В январе 1942-го его отозвали с фронта и выдали предписание следовать в Казань, куда был эвакуирован Институт химической физики. А в 1946-м состоялась защита
докторской, на которой присутствовал руководитель Лаборатории № 2 Игорь Курчатов, а оппонентами были 3 академика – Лев Ландау, Сергей Христианович, Борис Стечкин.
Сразу после защиты президент Академии наук СССР Сергей Вавилов предложил Щёлкину должность замдиректора Института физических проблем, созданного Петром
Капицей. Но тот отказался, сославшись на стремление заниматься научной, а не административной работой.
Присутствовавший при этом Борис Ванников нашёл поле для его научных поисков – в Сарове. Щёлкин стал первым замом главного конструктора и заместителем научного руководителя. О его вкладе «в бомбы» говорят 3 звезды Героя Социалистического Труда. Столько их было всего у 4 человек в команде отцов-основателей атомной отрасли (кроме него, у Курчатова, Ванникова, Харитона и Зельдовича).
В 1955-м на Урале решено было построить новый ядерный центр, и Щёлкин его
возглавил. Правда, когда на заседании Совета Министров Никита Хрущёв сообщил, что для этих целей отдадут цех Челябинского тракторного завода, а сотрудникам выделят квартиры в городе, будущий научный руководитель тут же воспротивился: предприятие по производству атомных и водородных бомб не может находиться в городе. А когда Хрущёв отмахнулся от его аргументов, заявил, что в случае принятия такого решения просит освободить его от предложенной должности. Генсек вскипел, но уступил. Так появились НИИ-1011 и «атомный город» Снежинск.
Уже в 1957 году были испытаны первые термоядерные заряды разработки нового центра. Его термоядерный заряд стал первым, принятым на вооружение Советской Армии. Для Царь-бомбы здесь сделали корпус, систему задействования и уникальную парашютную
систему. Она, кстати, потом использовалась в советской космической программе – для возвращения космонавтов на Землю.
В 1960 году Щёлкин вынужден был уйти на пенсию по состоянию здоровья, но научную работу продолжал – проводил исследования по горению, публиковал статьи в журналах. В 1963 году вышла монография «Газодинамика горения» – совместная с Яковом Трошиным, в 1965-м – книга «Физика микромира».
В ноябре 1968 года его не стало. Похоронен на Новодевичьем кладбище в Москве.
Курчатов, Ванников, Щелкин.