В 1950 году принято решение о строительстве завода Д-4. Уже в октябре 1953 года он был пущен в эксплуатацию. Это был отдельный диффузионный каскад, выдававший уран-235 90%-ного обогащения. На заключительной фазе отбора конечного продукта здесь были установлены новые диффузионные однокомпрессорные машины ОК-19 и Т-44. О мощности Д-4 говорит такой факт, он потреблял электричества почти в полтора раза больше, чем все остальные производства и службы комбината вместе взятые.
В июне 1954 года был введен в эксплуатацию завод среднего обогащения СУ-3, затем объединенный с заводом Д-4 в единый цех №45.
А вершиной промышленной технологии газодиффузионного разделения изотопов урана стал завод Д-5. Он был укомплектован принципиально новыми машинами, в которых двигатель компрессора вынесен за пределы рабочей зоны агрегата. Специальное уплотнение на вращающемся валу не только обеспечивало вакуум внутри агрегата, но позволяло вдвое увеличить рабочее давление. Разработанные непосредственно на комбинате разделительные фильтры, число которых в каждой машине тоже было увеличено, значительно повысили производительность разделения. Для сравнения можно отметить, что производительность новых машин Т-51 была в 75 раз выше, чем у машин ОК-9, установленных на заводе Д-1. При этом они в 3, 5 раза меньше потребляли электричества. Вот почему в день пуска завода Д-5 было остановлено оборудование на Д-1 и начался его демонтаж. Несмотря на это, выпуск обогащенного урана в 1957 году увеличился по сравнению с 1950 годом в 100 раз!
Однако энергозатраты оставались огромными. Специально для электропитания завода Д-5 была постоена Верхне-Тагильская ГРЭС мощностью 600 Мвт. А в общей сложности комбинат потреблял 3% всей производенной в 1958 году в Советском Союзе электроэнергии.
Возможности дальнейшего совершенствования газодиффузионной техники были исчерпаны. Модернизация и улучшение могли достигаться только за счет отдельных узлов и деталей. Наибольший эффект давало улучшение разделительных свойств фильтра. На комбинате имелась научно-лабораторная база, где разрабатывались фильтры и мощности по их производству.
Дважды газодиффузионное оборудование подвергалось модернизации - в конце 50-х и 60-х годов. В результате общая производительность увеличилась в 2 раза, а энергозатраты сократились почти на 40%. По мере старения газодиффузионные машины выводились из работы. В 1966-67 годах были демонтированы заводы Д-3, Д-4 и СУ-3. На их площадях разместился Уральский автомоторный завод. А в 1972 году настал черед и Д-5. Газодиффузионный способ разделения изотопов урана был полностью заменен другим центрифужным.
Основоположником центрифужного метода разделения изотопов в советском Союзе можно считать немецкого эмигранта физика Ф. Ланге. В Харьковском физико-техническом институте он начал эксперименты по разделению газовых смесей на центрифуге ещё в 1935 году. Теоретические основы разделения газов с разным молекулярным весом в центробежном поле разработал в 1937 году Ю. Б. Харитон. Первая центрифуга была изготовлена на Уфимском авиазаводе в 1942 году. На следующий год Ф. Ланге привез её в Свердловск, где в лаборатории И. К. Кикоина продолжил свои эксперименты. Но существенных результатов достигнуть не удалось, и было принято решение о разработке газодиффузионного метода как наиболее перспективного. Тем не менее, в 1945 году при ПГУ была организована Лаборатория №4, руководителем которой назначили Ф. Ланге. Но в дальнейшем работы посчитали бесперспективными и лабораторию ликвидировали. Ф. Ланге в 1959 году выехал в ГДР, где возглавил Институт молекулярной физики. Другие немецкие ученые и инженеры: М. Штеенбек, Г. Циппе и Р. Шеффель занимались разработкой разделительной центрифуги в Сухумском физико-техническом институте. Их конструкция оказалась непригодна для промышленного использования, зато в ней содержалось важное решение - "стакан" центрифуги, он же ротор электродвигателя, опирался тонкой стальной иглой на победитовый подпятник-демпфер, а верхний конец ротора располагался в полости цилиндрического постоянного магнита. Эта оригинальная техническая идея избавляла центрифугу от подшипников, передающих валов и многих других дополнительных систем, что значительно удешевляло процесс разделения изотопов. Единственной проблемой была передача газа из одной центрифуги в другую, чтобы можно было объединять их в каскады.
