毛、刘、周果断决定按早试的方案进行。
9月23日，周恩来召集贺龙、陈毅、张爱萍、刘杰等传达了他与毛泽东、刘少奇研究的决定，对首次核试验的有关工作作了周密的部署：为防备敌人万一进行破坏，由总参谋部、空军研究，作出严密的防空部署；由刘杰负责组织关键技术资料、仪器设备的安全转移；由陈毅组织外交部做好对国外工作的准备；张爱萍、刘西尧赴试验现场组织指挥，刘杰在北京主持由二机部、国防科委组成的联合办公室，负责北京与试验现场的联络。《当代中国的国防科技事业》（上），第68页。
对首次核试验的保密工作，周恩来提出了严格的要求。在张爱萍、刘西尧赴试验现场之前，周恩来把他们找去，嘱咐他们，这次试验要绝对保密，除了同试验直接有关的人员外，一律不能让其他人员知道，包括你们的妻子、儿女。周恩来接着说：“邓颖超同志是我的爱人，党的中央委员，这件事同她的工作没有关系，我也没有必要跟她说”。9月27日，张爱萍、刘西尧回核试验基地，张爱萍把周恩来的话向全体参试人员原原本本地作了传达，使大家受到深刻教育。第一颗原子弹爆炸成功，张爱萍等从试验基地返回北京，邓颖超欢迎他们时激动地说：“我真为你们取得的成功高兴。你们做这么大的事，我一点也不知道。听了广播，惊喜异常啊！”张爱萍：《追随麾下四十年》，《我们的周总理》第102页。周恩来以身作则，律己律人，使我国很好地保住了核试验的机密。
10月8日晚，王淦昌、郭永怀、彭桓武、邓稼先等专家乘专机来到试验场区。10月9日，试验党委根据气象预报，建议试验时间在10月15日至20日之间选定，并派专人于10日晨乘专机去北京，向周恩来呈送试验准备工作情况及试验时间的建议报告。10月11日凌晨1时半，周恩来审阅了报告后致信毛泽东等，“现一切已准备好了，拟经保密有线电话以暗语告他，同意来信所说的一切布置”《党的文献》1994年第3期。。信写毕，周恩来立即派秘书将信和报告专送毛泽东、刘少奇、林彪、邓小平、彭真、贺龙、聂荣臻、罗瑞卿分别阅批同意。随后，周恩来致信刘杰：“望告张、刘，同意他们来信所说的一切布置，从十月十五至二十日之间，由他们根据现场气象情况决定起爆日期和时间，在决定后告我们。”《当代中国的国防科技事业》（上），第238页。刘杰当即把周恩来的上述批示传达给张爱萍、刘西尧。
10月11日，周恩来主持会议研究了爆炸原子弹的宣传工作和有关国际问题，提出了相应的措施和办法。10月14日，周恩来就关于爆炸原子弹的宣传和政治斗争工作问题致信毛泽东等，并将中华人民共和国政府声明、新闻公报、致各国政府首脑电报等文稿送毛泽东、刘少奇等审阅批准，周密细致地完成了有关宣传报道的准备工作。另一方面，周恩来通过在北京的联合办公室与在核试验现场的试验委员会保持联系，及时掌握试验准备工作的进展情况。10月14日晚，张爱萍报告，对气象情况作了分析后确定10月16日正式试验。周恩来批示同意。10月15日，张爱萍报告，确定16日15时为零时。周恩来在电话上问刘杰：“试验可能会发生什么结果？”刘杰说：“有三种可能，第一是干脆利索，第二是拖泥带水，第三是完全失败。”最后刘杰满怀信心地说：“第一种可能性最大。”周恩来叮嘱道：“要做好以防万一的准备工作。”刘杰：《我国原子能事业的决策者和组织者》，《不尽的思念》第322页。随后，周恩来批准16日15时为零时。
10月16日14时30分，张爱萍用保密电话向周恩来作了简要汇报，周恩来批准按时起爆。15时04分，张爱萍向周恩来电话报告：“原子弹已按时爆炸，蘑菇云已经升起，根据爆炸景象判断是核爆炸，试验成功了。”周恩来鼓励说：“国家为你们骄傲，人民感谢你们，请代表党中央、毛主席祝贺并慰问大家，并要求迅速查明试验结果。”17时30分，张爱萍向周恩来报告，确认实现了核爆炸，初步估算爆炸威力为两万吨以上梯恩梯当量。晚上，毛泽东、刘少奇、周恩来等中央领导人在人民大会堂接见音乐舞蹈史诗《东方红》3000多名演职人员。周恩来挥动着双臂向大家宣布：报告大家一个好消息，我们的第一颗原子弹爆炸成功了！会场立即欢腾起来，人们兴高采烈欢呼跳跃。周恩来风趣地对大家说：“大家可不要把地板震塌了呀！”晚上10时，中央人民广播电台播出了我国首次核试验成功的新闻公报和详细阐述中国对于核武器问题严正立场的《中华人民共和国政府声明》。10月17日，周恩来发出致世界各国政府首脑电，阐明：“中国政府一贯主张全面禁止和彻底销毁核武器，中国进行核试验、发展核武器，是被迫而为的。”“中国政府郑重宣布，在任何时候、任何情况下，中国都不会首先使用核武器。”《周恩来选集》下卷，第431页。伴随原子弹爆炸的巨响，周恩来威武的声音，向世界各国展示了中国人民的智慧和力量，中国是不可欺侮的。
