到九院工作后，邓稼先回到家里时说话明显减少了。家里原来在晚间有的那种欢乐的气氛渐渐地淡下去。朋友和亲戚们见面的机会少了，话更少了。原子弹研制工作的保密范围太大，做什么不能说，在哪里不能说，和谁在一起工作也不能说。他们在与人谈话中，除了一大块业务工作领地被圈起来之外，还有很多似乎不相干的事情也被圈起来。因为搞我们情报的人善于分析，他们能从我们毫不介意的细节中测推出许多重要情况。所以保密与非保密二者之间的事情，也只能先行回避为妙。这就将邓稼先他们与朋友交往时的话题划到了最小的限度。谈话本是心灵沟通，也是友情发展的一条渠道。这对邓稼先看重友情和活泼开朗的性格来讲，是一种严厉的约束。但是，邓稼先明白自己工作的价值和纪律的需要，他任凭这种工作纪律的严格要求来管住自己的个性，听任自己的性格朝着自己所不喜欢的孤独沉闷的方向变化。他甚至蒙受许多亲友的误解，不加辩护而能心安理得。他十分明白，没有误解就没有人生，被别人误解几乎是任何一个人终生的伴侣。达观一些吧！他时时叮嘱着自己。
从到二机部报到开始，邓稼先就感到了沉重的压力。这种“压力感”在过去的工作中也曾体验过。他的预感很准确。在他关于主攻方向的思想有相当积累的时候，1959年6月中苏关系彻底破裂，1959年7月，周恩来总理向宋任穷传达中央决策：“自己动手，从头摸起，准备用8年时间搞出原子弹。”邓稼先加快了步伐。当时要深入展开选择主攻方向的讨论，条件尚不很充分，在1959年那时候，王淦昌、彭桓武、郭永怀等高水平的科学家尚未调到九院来。因此，理论设计的主攻方向基本上靠邓稼先来琢磨。
邓稼先比前一阶段更加沉默了。他有时走神，晚上回到家里也是沉默寡言，妻子觉得他的眼神空落落的，似乎不在这个地球上。夜晚，他躺在床上，看上去是闭眼在睡觉了，但许鹿希知道他并没有睡着。他的身体躺在平软的床上，脑子里却在原子弹理论设计的黑茫茫的境界中摸索。有时晚上在家里谈起有趣的事，他又恢复了以往的爽朗，不禁开怀大笑，但有好几次笑声突然中断，工作中的问题把放松的心情给挤到一边去了。妻子感觉他的脑子似乎分成两半在同时活动，有时候这方面占上风，突然另一方面又占了上风。真正考虑科研的那一条思路是永远在工作着的。放松下来的不过是短暂的一瞬间。但是，着急的许鹿希帮不了他的忙，唯有以自己多多照看孩子和管理家务来使他少在别的地方费神。其实许鹿希本身的教学科研任务就很重，对此，她缄口不言。
一天，邓稼先感到了重大决策前的不安。他从小受父亲的影响，非常喜欢音乐。在工作紧张的时候，常常爱听田园交响曲，从中领略暴风雨过去之后幽静碧绿的美。他在欣赏进入高潮时，能全身心融入乐曲所展现在他心神里的美好境界。可是这一天他一改往日的习惯，晚饭后独自坐在晒台上，没有再听田园交响曲，而是去听贝多芬第五命运交响曲。他闭眼静静地听着这首以人类和命运抗争为主题的富有人生哲理内涵的曲子。这段日子里，与其说困难在折磨他，不如说是热切的爱国心和高度的责任感在折磨他。他需要给自己增添勇气和力量。
他静静地随着乐曲的旋律体验着，命运的恶魔压住了人生的光明。人类和命运搏斗，终于扼住了命运的喉咙——他就这样坐在那里直到日落星沉。他的努力没有白费。邓稼先终于选定了中子物理、流体力学和高温高压下的物质性质这三个方面作为主攻方向。邓稼先以此为我国原子弹理论设计工作做出了最重要的贡献，它是一座里程碑。
