彭桓武欣然受命负责“核潜艇动力堆”工程的组织领导和堆工程技术方面的工作，并兼任科技领导小组组长。不久，一支由200多科技工作者组成的科研设计队伍，陆续开展了堆设计、堆物理、堆材料、材料防腐、元件工艺、热工水力、自动控制等一整套有关堆工程的科技研究工作。
这时，世界上只有美国和苏联的核潜艇已建成下水。他们对研究技术严格保密，这方面的情况只在一些杂志上偶有一般情况的报道。
而彭铁领导的这支队伍，大部分是刚从大学毕业不久的年轻人，不仅缺乏经验，基础知识也不足。而要进行的方案设计，又必须从中国当时的科学技术水平和工业基础的实际出发，这使这项工程的设计工作失去不少自由度，困难重重，荆棘塞途。
彭桓武和李毅、孟戈非、连培生等肩负起这一历史使命。
在反应堆及核动力研究方面，彭桓武不仅在学术上领导和指挥，而且更注重建设这支理论、实验和工程设计的科研队伍，加强他们彼此之间的协作。为了“原子能反应堆”在建成启动后，不断提高运行的质量，也为我国自力更生开展反应堆的制造积累经验和培养人才，彭桓武于1959年春夏时节组织了一系列的学术讨论会，由涉及反应堆有关各研究室的人员参加。他要求负责反应堆各个系统运行的科技人员提出报告，说明运转中的经验、遇到的问题和改进的意见，并交给大家讨论。经过这些生动的学术活动，不仅提高了堆工作者的水平，引发了他们深入钻研有关业的兴趣，而且为后来“原子能反应堆”的改建，提出了方向，奠定了基础。同时，他和金星南一起，在研究所培养并组建起一支精干的计算数学队伍。
“核潜艇动力堆”工程后来由于国家计划调整，被迫放缓，停止了陆上模式堆基地建设。但是，在I960年6月，在“核潜艇动力堆”研究设计者们的共同奋斗下，经过两年多刻苦学习、调研、论证，终于提出《潜繊动力方案设计（草案）》。
这一草案被后来重新上马的研究工作证明是切实可行的。设计者们为后来1965年这一工程的重新上马打下了良好的基础，做出了开拓性的贡献。
到1960年，“核潜艇动力堆工程”虽然搁浅，但却带动了大批工作的开展，填补了我国许多空白学科，同时培养了一支堆工科学技术队伍。这批人才后来走向我国反应堆工程、核潜艇动力堆和核电站研究设计的不同岗位，为社会主义现代化国防建设和经济建设，做出重要贡献。
一声令下“上尖端”
“596”对于同时代的每一个中国人，都是一件大事。
当时，盘踞台湾的蒋介石集团叫嚣反攻大陆，美国“第七舰队”在我国沿海海域横冲直撞，有时窜到台湾海峡示威游犬，我国国民经济实力尚不雄厚，偏遇连续三年自然灾害。然而，正是在这时，一贯以“老大哥”自居的苏联乘机逼债、单方面撕毁中苏“国防新技术胁定”中苏关系破裂。
其实，在1959年6月前的早些时候，明眼人就已经看出苏联撕毁合约的端倪了。因为，从那时候起，分布在一些重要行业的苏联专家和顾问，陆续回国休假，便一去未返。现在，关系即已破裂，苏联专家便纷纷奉命回国。
彭桓武把这件事看得很轻，他认为这是好事，是历史的一次进步。他认为中国的发展和富强离开他们也是要前进的，这是历史的必然趋势。苏联专家走了，可以锻炼培养自己的年轻。
1960年，彭桓武、吴有训等前往英国出席皇家科学院成立300周年纪念大会。在伦敦，彭桓武与从德国去的导师马克斯·玻恩重逢。
玻恩埋怨彭桓武道：“你为什么不给我写信？黄昆都常给我来信。”
彭桓武说：“我是共产党国家的人，给你写信怕牵连你。”
