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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了！
爆炸成功后，国外的反映接踵而至。
——最早得到中国原子弹爆炸消息的是美国，在16日当天，他们再次派出U…2飞机到中国上空搜集核尘样本。美国方面开始假装若无其事，约翰逊总统说：中国爆炸的是一个“小东西”，不超过万吨。很快，他们根据侦察得到的情报，改称：中国这颗原子弹的当量比他们当年投向广岛的那颗还要大。
——日本东京方面则广播，中国可能在它的西部地区爆炸了一颗原子弹。
——法国总统蓬皮杜则表示：顷刻之间，中国在世界上的地位发生了变化。美国不得不承认中华人民共和国的那一天也为期不远了。
——海峡那边的蒋介石也是较早得到中国大陆爆炸了第一颗原子弹的人，他当天声称：事先已从美国方面获此情报，并未感到震惊，但亦未忽视此事对亚洲政治及心理上的影响。
……
恰在10月16日这天，苏联宣布苏共中央第一书记赫鲁晓夫于15日辞去职务。当周恩来把这一消息通过电话告诉基地的张爱萍等人时，张爱萍等人开了个玩笑：“我们这个原子弹一下子把赫鲁晓夫砸下台了。”张爱萍说的是玩笑话，但没想到国际上还真有人这么认为。
赫鲁晓夫下台和中国的原子弹爆炸，成为国际舆论关注的两大焦点。国际舆论认为，中国是有意把原子弹的爆炸安排在赫鲁晓夫下台的时候，后来有人问起时，周恩来是这样回答的：
这完全是巧合。我们怎么能够那样准确地知道他要下台呢？即使知道他要下台，马上爆炸，除非我们手里掌握了大量的原子弹，像放焰火一样随便放。
当晚，周恩来随毛泽东到人民大会堂接见参加大型音乐舞蹈史诗《东方红》演出的3000名演职人员，毛泽东让周恩来当场宣布了中国第一颗原子弹爆炸试验成功和苏联赫鲁晓夫下台的两大喜讯，随后，中央人民广播电台正式向国内外播出了我国首次核试验成功的新闻公报和中国政府对于核武器问题的立场。
中国政府的立场，在当天发表的经周恩来审定的政府声明中，表述得非常清楚：
在任何时候、任何情况下，中国都不会首先使用核武器。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。
中国掌握核武器，完全是为了防御，为了保卫中国人民免受美国的核威胁。
几天以后，周恩来陆续收到了各国政府的回音。许多国家表示祝贺中国核试验成功，支持中国全面禁止和彻底销毁核武器的主张和召开首脑会议的建议；只有少数国家表示“遗憾”或对中国进行攻击。
这一回音，周恩来在10月19日向参加全国计划会议的人们作了公布：
我收到的抗议书只有10份，贺电上百份，表示高兴的就更多。
第一颗原子弹爆炸成功后怎么办？
在全国计划会议上，周恩来说过：
我们要特别谨慎，宁可让敌人估计得低一些，我们藏一手。不要让敌人过于重视，这反而会增加困难。人家瞧不起我们，我们会埋头工作。
后来，他在接见法国外交部长代表时，还坦率地说过这样的话：
我们的原子弹现在还处于试验阶段，如果美国使用原子弹，我们还不能反击，要付出相当代价，这些我们都是有准备的。
第一颗原子弹爆炸成功后，中国便进入了周恩来所说的“准备”状态。为进一步打破核大国的核控制，中共中央决定，要加速研制氢弹。
为此，周恩来找来二机部部长刘杰，研究对研制氢弹工作的安排。
刘杰认为：现在还有许多问题吃不透，大约需要三五年时间。
破核威慑（9）
周恩来果断提出：不行，五年太慢了，要加快发展；下一步的重点是“两弹结合试验”，立即着手抓加强型原子弹和氢弹、导弹。
根据中央的要求和周恩来的指示，1965年初，二机部向中央专委会呈报了《关于加速发展核武器问题的报告》。
2月3日、4日，周恩来主持中央专委会第十次会议，审议了这个报告。会议决定：“力争于1968年进行氢弹装置的爆炸试验。”
从尖端科技的发展来看，由原子弹到氢弹又是一个质的飞跃。实现这个飞跃，美国花了7年零4个月，苏联花了4年，英国花了4年零7个月。而当时法国已用了4年多时间研制，仍未成功。
中国对这件事的组织领导工作，则令世界震惊。
1967年6月17日，我国成功地进行了一次300万吨级的空投氢弹试验。
从原子弹到氢弹，中国仅用了2年零8个月，其技术水平也超出了美、苏的首次氢弹试验，提前实现了原来的预想。
然而，试验过程并不是一帆风顺的，也出现过许多险情甚至事故。
1971年12月30日，在我国西北某地进行第一颗实战氢弹的投掷试验，就没有成功。
当时，由飞行员杨国祥驾驶的飞机进入预定地点，机上载有一枚数万吨当量的实战用氢弹。塔台发出投掷命令后，杨国祥用力伸向推脱装置机关，投掷装置却无动作。他又采取应急措施，仍没有成功。
随着气候、温度、气流、速度的变化，可能使氢弹在空中突然爆炸，不仅会机毁人亡，基地也会成为一片废墟。
在北京一直守在电话机旁的周恩来虽然极为担心，但他镇定下令：除塔台指挥外，所有人员，无一例外，全部