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把酒庆功，中国空爆第一颗氢弹（1）
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1965年5月14日，中国成功地进行了第一次由飞机投掷的原子弹空中爆炸试验。这标志着中国有了可用于实战的核武器。从首次核试验到首次核航弹试验不过8个月的时间，这表明中国原子弹武器化的速度是相当快的。
核航弹空爆试验成功之后，周恩来派专机去西北，把参加首次原子弹爆炸试验和这次核航弹空爆试验的核武器研制和试验部门的负责人、科学家、技术专家及投弹机组的代表接到北京。5月30日，他们一进入人民大会堂，就受到周恩来、林彪、邓小平、陈毅、贺龙、聂荣臻、罗瑞卿等中央领导人以及国务院和总部的有关负责人的热烈欢迎。朱光亚回忆这次接见场景时说：“周总理一边和我们握手，一边歉疚地说：‘大家辛苦了。去年10月，本来应该和大家见面的。因为忙，延迟到现在，真对不起。这次空爆成功，计划圆满完成，老总们很高兴，都要来见见有功之臣。’陈老总朗朗笑道：‘是来喝庆功酒啊！’”朱光亚：《我国爆炸第一颗原子弹前后》，《不尽的思念》第308页。周恩来向“有功之臣”举杯敬酒，勉励大家继续努力学习马列主义、毛泽东思想，群策群力，戒骄戒躁，再接再厉；为攀登下一个高峰，尽快掌握氢弹技术，加强国防，保卫和平作出更大的贡献。
氢弹，一般人的想象是在制造原子弹的基础上提高一步就行了。实则不然。如果说原子弹是用中子做火柴去点燃裂变材料，那么氢弹就是用原子弹当火柴去点燃聚变材料。这就是为什么必须先造出原子弹来才可能有氢弹的原故，但从原子弹到氢弹仍还有一段遥远的路程。
1962年12月，周恩来领导制定出1963—1972年科技发展规划，部署了氢弹的研究试验工作。邓稼先他们在完成中国第一颗原子弹的理论总体设计之后，又于1963年9月奉命转向更高的目标——承担中国第一颗氢弹的理论设计任务。因此，我国第一颗氢弹的代号就叫做639。
1964年10月16日，我国第一颗原子弹试验成功后，周恩来立即指示二机部要加速研制氢弹。周恩来问刘杰：“研制氢弹是怎样安排考虑的？”刘杰回答：“现在还有许多问题吃不透，大约需要三五年时间。”周恩来说：“五年是不是太慢了。”此后，二机部经过反复论证，向中央专委报送了《关于加速发展核武器问题的报告》。1965年2月3日和4日，周恩来主持第10次中央专委会，审议并批准了二机部的报告，决定“力争一九六八年进行氢弹装置爆炸试验”。当时，法国对氢弹已经研制了4年多，但还没有搞成功，广大科技人员下决心抢在法国的前头实现氢弹爆炸试验。
原子弹的理论设计是整个原子弹试验系统工程的“龙头”。同样，更为艰难的氢弹的理论设计是更为复杂的整个氢弹试验系统工程的“龙头”。称邓稼先为中国的原子弹、氢弹元勋，盖源于此。周恩来最清楚由原子弹到氢弹的飞跃，关键是理论上的突破。他指示二机部要把氢弹的理论研究放在首要位置上，并注意处理好理论和技术、研制和实验的关系。参见《当代中国的国防科技事业》（上），第101页。当二机部在《关于加速发展核武器问题的报告》中，把原理探索作为突破氢弹技术的首要措施提出来时，得到了周恩来的首肯。后来，正是由于理论上有了重大突破，才有氢弹新设计方案的形成和付诸试验，并得到了完全的胜利。刘杰：《我国原子能事业的决策者和组织者》，《不尽的思念》第324页。
由于“龙头”的作用，我国在1965年底掌握了氢弹原理，随之产生了氢弹试验的“三部曲”，即依次进行了热核材料、氢弹原理、全当量氢弹的三次试验。
1966年5月9日，含有热核材料的原子弹即加强型原子弹空爆试验获得成功，为氢弹理论研究提供了实测数据。这一天，周恩来与前线指挥所指挥空爆的张爱萍、刘西尧于10时、13时、16时通了三次电话，对加强弹最后检查及天空气象出现的问题及时地作出指示及调整空爆时间的决定。同时，周恩来于当日中午、13时半、16时10分三次报告加强弹试验情况，请刘少奇、林彪、邓小平、贺龙、聂荣臻、叶剑英阅后报毛泽东。第三次报告上，周恩来写道：“现在已于9日16时（下午4时）空爆成功，一切正在按预定计划进行。新闻公报稿另电告，在京常委同志已阅过，请主席收阅后批复。”含有热核材料的原子弹试验成功，周恩来称赞是领导、专家和群众三结合，教育、研究和生产三结合，群策群力，大力协同的结果。陈毅高