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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。陈毅高兴地对外国朋友说：“美国、苏联认为我们研究不出原子弹来，但是，我们不仅掌握了原子弹，而且已经在搞氢弹了。”《当代中国的国防科技事业》（上），第101—102页。
1966年12月28日12时，氢弹原理试验获得成功。试验前的12月10日，核武器研制基地的科技人员对氢弹试验装置进行检查时，在一个主要部件上发现了质量问题。周恩来得知这一情况后，立即派刘杰乘专机前往检查处理。刘杰到基地现场察看，发现那不过是用放大镜才能看见的擦痕。他与科技人员研究后确认这个部件可以装配使用，不会对爆炸试验产生影响。这样，周恩来才放了心。这次试验是聂荣臻受中央专委的委托到现场主持的。试验结果表明，氢弹研制的关键理论和技术问题都获得了解决。试验成功后，周恩来把刘杰、刘西尧、钱三强等召集到西花厅，听取汇报。为庆贺试验成功，周恩来还特地为大家准备了晚餐，并且备了酒。这时二机部的造反派在中南海西北门外扬言要打倒刘杰等，并把矛头指向周恩来。周恩来以毛泽东“不管风吹浪打，胜似闲庭信步”这两句词提醒和勉励大家；接着，举起酒杯风趣地说：“今夜得宽余，喝酒吧！”可见，周恩来对氢弹原理试验成功是多么高兴。
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把酒庆功，中国空爆第一颗氢弹（2）
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氢弹原理试验成功后，1967年2月20日，周恩来、聂荣臻听取了国防科委关于首次氢弹空爆试验准备工作情况汇报，批准在7月1日之前进行这次试验。此后，试验的各项准备工作全面展开。1967年5月9日，周恩来主持中央专委会着重检查了这次氢弹空爆试验的准备工作，并根据进展的情况，确定将完成试验准备的期限提前到6月20日。这次会议要求国防科委对试验的各个环节进行反复检查，反复落实，确保安全，确保试验成功；要求切实做好烟云经过地区的卫生防护工作，对地面辐射累积剂量可能超过允许标准的地区，事先做好防护准备工作，并准备好应急措施，以预防发生意外。准备工作全部就绪后，6月12日，周恩来、李富春、聂荣臻、叶剑英等听取了罗舜初关于这次试验准备工作完成情况的汇报。周恩来提醒大家，不要犯经验主义，必须清楚地认识到这次试验又有更新的特点。他指出，防止意外情况发生，很关键的是保证伞的强度和正常开伞，这个问题，必须认真严肃对待。他责成郑汉涛立即组织三机部有关人员到现场去，会同基地人员对降落伞再做一次全面检查。他要求6月13日综合预演后，还要对氢弹总装认真地做全面检查，确保安全可靠。周恩来决定请聂荣臻赴现场主持这次试验，他自己和李富春、罗舜初直接领导试验场区外的安全工作。根据周恩来的要求，罗舜初和总参作战部等有关方面就万一发生意外情况时的安全防护问题进行了详细研究，制定了具体的措施。周恩来逐项检查了各个安全措施的落实情况。6月16日，卫生部、总后卫生部抽调50名医务人员组成的医疗队从北京出发时，周恩来亲自到车站送行。1967年6月17日，中国首次全当量氢弹空爆试验取得圆满成功，这是中国核武器发展的又一个飞跃。
从原子弹到氢弹，美国用了7年零4个月的时间，苏联用了4年的时间，英国用了4年零7个月的时间，而中国只用了2年零8个月的时间，赶到了法国前面。法国第一颗氢弹爆炸于1968年8月24日。为什么经济技术落后而又受西方和苏联严密封锁的中国，核科技的发展能有这样惊人的速度、惊人的成就？奥秘之一是，中国有邓稼先这样卓越的核科学家，有周恩来这样卓越的当家人，有他们为国家富强共同具有的“鞠躬尽瘁，死而后已”的奉献精神。
“两弹”结合，美国人又一次低估了中华民族的能力中国有了原子弹之后，美国国防部长麦克纳马拉曾说，五年内中国不会有它的运载工具。美国从第一颗原子弹爆炸到发射有核弹头的导弹，花了12年时间。麦克纳马拉推断中国至少10年才能掌握导弹核武器。