理论部年轻的科研人员就按照三个方向编为三个组。从1958年开始先后调来的近百名大学生，尽管他们都来自名牌大学，成绩优秀，但是其中很多人并不是学物理的，更不要说核物理了。因为在我国的大学中最早设置这一专业的是在1956年。所以在1958年和1959年，调来的学生所学专业很杂，学物理的有，学数学的有，学冶金的有，连学建筑、外文的也有。
在确定主攻方向、分别编组的前后，必须有一个入门补课阶段。起初，邓稼先亲自给他们讲课。课程内容实际上就是邓稼先本人在美国学的核物理方面的知识，大家听了邓稼先的讲课，感到通俗、清晰、透彻。有人说：“老邓讲课层层递进，听起来像淙淙泉水流淌，心里明亮极了。”后来，邓稼先组织他们读书。主要读的是柯朗写的《超音束流和冲击波》、戴维森写的《中子输运理论》、泽尔陀维奇写的《爆震原理》以及格拉斯顿写的《原子核反应堆理论纲要》。
当时的条件极差，这些书并不是人手一本，柯朗的《超音束流和冲击波》一书原本是英文的，当时他们手中只有一本钱三强教授带回来的俄文版本，找遍了北京的图书馆没有第二本。于是，他们的办法是手刻蜡版自己油印。读书的方法是大家读，大家讲，每一章节都有一个人做重点发言，等于是一个小教员。这种方式，非常类似尼尔斯·玻尔的风格。玻尔的工作习惯是边想边讲，进行没完没了的讨论，有的简直就是苏格拉底式的问答法。这群年轻人在讨论中也逐渐形成了一些新的物理思想，尽管他们的水平还不能和玻尔的交谈者如狄拉克、海森堡等相比。但是他们在邓稼先领导下用这种方式探索，同样收获极大。
中子输运组的同志找不到现成可用的材料，他们从各方面想办法。智者在情急的时候，经过短暂的停滞，常常可能突发奇想，解决难题。当时北京图书馆里有一些日内瓦和平利用原子能反应堆的普通外文资料。和平利用原子能就是普通的核电站一类的反应堆，这种普通的反应堆中也是中子链锁反应，因此叫作受控核反应。这种外文资料对研制原子弹是没有直接用处的。不过在见到这种材料的时候，中子组聪明的年轻人脑瓜一动，旋转了180度，他们去寻找那些出事故的材料。出事故就是中子的数量超临界，雪崩似的或是水泻似的大量涌出来，于是链锁反应便失去控制，产生爆炸。这种爆炸是低效能的爆炸，和原子弹爆炸的威力不可比拟。但是，邓稼先和他领导的青年人想到了不可比拟的只是威力，而不是原理，在不可比拟中包含着可比拟的东西。从这可比拟的材料里能够推导出中子输运的规律。这些奇妙的路，都是在重压之下寻找出来的。
邓稼先全面掌握着三个组，并且要分身参加各组的讨论，给予指导。此外，他还亲自领导高温高压下物质性质组。这一组开始有胡思得、李茂生、李志伟、倪馨福四个人，后来又加上张信威等人。邓稼先总是和他们一起工作到深夜。年轻人拉计算尺连眼睛都睁不开了，只要没有告一个小段落，工作往往就还要照样干下去。
