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1955年，面對日益嚴峻的國際形勢，我國在美蘇兩國的留學生和科學家們懷抱著報國理想紛紛回國，其中包括美國康奈爾大學教授，著名物理學家鐘培林。王懷民和何吟薇夫婦、黃凱華等理論物理學博士作為留學生中的學術領軍人物，也從蘇聯回國，投入國家科技建設中來。特務們在北京前門火車站設伏，計劃炸死回國的科學家們，被來京療養的軍人陶志綱及時發現，保護了大批留學生們，意外卻導致何吟薇難產死亡，留下孩子托付給幫她接生的護士楊佳蓉 王懷民不舍妻子離世，他決定加倍努力，帶著妻子的理想參與祖國建設。孩子振理也就由楊佳蓉照顧。 1958年，二機部九所成立。鐘培林、王懷民、黃凱華還有哈工大的年輕教授、炸藥學家、空氣動力學家彭雄飛等科學家們來到九所陶志綱也被調入九所，給科學家們做保障工作。科學家們知道自己將參與硏發新中國第一枚原子彈，情緒高漲。鐘培林的女兒鐘心也回國加入了九所，彭雄飛對鐘心心生愛慕，但鐘心卻對不冷不熱的王懷民青眼有加。只有陶志綱這個大老粗對鐘心這個“資產階級小姐”處處看不順眼。 蘇聯派來專家團隊為九所提供幫助，但關於原子彈的相關資料卻吝於透漏，甚至連答應好的模型也無法兌現。眼看著硏發的進展緩慢，王懷民為首的科學家們悄悄成立了自主研發小組。蘇聯專家將原子彈試爆地點選定在敦煌，在那裡隻能試爆極小當量的原子彈，根本無法滿足中國的需求。面對蘇聯專家對中國核武器事業的有意壓制，中蘇科學家之間的關係惡化。 1959年6月。蘇聯單方面撕毀與中國的原子彈合作協議，專家團撤走並燒毀了所有無法帶走的資料。情況的突變讓九所的一些同志們開始動搖，但不久就傳來國家決定自主研發原子彈的消息，這讓科學家們深受鼓舞。自力更生之路是艱難的，第一個難題就是確定理論設計方案。王懷民主張的“內爆式”方案新穎卻充滿未知，黃凱華主張的“槍法式”方案有其他國家的成功先例在前獲得了包括彭雄飛在內的更多科學家的支持。鐘培林便讓兩個小組同時展開研究，公平競爭。結果彭雄飛在關鍵時刻“反水”，轉而支持王懷民的方案，使王懷民的方案被最終敲定。雖然自已的方案沒有被采用，但黃凱華仍然坦然接受，而與書店美女店員江水寧的邂逅，也讓他陷入對美好愛情的向往。爆轟實驗成功後，九所同志們開始整體向青海221基地搬遷。 正是三年自然災害最嚴酷的時刻，科學家們克服重重困難堅持研究，期間有人離去，也有同志犧牲。楊佳蓉早已加入這一神聖的隊伍，為了研究基地水質問題，給科學家們提供可以飲用的水源而病倒。王懷民悉心照料，兩人互生情愫。 研究工作的困難在高層引發了爭論，有人建議停止研發核武器把資源留下來建設國計民生，中央派方明將軍帶調查團抵達221廠進行可行性調查。基地的所有科學家們全部被調動起來，大家從各個方面努力，向將軍證明可以把原子彈搞出來。可是這些自發的證明大都適得其反，再加上調查團中一向看王懷民們不順眼的丁向軍從中作梗，情況更是變得亂七八糟。但同志們的努力都被將軍看在眼裡，終於，原子彈的研發可以繼續下去。楊佳蓉因有一個在臺灣的叔叔而被調查，為不牽連愛人有意疏遠了王懷民，這令王懷民感到費解。而鐘心與陶志綱這對歡喜冤家，卻發展出了不一樣的情意。