美国人又一次低估了中华民族的能力。
以周恩来为主任的中央15人专门委员会，1962年11月成立时，主要是为了加强对原子能工业建设和对核武器研制工作的领导，但对于导弹研究工作也给予了一定的重视。1963年12月5日，中央专委作出核武器研究方向以导弹头为主、核航弹为辅的决定。从此，原子弹、导弹专家开始着手进行“两弹”结合问题的研究试验工作。1964年6月29日，第一发改进设计后的中近程地地导弹在西北综合导弹试验基地进行飞行试验，获得成功。以后，又连续进行多次试验，均获成功。
1964年10月16日，第一颗原子弹爆炸成功之后，发展导弹核武器，解决运载工具已成为紧迫任务。周恩来及时提出，立即抓加强型原子弹、氢弹和导弹，并特别指出“两弹结合试验”为下一步重点。在讨论导弹问题时，周恩来提出要在国防部五院的基础上成立一个部。1964年11月23日，中共中央决定成立第七机械工业部，统一管理导弹工业的科研、设计、试制、生产和基本建设工作，加速导弹工业的发展。“文化大革命”中有人反对“部院合并”成立七机部，并以此为由要求批斗罗瑞卿。周恩来义正辞严地说：“这个主意是我首先提出来的。”“部院合并的目的是为了解决三结合，理论联系实际。”参见刘柏罗：《我国尖端科技事业凝聚着周总理的心血》，《不尽的思念》第347页。
1965年3月，中共中央及时作出了中央专委除管原子能工业、核武器研制外，还要管导弹的决定，增补余秋里、王诤、邱创成、方强、王秉璋、袁宝华、吕东（接替王鹤寿）等7人为中央专委委员。中央15人专门委员会也随之改称中央专门委员会。周恩来指示杨成武安排由吴克华抓紧组建第二炮兵；指出“两弹结合”试验，要从东风二号抓起；设法保证中央专门委员会的工作重点顺利地转移到战略导弹和人造卫星上来。
1965年12月底和1966年3月11日，周恩来两次主持中央专委会议，分别慎重研究了二机部和国防科委关于“两弹结合”试验方案的建议和报告。过去美国的导弹核武器是向大洋里的岛屿进行试验，苏联是向北极进行试验，弹道下面主要是海洋，风险小。我国没有这种条件，导弹的发射、路径、爆点都在本土及其上空，风险很大。在“两弹结合”试验的准备过程中，周恩来一再指示要“绝对保证安全”，指示七机部要保证导弹正常飞行，指示二机部要做到在导弹掉下来的情况下不发生核爆炸。根据周恩来的指示，二机部核武器研究所对核装置和引爆控制系统进行了一系列试验，并对引爆系统和自毁系统的可靠性多次进行论证，得出了可以保证安全可靠的结论。七机部组织有关厂、所保质保量按计划完成导弹生产任务，并进行了弹体自毁试验，证明安全系统工作可靠。
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把酒庆功，中国空爆第一颗氢弹（3）
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1966年6月，周恩来出访罗马尼亚、阿尔巴尼亚、巴基斯坦等国。30日，他离开拉瓦尔品第返回北京途中，在西北综合导弹试验基地停留，观看了中近程地地导弹发射试验，检查了两弹结合试验的有关准备情况。回北京后，他又检查了核弹头准备工作。9月25日，周恩来主持中央专委会议，原则同意国防科委的安排，在10月初进行“两弹”结合自毁试验，10月中旬进行飞行“冷”试验（不装核燃料），并根据这两项试验的情况，再决定进行飞行“热”试验（装核燃料）的时间。10月7日，西北综合导弹试验基地进行“两弹”结合安全自毁试验达到了预期目的。10月8日，周恩来主持中央专委会议，听取张震寰关于“两弹”结合安全自毁试验的结果以及“冷”、“热”飞行试验的准备情况和10月份符合试验条件的好天日期预报的汇报。周恩来说：我们在自己大陆上搞这次试验，事关重大，不能出乱子；“冷”试验弹要严格检查，“热”试验弹更要严格检查，一切工作都要百分之百地保证没有问题才行；核弹头要进行撞击试验，斜撞、横撞都要试验，保证在各种异常状态下不发生核爆炸；飞行“冷”试验的时间可安排在10月15日前后，试