从1960年开始，邓稼先领着这些年轻人分三个组突击，需要进行大量的计算。除此之外，他自己还要搞一些粗估。粗估是他们在当时条件下搞科研的一项重要方法，这须有较高的学术水平，要求物理概念特别清楚。它并不拘泥于具体的精确的数字，而是把各种条件综合起来，从理论上估计出一个数量的幅度。而一切工作的进程都必在其间。赛格雷在描写玻尔的特点时曾经说过：“玻尔喜爱模糊的轮廓，不是无缘无故的。我几乎可以说，他喜欢丹麦的雾。”每个科学家不仅有自己的个性特点，而且有自己的思维特点。邓稼先对自己用粗估办法来验证问题颇有信心，甚至也很得意。有一次，许鹿希问他，这种难题你没有去上过计算机怎么能否定别人的计算结果呢？他用手中铅笔的橡皮头轻轻敲着妻子的鼻子，顽皮地笑着说：“你懂什么？我在这张纸上粗估了一个范围，他们用机器算的不能超出这个框框。”
此后，他们的工作进入了一个齐头并进的繁忙期，一方面是推公式、搞粗估、求近似值，然后再深入一步；一方面是搞精确的计算。推公式是困难的，需要理论水平、深刻的洞察力和做学问的灵气。精确计算是枯燥而要求又极为严格的，同样需要在各方面有很高的水平。他们计算的是常人难以想象的大量数字，算完的纸带子和计算机的穿孔带子一扎扎一捆捆地放入麻包中，从地板堆到天花板，堆满了一屋子。这就是大伙儿日夜三班倒不停机的记录。而且他们当时的工具也太落后了，一般用的是手摇计算机，大小和西瓜差不多，算乘法正着摇，要是算除法，就往后倒着摇。此外，他们还常常靠拉计算尺。
最高级的一台计算机是每秒1万次的104机，要在分配给他们的那一段时间里到计算所去用。当时我国的计算机实在是太少了。尽管如此，他们还是用简陋的机子完成了需要的运算。许多年轻人说，推公式实在是让人绞尽脑汁，有时简直使人感到完全绝望了，但在苦苦思索或者是必要的停顿之后，往往柳暗花明又一村。有些公式年轻人在白天推不出来，晚上邓稼先回家，第二天早晨就拿出结果来了。其实，邓稼先回到家里后并没有休息，他心不在焉地吃了饭便上床躺着，常常是眼睁睁地仰望着天花板，在那里继续工作着。有的时候他的眼睛闭上了，但没有睡着，除了打鼾之外，他都是醒着的。他可以一支笔也不用，就凭着脑子里背下来的内容去推算公式。很奇怪，夜里躺在床上干巴巴地想，居然能有极高的工作效率。静悄悄的深夜，没有任何枝杈来干扰他的思路。于是，一个白天始终推不出来的难点，就靠着他双目时闭时开的思考给推出来了。
接下来便是一段鼾声大作的沉睡。第二天，“他来了精神，带着这个令人兴奋的消息，骑上自行车到办公室去向年轻的同事们报告结果。每逢遇到这样的早晨，他总会在路边停留下来，吃一块烤白薯或是什么别的东西。他很喜欢去品尝生活中的这种别致的乐趣。但是他们的工作并不是经常有这样愉快的进展，甚至要忍受反复失败或各种疑问的折磨，这些难熬的日子就像春寒一样，常常会降临到他们的头上。
1960年春天，工作中遇到了一个难题。他们需要获得一个制造原子弹中的关键参数。苏联专家以前曾经回答过他们的提问，随口告诉了一个数值。现在自己动手研制原子弹，必须准确无误，何况这是一个差之毫厘失之千里的关键数值。那么，苏联专家说的这个数字究竟对不对呢？对于苏联专家给的这个重要数值的计算，因结果总是与该值对不上而困难倍增。他们加进各种参数一次又一次地算下去。计算，几乎是每个人都干过的事情。从工程设计到做买卖，从操持家务到孩子玩耍，哪个里面没有计算呢？有许多计算是人们智慧的用武之地，聪明人可以在这块领地上一显身手，享受施展才能所带来的愉快。
