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1945年7月17日至8月2日，美、英、苏三国首脑在柏林西南波茨坦举行会议，史称波茨坦会议。其间，美国总统杜鲁门“漫不经心”地向斯大林透露了一个消息：美国已经拥有一种威力巨大的新式武器。时隔不久，美国先后于1945年8月6日和9日向日本的广岛和长崎投下了名为“小男孩”和“胖子”的。在苏联看来，美国的上述举动“与其说是为了迫使日本投降，不如说是为了向全世界显示美国的威力。核武器应该引起恐怖。
美国试图借用核武器来迫使苏联屈从于它的蛮横政策，强迫苏联在极端恐怖的战争面前放弃捍卫祖国的斗争。20世纪是美国的世纪，美国人应该统治世界——这是批准对日本实施核轰炸的美国掌权者的真实目的。”事实也正是如此。随着战争临近结束，美国日益明显地意识到，与苏联的结盟只是暂时的，与苏联在政治利益和意识形态上的分歧却是长久的，在消灭法西斯的战争中表现出实力和潜力的苏联将是美国战后推行世界霸权的巨大障碍，因而，要震慑和敲打苏联，要借军事实力的展示让苏联变得更规矩一些。
第二次世界大战以后，苏联利用其在美国、加拿大和英国的间谍网，广泛搜集西方研制的秘密。苏联驻加拿大使馆武官尼古拉·扎鲍丁上校(代号为“格兰特”)负责在加拿大的谍报活动。在他控制的间谍网中有：在加拿大全国科学研究委员会工作的邓福德·史密斯，爱德华·梅兹拉尔，蒙特利尔麦尔吉尔大学的雷蒙德·博耶教授，《加拿大事件》编辑戴维·戈登·鲁南，在加拿大原子实验室工作的英国核专家阿伦·纳恩·梅，以及加议员弗雷德·罗斯和加共书记萨姆·卡尔等。开始，扎鲍丁利用由鲁南、史密斯和梅兹拉尔等组成的“B小组”搜集加拿大的原子研究情况。
1945年扎鲍丁同梅建立联系后，便从梅那里获取情报。罗斯和卡尔充当联系人，负责交接情报。1945年9月6日，苏联使馆译电员伊果尔·谢尔盖耶维奇·古曾科携带着绝密资料叛逃，向加拿大当局揭露了苏联在加拿大、美国和英国的间谍活动。据古曾科提供的情报，加拿大皇家骑警相继逮捕了这些在加拿大活动的间谍，并以违反国家保密法对他们进行审判。他们被分别判处二至六年徒刑。由于此案关系到英、美各国，加拿大将情况通知了英、美有关当局。英、美反间谍机构随即展开侦查。
1946年3月4月，梅在英被捕受审。他供认在1945年向苏联人提供了一些铀样品和有关研究的资料。纳恩·梅被判处10年徒刑。在调查中，加拿大当局发现了和此案有关的克劳斯·富克斯的名字及其在英国的住址。英国反间谍机构查明，克劳斯·富克斯是英国原子研究机构哈威尔的理论部负责人，他原是德国难民，1942年加入英国籍。1943年底，他随英国小组到美国，参加了曼哈顿工程。后来被派到在圣菲附近的洛斯阿拉莫斯原子实验室工作。在反间谍人员耐心的劝导下，富克斯终于坦白了自己的间谍活动。
原来，早在1941年，富克斯就同苏联人建立了联系。1944年，他向苏联人提供了的设计、制造方法，美国制造的实际计划，其中包括橡树岭制造厂的详细资料、该厂设备的详细情况以及供核物理计算使用的计算机的详情等大量情报。1950年2月，富克斯被判处14年徒刑。富克斯被捕后不久，曾在加拿大和英国原子研究机构工作的意大利核物理学家布鲁诺·蓬泰科尔沃叛逃到苏联。据查，他也是一名苏联间谍，向苏联提供过西方研制的秘密。另一方面，美国联邦调查局加紧调查，力图找出富克斯在美国的联系人，怀疑集中到哈里·戈尔德身上。
1950年5月，戈尔德被捕。他交待了实情，提供了他联系过的人员的情况。根据戈尔德提供的线索，联邦调查局挖出了充当苏联间谍的朱利叶斯和埃塞尔·罗森堡夫妇。罗森堡夫妇曾利用其在部队服役的亲戚搜集美国洛斯阿拉莫斯制造厂的情报，并将情报交给了苏联驻纽约领事馆副领事安纳托利·雅科夫列夫。雅科夫列夫在被拘捕前逃回了苏联，罗森堡夫妇被判处死刑，戈尔德被判处30年徒刑。由于富克斯、梅和蓬泰科尔沃等向苏联提供了他们各自在美、英、加原子研究机构的研究工作等情报，使苏联至少提前了18个月实现了他们的制造计划。