实际上，彭桓武了解导师是个和平主义者。他反战，回到德国后积极参加反对德国制造原子弹的政治活动。彭桓武也是一个和平主义者，也反战，但他积极参加中国制造原子弹的工作。这时期，虽然他人未去核武器研究所，而实际早就开始了这方面的工作，核武器研究所理论方面的问题也常去请教他。他托词“牵连”的理由不过是不想让导师知道他正从事保密工作。
也许，此时玻恩已经知道彭桓武正从事他所竭力反对的制造核武器的工作，也许仍然以为他如在爱丁堡时一样愚顽。后来，他在传记里提到这次会面，说到彭桓武时，他写道：“他是舰。”
1961年4月初，彭桓武正在坨里基地工作，钱三强推门走了进来。
“桓武，有重要事通知你。”钱三强又说：“中央决定派最好的科学家加强尖端项目的攻关。中央决定调你去核武器研究所顶替苏联专家的工作。有什么困难吗？”
彭桓武从钱三强眼里看到的是信任和希望。他说：“没有。”
钱三强又说：“这些年，你本可以在你熟悉的领域里有所建树，可是……”
彭桓武理解这位挚友，但此时国家更需要他。他打断钱三强的话，说：“三强，总得有人来干这项工作，国家需要我，我去。”
没有豪言壮语，没有旦且信誓，这便是彭桓武。
对于彭桓武，钱三强比任何人更了解他。这位比自已年龄还小的学长虚怀若谷、心地光明，无求于人、无欲于世，整日一副安然自若的悠然模样，仿佛泰山崩于前也面不改色心不跳。他把全部的精力献给了自然科学，直到1958年43岁时才结婚成家。在早期核研究所成立时，钱三强推荐了原子能研究所的邓稼先、朱光亚等，现在，又把这位挚友推上尖端科技的最前沿，他相信自已的眼力。直到死，钱三强也没有告诉彭桓武，在推荐他参加原子弹研制工作时，在中央领导面前，他手抚胸膛为这位挚友做政治上的保证。
两天后，彭桓武交代完坨里基地的工作，抱起自己一副铺盖，对爱人刘秉娴说：“我上班去了。”然后乘车去往市区的核武器研効斤报到。
走进核武器研究所，彭桓武才知道王淦昌也调到这里，与他们同期报到的还有钱学森推荐来的郭永怀。他们三人的使命都是顶替早期撤走的苏联专家的工作。他们三人与前期到这里开展工作的朱光亚被中央任命为核武器研究所副所长。不久，研究所机制调整，成立了四个技术委员会，吴际霖任第一技术委员会主任，王淦昌任第二技术委员会主任，郭永怀任第三技术委员会主任，彭桓武任第四技术委员会主任。
一天，彭桓武、王淦昌、郭永怀被专车接进中南海，接受周恩来总理的接见。
这期间，由于饥饿和营养不良，彭桓武患有严重的浮肿，脚脖子肿得老粗，经常穿不上布鞋。这天，他勉强提上鞋上了汽车。
西花厅，周恩来把三位科学家请到沙发上就座，与他们畅谈国际形势，交流思想感情。周恩来说：“我们刚刚起步的国防尖端事业，需要尖端人才，需要第一流的科学家，你们当之无愧。党和人民寄希望于你们啊！”周恩来对科学家们三天里改变研究方向，服从祖国需要，加入到核武器研制行列中来非常赞许。
周恩来总理亲切询问彭桓武老家何处。
回答完总理的提问，望着总理慈祥的面容，彭桓武说：“从现在起，我们三个都是二机部的干部了总理笑着轻轻摇头，然而又十分严肃地说：“不，你们依然是科学院的科学家。”
彭桓武暗自思忖：总理话里的意思是说我们三个代替苏联专家接受突破任，一且完成了工作，又可以回科学院搞其他研究。