但是在原子弹理论设计的计算中，常常把那些机灵的脑瓜塞挤得好比榆木疙瘩，使他们忍受枯燥的折磨而欲罢不能。因为他们每算一遍要有几万个网点，每个网点要算7-8个参数，每个参数要解五六个方程式，有时还需要进行替代。在20世纪60年代的计算机使用的打孔纸带子一麻包一麻包的从地面堆到房顶。不管再难、再枯燥，他们都必须把这个重要数值搞准确。否则，工作就无法继续下去。他们耐心忍受着这种疲倦和焦虑的煎熬。二机部宋任穷部长鼓励邓稼先他们说：“你们干得不错，没有被困难吓倒。”邓稼先和他们那群年轻人用理智来对待一切。从春天到夏天，又从夏天到秋天，从头到尾先后经过了9遍计算，最后经过验证，肯定了邓稼先他们所得出的数据。
着名数学家华罗庚教授曾把他们所计算的问题称作是：“集世界数学难题之大成。”邓稼先他们在攻关最初阶段的生活是活泼有趣的。年轻人为能够承担这样光荣的任务而不知疲倦。在他们心中，攻关不下的急切心情和攻下难关的喜悦心情相互交替着，什么枯燥和疲倦都不过是一掠而过的情绪和感觉。晚上加班是家常便饭，深夜几个青年人把邓稼先送回家，连人带自行车翻铁丝网而过。日夜连轴转使他们太疲倦了。有一次邓稼先讲完后问大家还有什么问题，接着自己便站在黑板前睡着了，当然，他只能打个盹，但论质量这一分钟的盹恐怕能赛过平常一小时。不过，无论怎样辛苦，他们心情都是愉快的。
只有一次，邓稼先产生一种较沉重的自责心情。那是有一天深夜回家，他看见自己5岁的女儿和3岁的儿子互相搂着和衣坐在房门外的楼梯上睡着了。妻子不在家，他把晚饭时给孩子开门的事忘记了。认真地说，这不是他的疏忽，而是更重要的事情把他的精力牵走了。在工作最紧张的时刻，不允许他分神。但在此时，邓稼先心中迅速涌上了一股深深的自责感。他把两个孩子抱进家门让他们舒服地睡在床上，而他自己似乎是刚刚醒来，不知道该做什么好。
邓稼先就这样顾不上身体、顾不上家庭，拼命工作了大约三个年头。于是时间对他们的勤奋给予了回报。他们的工作取得了相当大的进展。因为工作的需要，也是因为已经看到了希望。在我国原子弹研制工作看到希望的时候，领导及时调进来几位高水平的科学家和大批专业人员，为的就是在关键时刻加一把劲，尽快把工作推上去。那么，当时理论设计方面的希望在哪里？简而言之，就在于邓稼先他们已经大略勾出了我国第一颗原子弹的轮廓，换句话说，原子弹理论设计的框架已经摸索出来了，而且他们在中子物理、爆轰物理、流体力学和状态方程等方面也都有了比较深入的研究。所以李觉将军风趣地对邓稼先说：“我们现在调来一百零八条好汉，你准备一下，给大家做个报告。”
邓稼先开始做关于第一颗原子弹蓝图的报告。邓稼先说：我向尊敬的科学界老前辈和同志们汇报学习心得。但是这个报告的内容，实际上就是关于原子弹理论设计的框架和构想，最特别的地方是使用铀235做核材料，同时采用内爆方式。与其他四个核大国走了完全不同的途径。它是邓稼先和他领导的一批科研人员三年奋斗的结晶。仅从这个框架，内行人也可以明白没有外国人参与，完全是中国人自己摸索出来的结果，因为它和任何国家的第一颗原子弹都不一样。
一位物理学家评论邓稼先的报告说：“它具有极高的学术价值，可以说它已经描绘出原子弹的雏形，它在事实上宣布了我国核武器进入决战阶段。”除了着名的老一辈科学家以外，聂荣臻、陈毅、宋任穷、张爱萍等领导同志都听了这个报告。邓稼先和他带领的年轻人，以他们的智慧、勤奋和无私奉献的精神，经过三年的努力，终于叩开了原子弹理论设计的大门。