在苏联部长会议1946年6月21日第1286-525cc号《关于苏联科学院第二实验室第11设计院工作计划》的决议中首次明确了研制的任务并规定了研制的期限：第11设计院接受苏联科学院第二实验室（库尔恰托夫）的科技指导，研制两种型号的“C系列喷气发动机”（简称PIC），PIC-1使用重燃料（钚-239），PIC-2使用轻燃料（铀-235）。固定式PIC-1和PIC-2各1台，分别于1948年1月1日前和1948年6月1日前研制完成并交付地面试验。机载式PIC-1和PIC-2各1台，分别于1948年3月1日前和1949年1月1日前研制完成并交付空中试验。农业机械制造部第6和第504研究所及第47设计院、苏联科学院第二实验室、装备部第88厂设计院、运输机械制造部基洛夫厂设计院以及苏联科学院化学物理研究所等研究和设计机构协助第11设计院的工作，参与的研制和设计。
苏联对构造基本原理的认识始于第二次世界大战前，在1942年12月21日写给库尔恰托夫的信中，弗廖罗夫就已提出了构造的初步设想。他描述了“枪击式”构造的基本原理，还绘制了草图加以说明。不过，这仅仅是设想而已。1992年8月11日，PIC-1的总设计师哈里顿在接受《红星报》记者采访时曾公开表示：“我国的第一颗是美国的复制品。”事实也是如此。
1945年3月6日，在库尔恰托夫对苏联国家安全人民委员部一局提供的情报资料所做的鉴定中就包括构造的内容。库尔恰托夫对的内爆式构造给予了高度的评价：“材料极有价值，其中包括许多我们尚未研究过的问题：
1.用氢化铀-235替代铀-235作为的炸药；2.采用内爆法引爆内爆法要求在爆炸过程中具备巨大的压力和极高的速度。材料中指出，如果压力对称，内爆法可以将粒子的相对速度提高到1万米/秒。因而，内爆法大大优于枪击法。目前还不能做出最终的正确结论，然而，毫无疑问，内爆法更值得关注。它在理论上是正确的，应当进行细致严密的理论和实验分析。”1945年7月2日，苏联国家安全人民委员部一举向国内提供了美国准备进行试验的情报，其中也提到了的构造：的放射性物质为94号元素（即钚——笔者注），没有使用铀-235。在重量为5公斤的球形梗中央装有起爆器，即铍-钋
粒子源，钚周围是铀。这些都被包裹在一个11厘米厚的铝壳里，铝壳外面是一层46厘米厚的炸药。外壳内径为140厘米，总重约为3吨。预计的爆炸威力为5000吨当量的梯恩梯炸药。美国的第一颗试验于1945年7月16日进行。
1945年10月19日，苏联国家安全人民委员B.H.梅尔库洛夫向贝利亚报告了更为详细的美国的构造情况。美国成功试爆的外观呈梨型，最大直径为127厘米，包括尾翼在内的总长度为325厘米，重量为4500公斤左右。由中子源、裂变材料、减速剂、铝层、炸药、炸药透镜系统、引爆装置、硬铝外壳、装甲钢壳及尾翼等部件构成，选用8相钚-239作为裂变材料，采用内爆法引发裂变。爆炸高度为30.5米，当量为1万吨梯恩梯炸药，准确数字为2万吨。爆炸温度为摄氏7千万度，914米范围内的放射性达1000米。应当承认，苏联的第一颗的确是以美国试验成功的钚弹为原型仿造的，这使得苏联在研制PIC-1的过程中少走了弯路，缩短了时间，节省了经费。然而，这并不等于低估甚至否定了苏联科技人员的重要作用。为了验证情报的准确性，科技人员必须进行大量的理论计算和实验工作。
1946年7月1日，哈里顿和焦尔诺夫向万尼科夫提交了《战术技术任务书》，首次规定了PIC-1和PIC-2两种型号的的基本构造。钚弹将采用内爆法达到临界，铀弹将采用枪击法达到临界。钚弹和铀弹的外形为机载炸弹，重量不超过5吨，长度不超过5米，直径在1.5米之内。钚弹和铀弹将用于空投。
1946年7月1日这一天被苏联核计划史研究专家们视为苏联PIC系列研制的起始时间。从此，在第11设计院展开了紧张的设计和实验工作，其他研究和设计机构也积极参与和配合。第11设计院集中研制核装料，选择，制订核装料部件生产工艺，研究收敛球面爆轰波，设计弹体，等等。农业机械制造部第6研究所承担了同步引爆电雷管的研制任务，第504研究所承担了自动高空无线电传感器和同步电雷管供电系统、第47设计院承担了机载弹体、稳定器及固定件的研制任务，第二实验室承担了与临界质量、核装料外形、核爆炸、中子源及枪击式射击时的同步等问题有关的研究，装备部第88厂设计院承担了枪击式的枪管及射击机械的设计任务，运输机械制造部基洛夫厂设计院承担了核装料零部件及个别自动化仪器仪表的设计任务，苏联科学院化学物理研究所承担了包括炸药的收敛球面爆轰波、爆轰波对金属的作用、爆炸威力的测定及临界质量的确定等理论计算工作。