Эту проблему решил И. К. Кикоин, предложивший опустить во вращающийся "стакан" центрифуги трубки, выходившие на разные уровни. В средине центрифуги из трубки поступал гексафторид урана, в нижней части через другую трубку откачивалась тяжелая фракция урана-238, а вверху отбиралась более легкая с повышенным содержанием урана-235.
Технологией центрифужного разделения изотопов и конструированием центрифуг занимались многие научные и проектные центры, в том числе ЛИПАН, ОКБ Кировского завода, ОКБ ГАЗ. В 1954 году на Уральском электрохимическом комбинате была организована исследовательско-экспериментальная лаборатория по данной тематике. В ней исследовались газодинамические процессы, разрабатывались методики исследования центрифуг, проектировались и изготавливались необходимые испытательные приборы.
Когда был остановлен и демонтирован первый газодиффузионный завод Д-1, на освободившихся площадях решено было построить опытный центрифужный завод (ОЦЗ). Так же, как в прежнее время диффузионный Д-1, опытный завод должен был послужить полигоном для новых разделительных технологий и оборудования. На опытном заводе установили 2432 центрифуги в блоках по 80 соединенных ступеней, Каждый блок снабжался собственной системой аварийной защиты. Пуск ОЦЗ осуществили в начале ноября 1957 года, а на расчетный режим он вышел 15 января 1958 года. Это было первое в мире предприятие, где в массовом порядке эксплуатировались газовые центрифуги.
Руководители атомной промышленности настороженно относились к неопробованной методике, и новое производство в случае удачи могло побудить их к переводу разделительных производств на принципиально новые технологические схемы, более экономичные и производительные.
В процессе опытной эксплуатации выяснилось, что потребление электроэнергии на единицу продукции у центрифуги в 17 раз меньше, чем у газодиффузионной машины последнего поколения. Этот и ряд других факторов были приняты во внимание на Научно-техническом совете Министерства среднего машиностроения под председательством И. В. Курчатова 5 мая 1958 года. Тогда было принято решение о переходе на центрифужный метод разделения изотопов урана.
Внедрение новой техники принесло и новые проблемы. Произошли целые серии разрушений центрифуг. Так неожиданно проявилась ползучесть материала ротора, когда металл при постоянных центробежных нагрузках начинает деформироваться, а затем разрушаться. Заводские ученые провели огромное количество экспериментов, исследований и испытаний, разработали теоретические основы для расчетов новых моделей центрифуг. На комбинате было создано специальное устройство - корректор, предохраняющее центрифугу от разрушения в случае потери устойчивости ротора. Эта система победила в конкурсе подобных конструкций и была внедрена на центрифужные машины четвертого поколения. В это же время была опробована схема многоярусного расположения центрифуг. Это позволяло на одних и тех же площадях размещать в два-три раза больше центрифуг.
В процессе эксплуатации опытного завода по заранее разработанным программам на действующем оборудовании искусственно моделировались аварийные происшествия, различные нарушения режима работы и нештатные ситуации. Это позволило выявить скрытые изъяны новой техники, усовершенствовать её, разработать эксплуатационные методики, подготовить инструкции на все случаи, обучить персонал. Началось постепенное внедрение газовых центрифуг в действующие схемы очистки. На газодиффузионном производстве на заключительных участках технологической цепочки взамен устаревших диффузионных машин стали монтировать блоки центрифуг. Здесь производился отбор конечного продукта с высокой концентрацией урана-235.