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抗美援朝战争爆发后，美国政府公开对中国进行核威胁。新中国的最高层清醒地意识到：要打破美国的核威胁，就必须拥有自己的核武器。为此，毛泽东与苏联领导人赫鲁晓夫举行会谈，希望得到苏联的帮助。赫鲁晓夫表示：愿意帮助中国和平利用原子能。不久，我国广西发现了铀矿石，钱学森等一批身在海外的科学家，冲破阻力回到祖国。
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某军政委苏贵山听说自己要被调到导弹研究院当副政委，称自己是大老粗，没跟科学家打过交道，要打退堂鼓。聂荣臻告诉他，选中你的原因，就是因为看中了他的为人真诚，而真诚恰恰是跟知识分子打交道的诀窍。苏贵山回家后马上召开家庭会议，连夜辞退了自己身边的服务人员，带着妻子孩子到导弹研究院为研制导弹的科学家服务。他特地为钱学森搞到一辆崭新的高级轿车，没想到却挨了聂荣臻一顿批。
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任新民、梁守槃等科学家请苏联专家施尼亚金讲解导弹，却被随同的苏联军官制止了。任新民用自制仪器对导弹进行通电测试，施尼亚金见状大怒，摔坏仪器。事后施尼亚金心中不忍，让苏贵山带着自己前去看望中国科学家。炮兵司令员陈士榘和孙继先陪苏联专家前往内蒙为导弹试验基地选址。说起高炮够不着敌人的飞机，陈士榘一肚子窝囊。
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苏联专家认为需要15年才能完成的工程，中央只给了基地司令员孙继先3年时间，战士刘春光不理解为什么，孙继先告诉他：这是一件关系国家命运的大事。张蕴钰进行核试验基地选址时，发现苏联专家在地图上圈出的地方距离敦煌只有60公里，立刻否定，建议中央重新选址。邓稼先和一批年轻的科技人员投入到原子弹库房的建设和原子弹的理论学习与研究之中。
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1958年卫星开始上马。科学家赵九章因为对一些科技人员的盲目冒进提出不同意见，受了一肚子委屈。聂荣臻十分策略地解决了大家的认识问题。赵九章一行前往苏联考察后，写出一份报告。邓小平做了批示：卫星暂时不放，与国力不相称。于是轰轰烈烈的卫星计划回到起点上，开始重打基础。
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北京某军营内，“老兵”李福泽正在接受训练，孙继先前往视察，询问李福泽的训练成绩。苏联教官表示，这个兵的成绩很高，但还没有完成科目。孙继先说，对不起，这个人我得带走了。战友们帮李福泽收拾行李时才发现，他竟然是一名少将。随后，李福泽前往酒泉导弹基地，面对几百座战士的前坟，孙继先对他说：“你我将来都得在这儿呆着，死在外面也得回来陪着这些先走的。”
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苏联专家离开之前，技术员张洁向列捷耶夫询问原子弹的结构，对方告诉她：“原子弹就像一个苹果。”这样的回答让张洁非常意外，然而对方却说：“以后你就会明白我的话。”1960年2月19日，第一枚由中国人自己设计制造的液体探空火箭发射成功。可正准备发射一枚从苏联购买的导弹时，苏方却提出不准使用中国生产的燃料，尽管它是完全合格的。孙继先、李福泽气得当着苏联专家拍了桌子。
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1960年10月23日，装载着三枚国产地地导弹的专列从北京出发，200多名科学家和科技人员随同前往，参加导弹发射试验。张爱萍等亲临现场，正在医院打点滴的聂荣臻顾不得病情，也前往酒泉发射基地。为了守护导弹基地中200多公里铁路线，一千多名官兵被确定就地转业。看着战士们割舍不下穿了多年的军装，工兵团团长含泪率先摘下自己的领章帽徽。
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核武器研究院内，邓稼先、胡思得等人正在分析数据，可窗外的空场上却放上了电影。看着大家对文娱生活的渴望，邓稼先想出了分六拨人轮流看电影的主意，结果一个不长的电影却成了他们的连续剧。北京的长城脚下，王淦昌、陈能宽等在进行爆轰试验。一场大雨淹了帐篷，大家顾不上生活用品被水冲走，急着去抢救试验资料。为了解决爆轰物理试验中遇到的困难，钱学森向钱三强推荐了工程力学专家郭永怀。
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邓稼先看着几个月没能见面的女儿，心中一股说不出的滋味。为了大家，他不得不拿走了女人的生日礼物一盒饼干。1961年，北京738厂研制出每秒1000次的计算机，这是我国当时最先进的计算机。生产出的第二台给了核武器研究院，而用它计算出的结果证明：苏联专家说的那个数据，竟然是错误的。