周总理十分明白：到目前为止，中国尚没有一位科学家见过原子弹，更不要说懂得原子弹的理论设计和制造了。他深知落在这些科学家肩上的是怎样沉重的担子，他寄希望于科学家们担起这副历史的重担，挑起中国的强盛和未来。
周恩来对彭桓武说：“这一次，调你去研制原子弹，可是一项政治任啊！”
这句话，彭桓武记了一辈子。
不久，陈毅、彭德怀、彭真等同志到核武器研究所看望科研工作人员，当得知彭桓武他们三天里改变研究方向，到新的研究所报到后，感动得元帅们紧紧地和他们握手。
陈毅元帅高兴地说：“有你们科学家撑腰，把原子弹造出来，我这个外交部长也好当了！中国要不被人欺负，非要有自己的核武器不行！”
“逼上梁山，我们自己干吧，靠别人靠不住，也靠不起。党中央寄希望于中国自己的专家。”——聂荣臻元帅在苏联撤走专家后，曾激愤地对二机部的科学家们说。
研究制造中国第一颗原子弹的任落在了彭桓武、王淦昌、郭永怀、朱光亚等科学家身上。在这支光荣的队伍里，还有程开甲、邓稼先、陈能宽、周光召、黄祖洽、于敏、龙文光、杨承宗、王承书、周毓麟等一大批优秀的专家和技术骨干。
一颗颗璀灿的明星从他们过去的灿烂天空里消失。他们被民族的声音召集在一起，为了一个理想，组合成一个更加辉煌、无比夺目的星团。他们隐姓埋名，默默地为民族的事业奋斗、奉献，把智慧之光、理想之光和一腔热血都奉献给了那个崇高而神圣的目标，那个为人类和平、祖国强盛而托举起太阳的壮丽事业。
当中国的原子弹、氢弹爆炸成功后，许多不知内情的人们往往被好奇心诱使，而去追踪寻找中国的“原子弹之父”、“氢弹之父”其实，中国的核事业是民族的事业、集体的事业。它每一次微小的进步和成功，都凝聚着成千上万人奋斗和创造的血汗，凝聚着千万人的智慧和劳动。核事业的辉煌与光荣不属于哪一个人，而是属于每一个人，属于每一个在这条战线上埋头苦干、默默奉献的无名英雄。
1971年的春天，在我国第一艘核潜艇下水典礼上，一位年轻的记者，手捧鲜花却不知献给谁好。记者本来想把花献给研制核潜艇的功臣，可当他得知成千上万的人为核潜艇默默奋斗了十几年，才有了今天的成功后，他泪流满面地感叹道：“这是集体的成功，我把花献给这个集体！”
突破
京城北郊，一片乱坟的旁边，矗立着一幢灰楼和几栋红色的建筑。这里，几乎与古元大都的古城垣接壤。这里，就是核科学家的神庙——核武器研究所，后改称核武器研究院。
报到后，所里为彭桓武、王淦昌、郭永怀每人分配了一名学术秘书。一天，彭桓武的秘书李德元4艮委屈地找到所长李觉，说：“彭副所长不要我。”原来，当了十几年“官”的彭桓武仍然不习惯听汇报，只要他负责的工作，他必与组里成员直接见面。就这样，李德元来报到，他就解放了他，让他回原来的组里继任小组长。
由于任何国家都视原子弹为尖端机密，严格封锁消息，所以一切有关核武器的重要物理现象、规律及计算方法，都要依靠自己来摸索。在没有任何资料、没有条件进行实验、无法取得理论设计所需参数的情况下，彭桓武、邓稼先他们想尽一切办法从公开的、半公开的及和平利用原子能方面的材料中收集、递选，推算。
邓稼先，理论设计研究室主任。他可算是彭桓武手下第一位大将。为了査资料，他带领着研究室的同志跑遍北京市的图书馆。饿了，啃几口干馒头；渴了，喝杯凉开水。中午，他们赖在图书馆里，让管理员把他们反锁在里面；晚上赖不过，他们出示证件，用车拉回资料，连夜继续査。
一堆堆外文报刊和书籍被他们借出又送回。一天，图书馆老管理员犯疑了，问邓稼先：看这么多书，你是干什么工作的？