尽管第11设计院和参与研制的所有部门和人员付出了最大的努力，但由于的研究和设计工作量极大、研制过程中遇到的困难远比预料的多、零部件的生产不能及时完成、为第11设计院选派科技人员的工作滞后、第11设计院的必要设施和场地不能如期交付使用等多种原因，苏联部长会议于1946年6月21日批准执行的研制计划未能如期完成。
有鉴于此，1948年2月8日，斯大林签字批准了苏联部长会议第234-98cc/on号《关于苏联科学院第二实验室第11设计院工作计划》的决议，对1946年6月21日苏联部长会议第1286-525cc号决议中规定的研制期限做出了新的调整，即：PIC-1的研制在1949年3月1日前完成并交付试验，PIC-2的研制在1949年12月1日前完成并交付试验。然而，由于817综合厂和813综合厂不能及时提供钚装料和浓缩铀，PIC-1直到1949年8月才得以交付试验，而PIC-2则更推迟到了1951年。
苏联在紧锣密鼓地研制的同时便已开始为试验做准备，积极筹建试验场，相继出台了一系列重要决议。1946年11月14日，苏联部长会议第2493-1045cc/on号《关于筹建苏联部长会议第一管理总局采矿场的措施》的决议规定，采纳第一管理总局的建议，修建PIC系列专用试验场。为保密起见，试验场将使用“第一管理总局采矿场”这一名称。决议规定，试验场的设计任务由第一管理总局下属的国家特种工程设计院承担，执行苏联科学院化学物理研究所提出的总体设计方案，装备部、电气工业部、武装力量部、国家光学研究所、全苏电工研究所、空军研究所等部门和机构承担总体设计方案中相关的任务。
1947年4月21日，苏联部长会议通过第1092-313cc/on号《采矿场（905工程）问题》的决议，将试验场的代码“905工程”改为“310工程”，由工程兵承担试验场的工程建设任务，1948年第一季度完成包括试验场、机场、住房、安全保卫设施等在内的施工装配任务，财政部向工程预支建设费用1500万卢布。任命工程兵少将M.M.切尔内赫为“采矿场”建设施工负责人，炮兵中将Ⅱ.M.罗扎诺维奇为“采矿场”场长，苏联科学院化学物理研究所的M.
.萨多夫斯基为科技负责人。1947年6月19日，苏联部长会议又在一天内接连出台两个决议。第2141-563cc/on号《905工程问题》的决议确定了“905工程”的施工地点为谢米巴拉金斯克以西170公里处的额尔齐斯地区，占地半径为10公里。第2142-564cc/on号决议《采矿场问题》则明确了试验的主要目的：①测定裂变物质的有效系数，检验构造的合理性；②测定核爆炸的破坏能力。
试验场原址为苏联武装力量部（后为苏联国防部）的2号靶场，地处哈萨克斯坦干旱的草原地带，三面环山。建成后的试验场分为14个区域，包括防御和物理测试区、民用建筑和设施区、地上和地下军用建筑和设施区、生物区等，用于进行观察、测试及实验。物理测试区安装的记录仪器达200多种，铺设的电缆长560公里，都配有专用供电设备和自动控制装置。民用建筑和设施区间有各种砖结构和木结构建筑，还有铁路和桥梁以及深度分别为10米、20米和30米的仿地铁坑道。军用建筑和设施区有战壕、堡垒以及飞机、大炮、坦克、等轻重武器装备。生物区的各类动物数量达1500多只（头）。试验场中央建有一座33米高的金属塔，上面安装了电控客货起重机，用于运送和人员。金属塔附近修建了一个组装车间，的最后组装将在这里进行。据统计，截止到1949年，试验场的基本建设投资为1.85亿卢布（按1945年价格计算）。
1949年4月22日，苏联科学院化学物理研究所所长谢苗诺夫向贝利亚提交了书面报告，表示化学物理研究所已经做好了爆炸测定的准备工作。1949年8月5日，以别尔乌辛为首的试验场验收委员会向贝利亚提交了书面报告，表示试验场的各项准备工作已经就绪，可以进行试验。
此时，的研制工作也已接近尾声。1949年4月15日，第二实验室第11设计院总设计师哈里顿和第一副院长K.M.晓尔金向贝利亚提交了简要的书面报告，表示PIC-1所有的理论和设计问题已全部得到解决。1949年5月27日，在第11设计院院长焦尔诺夫和总设计师哈里顿共同签字的致贝利亚的书面报告中表示，第11设计院正在积极准备PIC-1的试验准备工作，为此，专门成立了7人特别小组，由晓尔金任组长，杜霍夫和B.M.阿尔费罗夫任副组长，成员有B.K.勃伯列夫、别萨拉卞科、马利斯基和M.
