракетной техники и авиации, включая реактивную. В ходе соответствующих структурных изменений руководящая роль в Урановом клубе перешла к Имперскому научно-исследовательскому совету, возглавляемому министром образования Бернгардом Рустом, взявшим курс на сворачивание проекта.

Между тем в конце февраля 1942 года в берлинском Институте физики имени кайзера Вильгельма состоялась крупнейшая за все время существования «Уранового проекта» научно-практическая конференция. На этом очень представительном собрании членов Уранового клуба» присутствовали рейхсмаршал Геринг, фельдмаршал Кейтель, министр вооружения и боеприпасов Шпеер и даже шеф гестапо Гиммлер с руководителем партийной канцелярии Борманом. На конференции выступили с докладами практически все ведущие ядерщики, подводя итоги своих исследований и обрисовывая дальнейшие перспективы. В итоговой резолюции отмечалось:

Развитие экспериментальных работ определяется сегодня темпами обеспечения материалами. При наличии необходимого количества металлического урана и эффективного замедлителя будет сделана попытка создать первый самоподдерживающийся урановый котел – как чисто исследовательскую установку.

После войны Гейзенберг вспоминал, что весной 1942 года, после того как руководство Рейха убедилось в реальности выполнения основных частей «Уранового проекта», в распоряжении Уранового клуба впервые оказались крупнейшие фонды Германии. В лейпцигской лаборатории Гейзенберга стал готовиться новый, крупнейший опыт с порошкообразным металлическим ураном. В начале февраля 1942 года металлургическая фирма Degussa передала Гейзенбергу около 600 кг уранового порошка. В решающем опыте использовался сферический урановый котел с 750 кг урана и 140 л тяжелой воды, погруженный в водный резервуар с центральным источником нейтронов. Реактор заработал в холостом режиме, выводя на 13 % больше нейтронов, чем излучал их источник.