邓稼先支支吾吾，不能说清。在长者疑惑之际，他头歪在桌上睡着了。
一天晚上，他骑车驮着资料回研究所，因太劳累疲倦，快到坟地时支持不住，连人带车扎进坟地，竟在那里睡了一会儿。醒来，却以为还坐在图书馆里，惊问：“咋搞的，停电了？”
在彭桓武倡导下，理论设计研究室每星期一上午开一次专题讨论会。突发奇想、疑义难题被提出来、排排队，大家共探索、同解决。卓有成就的着名科学家和初出校门的后辈济济一堂，畅所欲言，各抒己见。这里没有年龄与资历的界限，只有对科学真理的平等探讨。会议室的黑板，是大伙儿集思走笔的场所。一个个公式写上去又被擦掉，一个个计算结果得出来又被否定。大家提出问题，答辩论证，实行科学民主，谁的对就听谁的。
所有的人被动员起来，所有的力量都积极加入进来。这些平日里文质彬彬的专家、学者和大学生，为了一个方案、一个公式、一个数据而展开讨论，往往争得面红耳赤、情绪激动。
独到的见解、充足的论证，就是在这里的发言权和说服力。
彭桓武、郭永怀热情地在讨论会上各抒己见，在黑板上写下一个又一个计算公式，以他们深厚的基础理论启发着、活跃着年轻人的思路……
彭桓武从不以科学家自居，始终平等待人，实事求是地与年轻人研究问题，不懂就问。他特别器重和喜爱这些年轻人，深知他们为计算每一个参数所付出的努力。在年轻人对某些问题考虑不周时，他毫不客气提出自己的看法。他把一大串公式写满了小黑板，从不同的侧面启发年轻人的思路。他热情鼓励他们大胆提出问题，从不同的意见中发现每一点有价值的东西。
除了正式讨论会，彭桓武还总去各办公室串门，随时了解大家的想法。他的办公室也是集思广益的场所。为了解决一个又一个疑义难题，他冥思苦想后，又不断找人聊；谁有什么想法闪念，也随时去找他。
多少次，为了论证一个问题，大家争论得口干舌燥，互不相让；多少次，在计算、验证后又“共弃前嫌”，精诚合作。
民主、自由的学术探讨，使每个人的聪明才智都在切磋、辨析、诘难中得到激发，每一个在争论中诞生的假想、猜测又在扬弃、修正、补充中经受检验，灵感的不断被激发，预示着一个伟大工程的蓝图正不断被完善、被描画，并即将诞生在不远的将来。
大量的分析和计算之后，从纷纭的数据之中，一个个在当时文献和资料上找不到的公式终于被列了出来，一个繁复的联立非线性偏方程组由这些天才而勤奋的探索者创造了出来。
可是，在当时的条件下，这个方程组几乎不可解！
中科院唯一的万次计算机一星期只给他们用一天，大量的计算工作只有靠一架产自德国的手摇计算机，每秒10次。苏联的“乌拉尔”先进一些，叫电动计算器，不过每秒100次，算一个除法要分好几步，若算开方，还要査巴罗表。
彭桓武运用他强有力的理论手段把复杂的方程组予以简化，完成了原子弹反应过程的粗估计算，科学地划分了反应过程的各个阶段，提出了决定各反应过程特性的主要物理量，为掌握原子弹反应的基本规律与物理图像起了重要的作用0彭桓武称这种“粗估”简化的方式为“穷人的办法”
殊不知，彭桓武在找出起主要作用的那些关联时，所运用的“形象思维”用心算对数量级进行的“粗估”方法，恰恰是一个理论物理学家成熟的水平的标志。正是由于他巧妙的化繁为简，机器上做不了的计算，也能靠粗估把握大方向，及时检验计算的正误，从而在计算上才能赶上时间，理论才没有辜负作为“龙头”的使命，才能为千军万马斩关夺隘开辟通途。