.纳扎列夫斯基。试验拟在1949年8月15~25日进行。1949年6月4~9日，全面负责PIC-1试验筹备工作的万尼科夫、库尔恰托夫、哈里顿等人在第11设计院举行会议，审议了与PIC-1研制的收尾工作和即将进行的试验有关的问题，最后形成致贝利亚的书面报告，由万尼科夫和库尔恰托夫共同签字。会议期间，第11设计院提交了按1：5的比例由杜霍夫和别萨拉下科制作完成的PIC-1金属模型。模型得到肯定，会议决定将其送交专门委员会审核批准。1949年8月5日，第11设计院举行了核装料验收仪式，哈里顿、博奇瓦尔、库兹涅佐夫在验收书上签字，斯拉夫斯基、库尔恰托夫、博奇瓦尔等人则在核装料零部件合格证书上签字。
1949年8月8日，经特殊包装的核装料零部件由专列运抵第11设计院。组装后的检测表明，核装料中子增殖系数正常，符合技术要求，可以进行试验。1949年8月21日，载有核装料零部件和四个中子源的专列抵达试验场。从1949年8月10日起开始进行试验演练，至8月26日，共进行了10次。1949年8月22日，举行试验总演练。在演练过程中，的组装和引爆及部门之间的协调动作等各个环节都严格按照技术规程进行，随时发现问题，随时解决问题，试验程序得以更加完善。
1949年8月26日，有贝利亚、马林科夫、万尼科夫、别尔乌辛、扎维尼亚金、库尔恰托夫、马赫涅夫参加的专门委员会会议通过了由万尼科夫、库尔恰托夫和别尔乌辛草拟的苏联部长会议《关于试验》的决议并提交苏联部长会议主席斯大林审批。根据专门委员会第一管理局局长万尼科夫、核计划科技总负责人库尔恰托夫院士及总设计师哈里顿通讯院士的建议决定进行第一颗试验，试验时间为1949年8月29~30日，试验地点为第二试验场，试验方式为距地面33米高的金属塔固定爆炸。任命库尔恰托夫为试验的科技总负责人，哈里顿、焦尔诺夫和梅什克为科技副总负责人，分管试验的设计与科技、组织与行政、安全与保卫工作。尽管斯大林并未在该决议上签字，但试验仍按计划进行。参加试验的政府委员会成员、以贝利亚为首的专门委员会成员及其他核计划和核试验负责人亲临试验现场。
1949年8月28日傍晚，核装料和中子源被送到组装车间进行组装。1949年8月29日凌晨，核装料的最后组装完毕。1949年8月29日当地时间早7时，哈萨克斯坦的荒漠上闪起了一道从未有过的耀眼光芒。1949年8月31日，贝利亚和库尔恰托夫在试验后第二天共同签字的试验报告由贝利亚亲自呈递给了斯大林。报告中称，初步测定的数据显示，的爆炸威力相当于10000多吨梯恩梯，半径1500米内的工业设施和民用建筑全被冲击波毁坏，强核辐射形成了距爆心1200米范围内的生命死亡地带，25000度的高温造成距爆心2公里范围内的建筑起火。
1949年9月25日，针对美国总统杜鲁门两天前发表的关于苏联进行核试验的声明，塔斯社受权在《真理报》上发表公告，向全世界郑重宣布：苏联已经掌握了制造核武器的技术，已经拥有了核武器。
第二次世界大战后，面对美国的核威慑，百废待兴的苏联出于维护和加强国家安全、巩固和扩大胜利果实的目的，出台了耗资巨大的核计划。在1945年8月20日至1949年8月29日四年的时间内，苏联以高度集中的经济体制为基础，以强制性的行政命令为手段，采取军事化的全民总动员方式，最大限度地调动一切物质和精神资源，阶段性地实现了核计划目标。苏联第一颗的研制和成功试验不仅打破了美国借以推行和确立单极化国际政治体系的核垄断，大大增强了自身的军事政治实力，而且对人类历史的走向产生了极其深远的影响。苏联的核计划和研制是以苏联为首的社会主义阵营抗衡以美国为首的资本主义阵营的强有力工具，同时也是促使延续半个多世纪之久的两极世界最后形成的重要因素。
