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为解决人员结构这一薄弱环节，周恩来当即决定：加强第二机械工业部的科技力量以及党和行政的领导力量。限令各有关部门、部队和高等院校、科研单位于12月底前，为二机部选调各方面出类拔萃的人员500名，并调配1100多台仪器设备。有些技术设备要由外国引进。
12月4日，周恩来又主持召开了第三次专委会，这次会议主题是解决规划问题。会议原则同意二机部部长刘杰提出的《1963年、1964年原子武器工业建设、生产计划大纲》（简称“两年规划”）。
对爆炸第一颗原子弹的准备工作，周恩来讲了四点即十六字方针：“实事求是，循序而进，坚持不懈，戒骄戒躁。”
随后，他又对二机部的工作提出了“三高”的要求：
“高度的政治思想性，高度的科学计划性，高度的组织纪律性。”
在中央专委会成立后的半年时间内，我国原子能工业各条战线迅速形成了一支能打硬仗的队伍，为原子弹的研制和生产提供了有力的保证。
中国人的步伐，是惊人的，连外国的同行们都难以想象。
到1963年底，我国第一颗原子弹的研制工作就已经接近过关。为此周恩来在12月5日主持召开了第七次专委会议，主要讨论第一颗原子弹试验的工作安排。
周恩来提出：“关于试验工作的安排，地面试验放在第一位，并继续完成空投试验的准备工作，同时把地下试验作为科研设计项目立即着手安排。”
会议据此做出了相应的决定。此后，我国核试验一直沿着这一方向前进。
——实验科研人员进行了上千次的爆轰试验；
——1963年12月24日，在西北的核武器研制基地成功地进行了聚合爆轰出中子试验。
——1964年1月14日，铀浓缩厂在攻克了一个又一个的技术难关后，终于拿到了可以作为原子弹装料的合格的高浓铀产品。
……
基础工作出色地完成了，接到报告的毛泽东和周恩来非常高兴。毛泽东充分肯定了科研、生产战线同志们的成绩；周恩来批示：“请转告刘杰同志，庆贺他们提前完成关键性生产和解决了关键性的技术试验，仍望他们积极谨慎，坚持不懈地继续完成今后各项任务。”
到1964年9月，除气象、爆炸时间等问题外，爆炸试验的技术问题已基本解决。前方的核科学家们等待着中央的决策。
1964年9月16日、17日、23日，周恩来连续主持召开了第九次专委会议。
会上，他详细询问了试验前的准备工作。这次会议要解决的就是爆炸时间等问题。
一开始，对1964年10月还是1965年4、5月间进行爆炸试验，有不同的意见。经过详细的讨论研究后，周恩来综合大家的意见提出：争取1964年试验；由专委会起草有关报告，报请中共中央政治局常委会议决定；同时，二机部、国防工办等单位要积极、充分地做好准备。
他还提请大家注意：对核试验的利弊要充分地估计足，不能有丝毫的松懈；并要严格保密制度。
这期间，周恩来还对参加第一次核试验的工作者们提出了又一个十六字方针：“严肃认真，周到细致，稳妥可靠，万无一失。”
这十六个字，后来被人们用精心挑选的彩色石块镶嵌在试验基地上，成为我国各尖端科学试验基地长期遵循的座右铭。
9月23日，征得中央常委同意后，中央专委会决定：10月15日至20日期间进行首次核试验。
保密，是核试验的关键之一。
中国研制原子弹的情报，是许多国家和台湾当局刺探的重点，不得不防。自我国决定研制原子弹以来，美国中央情报局就与台湾合作，使用多架次被称为“蛟龙夫人”、“神秘女郎”的最先进的高空侦察机U…2飞机，对中国大陆进行军事侦察，这些飞机多次飞入中国的军事基地上空。在1964年8月以前，英勇机智的中国军队就击落了3架号称“不可战胜”的U…2飞机。
破核威慑（7）
