연구용원자로 구입은 미국 정부의 평화를 위한 원자력 계획에 의한 원자로 도입 지원 35만 달러 지원에 의해 촉발되었고, 한국 정부도 비슷한 액수의 예산을 지원하기로 결정했다. 1958년 문교부 기술교육국장 박철재를 비롯한 원자로 구매단이 미국에 파견되었다. General Atomic, American Machine & Foundry, Atomics International Aerojet 등 회사의 여러 연구용 원자로 가운데 General Atomic의 TRIGA Mark-II가 도입할 원자로로 선정되었다. 1958년 11월 대통령의 재가 이후, 동년 12월에 계약이 맺어졌다. 1959년 7월부터 원자로부품이 도착하기 시작해서, 동년 7월 14일에는 원자로 설치공사가 시작되었으며, 마침내 1962년 3월 19일에 TRIGA Mark-II가 처음으로 임계에 도달했다.

TRIGA Mark-II 연구용 원자로가 가동됨에 따라 원자로에서 방출되는 방사선과 원자로 내에서 생산되는 방사성동위원소를 이용해서 원자력연구소는 각종 기초연구와 응용연구에 더욱 박차를 가했다. 이에 관련된 초창기 연구개발은 물리학, 화학, 생물학, 원자로공학, 전자공학, 보건물리학, 의학 및 농학 등 기초과학부문으로서의원자력 연구, 방사선 및 방사성동위원소의 산업적 이용, 원자로 재료개발, 열 및 물질전달 연구, 자동제어에 관한 연구 및 원자로계측장치개발 등을 포함한 원자력기술개발, 핵물질의 건발 및 방사선장해 방어와 방사능조사 등이 있었다. 또한 1968년에는 원자력연구소 자체 연구진의 기술로 TRIGA Mark-II의 출력을 100kw로부터 250kw로 증강시키는 사업이 진행되어 1969년 6월말에 완성되었다.

1. 원자로 기술 연구
원자로의 핵심체인 노심의 핵 특성 및 열역학적 특성의 측정 및 결정 또한 제 특성과 원자로 시스템 전반에 걸쳐 이루어지는 안정성 분석 및 노심의 설계를 연구하였다. 이 분야는 크게 원자로 물리학 분야, 열전달 연구 분야로 나뉜다. 원자로 물리학 분야에서는 TRIGA Mark-II의 임계도달 이래 노의 출력 보정 및 임계질량 측정 등, 노심 전체적이고 노 운전의 기본이 되는 제원의 결정을 비롯하여 노심 내의 제 핵 특성의 측정검토를 통하여 국산연구용원자로 건립의 근간이 되는 노심설계의 이론적 실험적 배경을 마련할 수 있었다. 열전달 연구 분야에서는 1962년 원자로의 가동과 함께 열전달 실험시설을 갖추기 시작했으며, 1966년에는 신연구동에서 증기발생장치, 공기압축기, 온도측정기, 유량계, 압력계측계 등이 도입 비치되고, 소형 풍동과 수동이 갖춰져 진보된 연구를 가능케 하였다.

2. 노재료 및 핵연료 연구
노재료 분야에서는 1961년부터 지르코늄에 관한 연구를 시작으로 각종 재료를 이용한 일반적인 금속재료연구가 진행되었으며, 이후로 원자로의 구조재, 감속재, 차폐재 등의 구체적이고 세부적인 연구가 진행되었다. 핵연료의 성형가공 분야는 1968년부터 시작되었는데, 금속 우라늄의 약점을 개선하기 위한 우라늄 합금 연구와 UO₂의 성형소결에 관한 연구 등이 진행되었다. 핵연료의 원료처리에 관해서는
토륨에 관한 연구, 맥동추출장치 연구, 이온교환장치연구, 유동층 내의 고체혼합연구, 추출장치 연구 등이 진행되었다.

3. 원자로 제어 연구
원자로 제어 연구는 원자로부와 기초연구부 내에서 각각 독자적으로 이루어져 원자로 제어와 원자로 가동을 위한 기기의 설치, 보수 및 교정을 위한 연구, 그리고 방사선계측기기에 관한 기초 연구를 진행해왔다. 원자로제어에 관한 연구에서는 초기의 안전 경보 장치의 설치, 방사선 계측장치의 설치, 원자로의 모의 및 해석 이후, 방사선검출장치의 제작, 제어 특성분석기의 제작으로 정확하고 간편하게 제어계의 여러 요소를 분석하고 원자로 동작 상태를 정확하게 해석할 수 있게 되었다. 또한 원자계측기의 개발 연구 결과 원자계측기의 국산화가 이루어졌다.

원자력청,《원자력청 10년사》원자력청, 1969
한국원자력연구소,《한국원자력 20년사》한국원자력연구소, 1979