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1961年冬，导弹试验基地和核武器试验基地发生了严重的痢疾传染，黄连素等药物供应不上，刚过16岁的蒋全被夺走生命，李福泽含泪把他送进了烈士陵园。张爱萍闻讯紧急调拨来两车皮大蒜，以蒜代药，及时制止了病情的扩散。正在北京住院的聂荣臻，听说有人因为饥饿而被迫离开了基地，心急如焚。他向周恩来汇报情况后，以个人名义向各部队募捐。
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聂荣臻和刘西尧起草了《导弹原子弹应坚持攻关的报告》，称：只要继续攻关，可以在三五年内研制成功原子弹。之后，刘西尧和张爱萍为此开始下去调研。张爱萍表示：“中央正式决策之前，我不能瞎说。但有一句话我要说：中国人就是再穷，也要有一根打狗棍！”美国不仅正加紧对我国的空中侦察、拍照，而且举行了针对我国的代号为高跟行动的核演习。
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东风二号导弹发射在即，人们情绪高涨。张爱萍来到发射现场，身在北京的聂荣臻和躺在病床上的钱学森都在等待着成功的消息。然而，这枚导弹发射后只飞行了69秒，就坠毁在离发射台680米的戈壁滩上。自行设计导弹迈出的第一步，就像小孩子初学走路一样，狠狠跌了一大跤。这对刚刚起步的中国导弹事业，无疑是一次重创。
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在兰州铀浓缩厂，王承书正在为几千台机器设备的联机安装进行设计计算，一个新的问题出现了：没人懂得制造铀分离膜的技术。钱三强为此成立了攻关任务领导小组，重任交给了物理冶金学家吴自良。张洁和丁健飞跟随王淦昌、陈能宽进行爆轰试验，张爱萍前往视察慰问。张洁说出了自己的最大心愿：去中南海见毛主席。
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总参谋长罗瑞卿起草了一份报告，建议成立“中央十五人专门委员会”。毛泽东亲笔批示：“很好，照办，要大力协同做好这件工作”。专委会很快成立起来，周恩来亲自挂帅。两弹攻关进入关键时刻，全国各方面的科技力量被组织起来，贯彻全国一盘棋的大协作精神。邓小平表示：“你们要大胆地去干，我们书记处会支持你们的。干好了是你们的，干坏了是我们书记处的。”
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丁健飞离开了爆轰试验试验场，很长一段时间，张洁没了对方的音讯。原来，丁健飞是跟随程开甲前往罗布泊，为原子弹确定试验场。他曾几次给张洁写信，却始终没有发出去。兰州铀浓缩厂的5000多台扩散机，也在王承书的指导下完成了安装调试。厂长王介福立下军令状：1964年1月底前拿出合格的浓缩铀。
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张爱萍亲临动员现场，豪情满怀地鼓舞大家：“天苍苍，野茫茫，到处青山埋忠骨。戈壁滩上能成就惊天动地的大事业！”李觉终于带领核武器研究院的科研人员开进了青海金银滩。在罗布泊，淡水是一种奢侈品。为了把不多的淡水用在工程建设上，丁健飞忍着干渴在工作。张洁不忍，便带着几个女兵去偷水，结果被张蕴钰抓个正着。
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原公浦等五名优秀技术工人被集中在酒泉原子能联合企业，然而核材料在浇铸时却出现了气泡，谁也没料到，一个小小的气泡竟然会成了拦路虎。核试验基地组建了一支由7名军人组成的小分队，到场区最荒僻的地带搜索巡逻，副连长何仕武代表全体小分队成员交给张志善一份决心书后，7个人便进入了杳无人烟的浩瀚沙漠。
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由于水质原因，来基地参加试验的数千人在拉肚子。张爱萍立即下令，紧急从外地调来一车皮大蒜为大家治病。十级大风中，四名同志在爆心铁塔上已经饿着肚子连续工作了一天一夜。张蕴钰、张志善派人冒着危险上塔去送馒头。与此同时，那支7人小分队也在同暴风搏斗着，几乎半年的时间，他们徒步巡逻了8000里，每人磨烂了7双鞋，面对着高温、干渴、风沙、蚊虫叮咬、死亡的威胁，经历过说不尽的艰辛。
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张爱萍等在听取了气象专家的意见后，确定原子弹的爆炸时间为1964年10月16日。这时，朱光亚提出了铀球装入原子弹后的临界安全问题。刘杰立刻去找周光召，要他计算论证。此时离“零时”仅剩下40多个小时。张爱萍等在听取了气象专家的意见后，确定原子弹的爆炸时间为1964年10月16日。
