Od 1946 roku był głównym projektantem i opiekunem ośrodka Arzamas-16 przy Laboratorium nr 2 Akademii Nauk ZSRR. Na stanowisko to wysunął go sam Igor Kurczatow. Do pracy nad programem broni jądrowej pod kierownictwem Charitona zaangażowani byli najlepsi radzieccy fizycy. Ich praca w ścisłej tajemnicy zakończona została pierwszymi i udanymi radzieckimi próbami: jądrową (29 sierpnia 1949) i termojądrową (20 sierpnia 1953). W kolejnych latach pracował nad zmniejszeniem masy głowic jądrowych, zwiększeniem ich energii i niezawodności.
Odznaczenia i nagrody Został odznaczony m.in. trzykrotnie Medalem „Sierp i Młot” Bohatera Pracy Socjalistycznej (1949, 1951, 1954), pięciokrotnie Orderem Lenina oraz Orderem Czerwonego Sztandaru Pracy. Trzykrotny laureat Nagrody Stalinowskiej (1949, 1951, 1953) i Nagrody Leninowskiej (1956).
Upamiętnienie Jego nazwiskiem nazwano ulicę w mieście Sarow, wcześniej Arzamas-16. Jako hołd dla naukowca rokrocznie od 1 marca 2001 r. organizowana jest tam konferencja dla uczniów z całej Rosji, nazwana jego nazwiskiem. Popiersie Charitona znajduje się w Petersburgu przy Alei Bohaterów, zaś na ścianie domu, w którym mieszkał w Moskwie wisi tablica pamiątkowa.