1948年からイーゴリ・クルチャトフの下で原子爆弾開発に従事する。1949年8月29日、ソ連最初の核実験を成功させる(RDS-1。なお、この開発にはソ連の諜報活動によりアメリカから入手した技術が用いられ、核実験で生じた汚染により周辺住民への健康被害が起きた)。 次いで水爆開発に従事し、1953年8月12日に「ソ連初の水爆」の実験(RDS-6)を成功させた(実際にはこの時使われたのは原子爆弾の亜種であったとされるが、本当の意味でのソ連初の水爆となったRDS-37のプロジェクトにも携わっている)。この功績により、サハロフは32歳の若さでソ連科学アカデミーの正会員となる。 社会主義労働英雄の称号を3回も得、「ソ連水爆の父」と称されるが、核実験による放射能汚染を目の当たりにし、特に大気汚染を懸念し、核実験の中止をソ連共産党第一書記のニキータ・フルシチョフに進言する。 結果的に1963年の部分的核実
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