К маю 1930 года Кирилл Дмитриевич подготовил диссертацию на соискание степени доктора философии «Влияние магнитного поля на электропроводность монокристаллов кадмия». Правда, защищаться (и на степень кандидата, а не доктора) пришлось уже в Союзе. В 1930 году Синельников вернулся в Ленинград. Как оказалось, очень ненадолго. За два года до этого по предложению Иоффе в Харькове был открыт физико-технический институт, и в городе высадился мощный десант ленинградских питомцев Абрама Федоровича. Обреимов, первый директор УФТИ, настойчиво зазывал к себе и Кирилла Дмитриевича. Так в Харькове появился еще один гигант — Синельников.
В институте Кирилл Синельников возглавил отдел физики ядра, которым заведовал до 1942 года. В октябре 1932 года высоковольтная бригада, которой руководил Синельников, впервые в Союзе расщепила ядро лития искусственно ускоренными протонами [83]
. Успех харьковских ученых был широко разрекламирован, и хотя этот прославленный эксперимент представлял сомнительную научную ценность, он, безусловно, поспособствовал развитию ядерной физики в СССР, поскольку вызвал большой интерес молодежи, студентов-физиков к ядерным исследованиям, и интерес государства, и, как следствие, финансирование дальнейших работ.Для продолжения исследований потребовались новые мощные ускорители заряженных частиц, работу по развитию ускорительной техники в Харькове возглавляли Синельников и Вальтер. Для откачки мощнейшего электростатического генератора Ван де Граафа потребовались высоковакуумные насосы. Так Харьков становится и колыбелью вакуумной физики и техники СССР. И этой работой также руководит Кирилл Дмитриевич. Вакуумная техника очень пригодилась во время Великой Отечественной войны — с ее помощью наносилось антирефлексное покрытие на артиллерийскую оптику. В дальнейшем, уже в послевоенное время, вовсю развернулись исследования в направлении вакуумной металлургии, что было необходимо для разработки материалов реакторостроения.
Как и Ландау, Синельников большое внимание уделял преподаванию. Создание системы отечественного физического образования, воспитание кадров, которые могли бы решать сверхсовременные задачи, работать со сложнейшими приборами и установками, — было не менее важной задачей, чем, собственно, научные исследования. Поэтому в Харькове ведущие физики УФТИ и преподаватели вузов создают такую систему; возникают новые кафедры, факультеты, разрабатываются новые курсы, пишутся учебники. Начиная с 1930 года, Кирилл Дмитриевич совмещал научную работу в УФТИ с преподавательской сначала в Харьковском механико-машиностроительном институте, а с 1935 года его преподавательская деятельность была неразрывно связана с ХГУ. Уже на следующий год после начала работы в этом университете Кирилл Дмитриевич стал профессором. За тридцать лет работы здесь Синельников возглавлял кафедры электронных и ионных процессов, экспериментальной физики, ускорителей; он способствовал организации новых специализаций, на основе которых позже были созданы кафедры физической оптики и физики плазмы. Кирилл Дмитриевич считается одним из организаторов ядерного отделения на физико-математическом факультете ХГУ, ставшим в послевоенные годы кузницей кадров не только для физико-технического института, но и для многих ядерных центров СССР. И наконец, по его инициативе на базе ядерного отделения в ноябре 1962 года был открыт физико-технический факультет Харьковского государственного университета. Кирилл Дмитриевич широко привлекал к работе со студентами (в том числе чтению лекций) сотрудников ХФТИ. Совместная подготовка специалистов силами высших учебных заведений и научно-исследовательского института позже стала называться «физтеховской системой образования» и получила широкое распространение.
Кирилла Дмитриевича обошла стороной волна репрессий, уничтожившая, в частности, немало талантливых харьковских ученых. Удар, нанесенный харьковской науке, был столь силен, что дальнейшая судьба УФТИ казалась самой плачевной. Был расстрелян Шубников, посажен в «шарашку» Ланге, посажен и отпущен, но уже в Москве, Ландау.
Война разбросала и тех, кто остался. Переживший бомбардировку, оккупацию, несколько попыток советских войск освободить город, Харьков в 1943 году нуждался в огромных восстановительных работах. В этих условиях власти решили не возрождать деятельность бывшего крупнейшего научного центра Европы, а объединить его с Киевским институтом физики Академии наук УССР. Новый физический институт должен был располагаться в Киеве. Соответствующее решение было принято на высоком уровне.