Початок правозахисної діяльності
Будучи членом КПРС у 1956 році на одному з партійних зборів виступив із заявою, зміст якого зводився до того, що стояли тривалий час при владі в СРСР Сталін і Берія є вбивцями. Висловився за вжиття заходів до встановлення в країні справжньої демократії на основі соціалізму.
За ці висловлювання його виключили з партії, позбавили допуску до секретів. З інституту Орлов був звільнений. Настали складні часи, пережити які йому допомагала матеріальна допомога від друзів-фізиків. У цьому ж році, влітку, його спіткала сумна звістка – померла мама.
Переїзд до Вірменії
Серйозну допомогу Орлову надав директор Єреванського фізичного інституту А. Аліханян, запропонував переїхати Юрію Федоровичу в Єреван, продовжити свої дослідження в його навчальному закладі. Цю пропозицію він прийняв. Почав працювати завідувачем лабораторії. Саме у Вірменії фізик Орлов Юрій Федорович обґрунтував теорію поведінки пучків електронів в кільцевому прискорювачі, а також у складі групи дослідників брав участь у проектуванні прискорювача протонів.
У 1963 році захистив докторську дисертацію. У 1968 році став членом-кореспондентом АН АрмССР.
Однак його сімейні відносини розвивалися непросто, закінчилися розлученням в 1961 році. У цей же рік Орлов одружився з Іриною Лагунової. У шлюбі у них з’явився син – Лев.
Однак і цей шлюб не був довгим, I967 році вони розлучилися. До того часу Орлов Юрій Федорович був захоплений Іриною Валитовой, яка працювала в Музеї імені Пушкіна в Москві. Вони одружилися.
