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소련 최초의 원자폭탄과 세계 최초의 실용 열핵폭탄, 소련에서의 최초의 원자력 발전소 개발을 이끌었다. 심피로폴의 크리미아대학교를 졸업한(1923) 후 상트페테르부르크의 과학 아카데미 물리기술연구소의 연구원이 되었다(1927). 처음에는 강유전성에 관련된 연구를 했으나 1933년경 핵물리학에 몰두했다.

물리기술연구소의 핵물리실험실 실장으로서 그는 최초의 소련 사이클로트론 건설을 감독했다. 1939년 그와 그의 동료들은 핵연쇄반응에 대한 연구결과를 발표했고 1940년에는 1939년 독일의 O. 한과 F. 슈트라스만에 의해 보고된 우라늄의 자발적인 핵분열에 대해 발표했다. 제2차 세계대전 동안 쿠르차토프의 핵연구는 자기 기회로부터 선박을 보호하는 방법과 관련된 방어연구를 하기 위해 중단되었다.

그는 소련 최초의 사이클로트론(1944) 건설을 감독했고 전후에는 유럽 최초의 원자로(1946) 건설을 지도했다. 그의 연구 팀은 1949년 소련 최초의 원자폭탄을 만들었는데, 이는 미국이 원자폭탄을 개발한 지 4년 후였다. 1953년 이 연구 팀은 미국 최초의 열핵폭탄보다 6개월 앞서 열핵(수소융합)폭탄을 폭발시켰다.

그의 지도 아래 원자력을 비군사적으로 연구·개발하여 응용한 것에는 원자력발전소(그중 최초의 것이 1954년에 작동되기 시작함) 외에도 원자력 쇄빙선 레닌호가 있다. '궁극적 전력원'인 핵융합 에너지에 대한 연구도 지휘했다. 1956년 공식적으로 러시아 과학 아카데미 원자력 연구소의 소장이 되었다. 러시아 과학 아카데미는 핵물리학 분야에서 탁월한 업적을 이루어낸 사람들을 위해 쿠르차토프 메달을 만들었다. 소련 과학자들은 원자번호 104인 방사성 원소를 쿠르차토븀(kurchatovium)으로 명명할 것을 제안했는데, 미국의 물리학자들은 러더퍼듐(rutherfordium)으로 불렀고 어느 쪽도 다른 쪽의 결과를 확증할 수 없어 그 이름과 발견의 우선권은 아직까지도 논쟁거리로 남아 있다.