临近首次核试验，周恩来高度警惕，他对所有参与此事的人提出：这次试验，要绝对保密，除了同试验直接有关的人员外，其他人一律不能知道，包括你们的妻子、儿女；邓颖超是我的妻子、老党员、党中央委员，由于她的工作同核试验无关，所以我没有告诉她。
为保密起见，周恩来在中央专委会上要求：在联络中一律用暗语和密码。早年周恩来在天津创办觉悟社时，曾用“五号”（谐音“伍豪”）作为代号从事革命活动。在领导高度绝密的原子弹试验中，周恩来取代号为“五十一”，罗瑞卿“六十一”，张爱萍代号为“七十一”……原子弹的爆炸时间，则被取了一个形象而动听的暗语：“瓜熟了”。
随后，周恩来派出解放军副总参谋长张爱萍作为试验场的总指挥，刘西尧为副总指挥，前往西北核试验场。
周恩来对保密工作要求之严，张爱萍深有体会，他后来回忆道：
搞这个原子弹，从一开始一直到最后的基地试验这个事情，总理就规定了一条，绝对保密。他规定，绝对保密，就是连自己的妻子都不能告诉。我记得清清楚楚，他说：你看邓大姐，我也不会告诉她。所以我们这个事情所有人都不知道。
总理确实没有告诉邓大姐。最后我们爆炸完了，从基地回来到西花厅去，我向总理报告具体情况，碰到邓大姐，邓大姐就说：你们这样子好事都不告诉我？我说：大姐，你不能怪我，总理强调的，他都不告诉你，你不能怪我不告诉你。
到达基地的张爱萍把周恩来以身作则严格保密的话原原本本地向全体参试人员作了传达。这对中国首次核试验保证无一泄密事件，起了重大的作用。
根据气象等情况，并经毛泽东同意，1964年10月14日，周恩来亲自下达了核装置就位的命令。随后把第一颗原子弹爆炸试验的时间定在10月16日15时。
试验场上的核装置，在静静地等待着起爆的命令……
原子弹试验，可不比一般的战争，此事非同小可。在北京的指挥中心，和基地一样都处于临战前的紧张气氛中。结果如何，谁也无法准确预料。周恩来也有他的担忧。他曾说过：“希望它响，万一不响，只好待明年。不响外边也不会知道，也要准备不响。原子弹的确是吓人的。主席有更大的战略想法：原子弹是吓人的，不一定用。既然是吓人的，就早响。”
试验的前夜，周恩来拿起了直通第二机械工业部部长刘杰的保密电话……
刘杰比周恩来更紧张。他后来回忆：
在15号的晚上，总理给我打电话，说究竟你现在考虑我们这次实验会有什么样的结果。在当时我也是很紧张的了，我说：总理呀，目前根据我的认识有三种可能，第一是干脆利落，第二是拖泥带水，第三是完全失败。我说根据目前的情况来看，第一种可能性是最大的。
听到这一回答，周恩来放心了。
1964年10月16日，周恩来、贺龙、聂荣臻等人坐镇北京，亲自守候在直接连接试验现场的电话机旁。下午3点以前，周恩来接通了现场总指挥张爱萍将军的电话，从电话中，他可以听着现场的指挥口令和倒计时的声音：9、8、7、6……毛泽东和刘少奇等人也各自在办公室密切关注着这次试验。
15时，中国西部一声巨响，火球光芒四射，随即向空中升腾翻滚，变成一片巨大的蘑菇云。第一颗原子弹爆炸成功了！
响声一过，张爱萍立即向周恩来作了汇报：总理，爆炸成功了……
为慎重起见，周恩来在电话中进一步向张爱萍核实：“是不是真的原子弹爆炸？”
身经百战的老将军这时也愣了一下。他后来回忆：
是不是真的原子弹，我也不懂啊，但我马上往旁边一看，旁边有一个科学家叫王淦昌，我说：总理问是不是原子弹爆炸。他一看前面，正好这个时候黑烟柱起来了，火焰也起来，接着蘑菇云开始了。王淦昌说：现在蘑菇云开始形成，是原子弹爆炸。总理听说后，很高兴。他在电话中说：我向你们所有的科学技术人员和工人表示祝贺，同时我也代表毛主席、党中央向你们表示祝贺。
破核威慑（8）
当时在周恩来身边的军事秘书周家鼎也说：
张爱萍根据当地的情况，说现在蘑菇状烟云已经升空了，而且还把好多现象也很详细地报告给总理。总理这时如释重负，就马上拿起电话向毛泽东报告：第一颗原子弹实验成功