Сталин и Берия вплоть до первого успешного испытания атомной бомбы постоянно опасались, что агенты не сумели раскрыть какой-то из важнейших атомных секретов американцев, и без него советская атомная программа провалится. Пытаясь развеять скептицизм Сталина, Курчатов принес в его кремлевский кабинет ядерный заряд первой советской атомной бомбы — никелированный плутониевый шар диаметром около десяти сантиметров.
«А как мы узнаем, что это плутоний, а не кусок полированной стали? — спросил Сталин. — Почему он блестит? Для чего это зеркальное покрытие?»
«Заряд никелирован в целях безопасности. Плутоний крайне токсичен, а покрытый никелем опасности не представляет, — ответил Курчатов. — А чтобы убедиться, что это не кусок стали, попросите кого-нибудь дотронуться до него. Он теплый, сталь же была бы холодной.»
Сталин сам потрогал шар: «Да, он теплый. Он всегда теплый?»
«Всегда, Иосиф Виссарионович. Внутри него постоянно идет альфа-распад. Он-то и нагревает шар. Но если начать в нем мощную цепную реакцию, произойдет взрыв огромной силы.»
По крайней мере частично убежденный Сталин разрешил испытания первой бомбы. Берия же до последней минуты опасался, что несмотря на достижения советских ученых и успехи разведчиков, какой-то внутренний секрет бомбы от них ускользнул. 25 сентября 1949 года, буквально за десять минут до взрыва бомбы на полигоне в Казахстане, Берия сказал Курчатову: «Ничего не выйдет!» А когда произошел взрыв, он обнял и расцеловал ученого. Но был ли это действительно ядерный взрыв? Берия позвонил советскому наблюдателю, который присутствовал во время американских испытаний на атолле Бикини и спросил, похоже ли грибовидное облако на то, что он видел там. Получив утвердительный ответ, Берия позвонил Сталину. Трубку снял личный секретарь Сталина Поскребышев и сказал, что Сталин уже лег. Берия настоял, чтобы Сталина разбудили. «Иосиф, все нормально! — сказал Берия. — Взрыв был, как у американцев!» «Я знаю,» — ответил Сталин и повесил трубку. Рассвирепевший от того, что кто-то опередил его, Берия набросился на окружающих: «Даже здесь вы мне палки в колеса ставите! Предатели! Я вас всех в порошок сотру!»
Почти в тот же момент, когда прогремел первый советский атомный взрыв, Мередит Гарднер расшифровал послание НКГБ 1944 года, в котором оказалась первая наводка на одного из важнейших советских атомных шпионов Клауса Фукса, занимавшего к тому времени пост заместителя научного сотрудника Харуэлла. В январе 1950 года Фукс сознался, и в апреле 1951 года был приговорен к четырнадцати годам лишения свободы. Свою работу на русских он описал в нескольких словах, которые дают полное представление о настроениях других советских агентов на Западе:
«Я воспользовался марксистской философией и разделил сознание на две части. В одной я позволял себе заводить друзей, иметь личные отношения…. Я чувствовал себя свободно и счастливо с другими людьми, не опасаясь раскрыться, потому что знал: если подойду к опасной черте, вторая часть моего сознания остановит меня…. В то время мне казалось, что я стал „свободным человеком“, потому что я научился с помощью второй части сознания полностью освобождать себя от влияния окружающего меня общества. Теперь, оглядываясь назад, я считаю, что самым правильным наименованием для этого состояния будет „контролируемая шизофрения“.
Во время ареста Фукса другой атомный агент, Бруно Понтекорво, также работал в Харуэлле. Проведенное службой безопасности расследование выявило, что у Понтекорво было несколько родственников коммунистов, но не дало никаких свидетельств его участия в шпионаже. Когда летом 1950 года в Соединенных Штатах начались аресты атомных шпионов, центр решил не рисковать и вывез Понтекорво вместе с семьей в Советский Союз по хорошо проверенному маршруту — через Финляндию. Понтекорво сделал блестящую карьеру в советской ядерной физике, получил два ордена Ленина и множество менее значительных наград. Он неизменно отрицал свое участие в атомном шпионаже.
Помимо того, что «Венона» привела к провалу Фукса, с ее помощью были получены первые наводки на американских атомных шпионов Джулиуса и Этель Розенберг, которых впоследствии арестовали. В дешифрованном в феврале 1950 года сообщении 1944 года говорилось об агенте, работавшем на вспомогательной должности в Лос-Аламосе. Позднее появились указания на то, что этим агентом был брат Этель Розенберг Дэвид Грингласс, который в июне 1950 года сознался и выдал Джулиуса Розенберга. На допросе Грингласс рассказал (об этом, правда, публично нигде не заявлялось), что Розенберг похвалялся ему, что руководит советской шпионской сетью, поставляющей не только секреты разработок в области атомной энергии, но и другие разведданные о научных и технических достижениях, в том числе о предварительных исследованиях в сфере космических спутников.