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对第一颗原子弹的爆炸成功，毛泽东感慨地说：“历史将证明，这件事我们做对了！”为加强氢弹理论的攻关力量，二机部决定将中科院原子能研究所的黄祖洽、于敏等31人调到核武器研究院，将两支队伍汇聚一起，迅速投入氢弹的研制。但起步十分艰难，他们所掌握的关于氢弹的资料，仅仅是一条与氢弹有关的信息，他们就是在这种条件下开始了氢弹的理论攻关。
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在聂荣臻的支持下，东二甲终于发射成功。自从东风二号甲发射成功后，在随后一个月内，又先后发射了7发导弹，为即将到来的两弹结合试验奠定了基础。卫星工程上马之后，1965年10月，中科院召开了总体方案论证会，确定这颗卫星为科学探索性质的试验卫星，其任务概括为：上得去，跟得上，看得见，听得到。为了听得到，赵九章把卫星发出什么信号的任务交给了懂音乐的刘承熙。
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导弹试验基地的方平、秦小阳夫妇，为了两弹结合试验，不得不把几岁的孩子方涛一个人留在家里，用一根绳子把孩子拴在桌子腿上。邓小平到酒泉看望导弹基地指战员。邓小平得知大家为没有看清自己的脸而遗憾时，便风趣地决定：“那就再来一次，满足同志们的愿望。”我国第一颗卫星被定名为东方红一号，有人建议卫星上天后就播放《东方红》乐曲，副院长张劲夫和赵九章都很赞成。
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周恩来来到方平家中，让方平和秦小阳十分意外。周恩来叮嘱他们：既要干好工作，也要照顾好孩子。他见方涛喜欢枪，便答应从北京给孩子买一支玩具枪，之后和他们一家合影留念。没能等到两弹结合试验，丁健飞牺牲了。工人师傅连夜赶做一具棺材，张洁含着泪和同志们一起把他埋葬在马兰烈士陵园。为了信守爱的誓言，张洁从此终生未嫁。
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罗布泊弹着区突然刮起大风。聂荣臻听取了气象专家的意见后，果断决定：发射程序不变。随后，他又来到离发射台只有100多米的地下控制室，看望那里的高震亚等七位勇士。这七个人都是写好了遗书、主动留下来的。所有人员各就各位后，李福泽却呆在控制室不走，他要陪七勇士一起发射。最后，七勇士硬是推着他离开。
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1966年12月11日中央专委召开会议，原则同意关于氢弹原理试验各项准备工作的安排，同意在12月底或1月初进行氢弹原理试验。张洁谢绝了聂荣臻将她调回内地的好意，坚持在戈壁滩上陪伴她的爱人丁健飞。为了氢弹试验，她和马国惠等人100多米高的铁塔上、近70度的温差环境中昼夜作业，并得了严重的关节病。到了晚年，她无法站立，终日坐在轮椅上。
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氢弹装配在接近尾声时：安装弹簧垫片时竟然发现少了一个。就在张蕴钰下令拆除弹体寻找垫片时，郭永怀提出了一个人们意想不到的办法。新的问题又冒了出来：徐克江机组在投弹时，试验失败。郭永怀等人找到失败的原因后，1967年6月12日召开中央专委会议，决定进行全当量氢弹试验。周恩来尤其关心试验的安全问题，于是委派聂荣臻再次前往罗布泊，这是聂荣臻在八个月的时间里第三次去核试验基地。
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受到运动冲击的聂荣臻与钱学森一席倾心长谈，他希望受到特殊保护的钱学森发挥特殊作用，坚持“两弹一星”事业，钱学森慨然允诺。两人百感交集，含泪拥抱。中央决定组建中国空间技术研究院，钱学森推荐年仅38岁的孙家栋负责卫星的总体设计工作，孙家栋果敢地承担起这一使命。为了建立卫星测控系统，陈芳允前往渭南山区。他和他的同事们，着手制定返回式卫星测控和回收方案的前期工作。
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由于敌对国进行核威胁，有人建议国家领导人在国庆时不要在天安门亮相。毛泽东却淡淡一笑：“原子弹很厉害，但鄙人不怕。”10月1日，毛泽东登上天安门城楼检阅游行队伍。远在戈壁滩深处的导弹试验基地也举行了热烈的庆祝活动。不久，长征一号火箭进行发射，但发射后却失去了它的踪迹。任新民带着秦小阳等终于寻找到残骸可当秦小阳回家后，儿子方涛发生了意外。
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