С конца 40-х институт вплотную занялся проблемой материалов для ядерных реакторов. Началось изучение механических, теплофизических, структурных свойств урана, бериллия, графита; исследования смачиваемости различных материалов жидкими металлами (возможными теплоносителями); разработка различных типов оболочек твэлов — из различных материалов, с различными покрытиями, с разными способами герметизации; отработка вакуумных технологий получения и обработки реакторных материалов, получения жаропрочных, жаростойких, коррозиеустойчивых покрытий на них и т. д. Всю координацию этой деятельности осуществлял лично Синельников. По субботам в директорском кабинете, примыкавшем тогда непосредственно к его квартире (одно из крыльев сохранившегося высоковольтного корпуса было отдано под квартиры сотрудников), собирались начальники и ведущие сотрудники лабораторий, которым были поручены эти разработки. КД (так называли за глаза шефа его подчиненные) стремительно вбегал в кабинет, здоровался с присутствующими, и начиналось глубокое всестороннее обсуждение хода работ, научных результатов, трудностей, связанных с инженерным и материальным обеспечением. Тогда-то и была создана специальная лаборатория, вскоре развернувшаяся в отдел вакуумной металлургии, а потом и в отделение физического материаловедения, включающее в себя отделы реакторных материалов, сверхчистых металлов, вакуумных покрытий, радиационного материаловедения.
В 1956 году Синельников принимается за создание и развитие еще одного научного направления — физики плазмы и управляемого термоядерного синтеза. Управляемый термоядерный синтез до сих пор остается одной из важнейших проблем физики. Реакции слияния, синтеза легких ядер с образованием ядер более тяжелых приводят к выделению энергии. Реакции проходят при очень высокой температуре, отсюда их название «термоядерные». «Горючее» находится в состоянии плазмы, ионизированного газа изотопов водорода (дейтерия, трития). Такая реакция в 1953 году была осуществлена в СССР в виде сверхмощного взрыва термоядерной («водородной») бомбы. Дальнейшая разработка проблемы сулила обеспечение человечества энергией на практически неограниченное время. Таким образом, физика плазмы сразу была увязана с термоядерными проблемами. Посодействовал такому акценту в работе харьковских физиков под руководством Синельникова опять же Курчатов.
В соответствии со стратегической целью физики плазмы — созданием управляемых термоядерных реакторов развернулись широкие исследования по изучению необычных свойств вещества в плазменном состоянии, своеобразной физике «сверхвысоких температур». Разрабатывались различные способы создания и нагрева плазмы до температуры в десятки миллионов градусов, изучалось взаимодействие плазмы с электрическими и магнитными полями, создавались методы измерения параметров плазмы.
Синельников развернул массовое обучение ученых, которые должны были быстро освоить все то, что было накоплено мировой наукой по данной проблематике. КД лично отбирал сотрудников для новой работы. Были это в большинстве своем молодые выпускники специального ядерного отделения физмата Харьковского госуниверситета, уже проявившие себя в работе, в частности на ускорителях. Во ФТИ под руководством Синельникова началась интенсивная учеба. Учиться приходилось в основном по статьям в иностранных журналах, в силу необходимости совершенствуя знания английского языка. Еженедельно проводились семинары во всех пяти лабораториях отдела, ежегодно — итоговые конференции. Конференции Кирилл Дмитриевич проводил всегда сам. Он поражал своей увлеченностью, что, видимо, и давало ему силы вести заседания. Никогда не отличавшийся крепким здоровьем, Синельников умудрялся быть активнее, чем его молодые коллеги. Часто вскакивал со своего места, отбирал у докладчика мел, излагал на доске свои соображения.
В это же время шла подготовка физиков-плазмистов в Харьковском госуниверситете. Курс лекций, которые Синельников читал с 1957 года, вскоре был издан как учебник (совместно с Б. Н. Руткевичем). Впоследствии Кирилл Дмитриевич основал в ХГУ первую в стране кафедру физики плазмы. (Она официально была открыта в 1962 году.)