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在20世纪，科学技术获得了突飞猛进的发展，实现了从个体研究、小规模集体研究到大规模集体研究的转变，实现了由“小科学”到“大科学”时代的转变。中国“两弹”工程是在“大科学”背景下诞生的重大国防科技工程，这一工程参加人员之多与涉及领域之广，皆史无前例。这么庞大的工程能在当时取得成功本身就是一个耐人寻味的事情。而这项工程最让人，尤其是让外国人难以置信的是其进展之快。直到现在，很多人仍热衷于研究其成功的原因所在。
李政道指出：“中国‘两弹’技术之所以能够迅速发展，从大的方面讲是因为国家最高层的果断决策，强有力的组织领导，是因为全国人力资源、物质资源的集中使用和大力协作，而最直接的原因是组织了一支很了不起的科学家团队，是他们完成了‘两弹’科学技术的攻关。”
这个杰出团队几乎包含了中国当时所有的核物理学家，如钱三强、朱光亚、王淦昌、彭桓武、邓稼先、周光召、于敏等一批中国当代最耀眼的科技明星，而他们中的领军人物正是钱三强。
上面列举的每一个人都堪称科技帅才，而钱三强身为二机部副部长兼中科院副秘书长，承担着各有关技术协作项目的具体组织领导工作，无疑可冠之为“众帅之帅”。作为科学技术的前沿领域，国防科学技术的大科学特性更显突出。大科学时代的国防科学技术的发展不但需要一流的科学家、工程师、技术人员，更需要具有组织管理才能的“科技帅才”。“所谓科技帅才，是指那些在科学技术领域内有很深的学术造诣和广博的学识，取得过重要的成就，通晓有关科学领域的研究、发展和试验工作，并具有杰出的科学组织管理才干的优秀科学家。”
苏联撤出援助专家以后，中央加大了研制原子弹工作的力度。特别是1960年中共中央批准从全国各部门、省市选调一批高中级科技干部加强核武器的研制工作，中国科学院调动了全院超过四分之一的精锐力量和设备从事有关原子能的各项工作。根据科学院和二机部党组的安排，钱三强负责组织部院重大任务的协作。
1961年7月，中共中央发出了《关于加强原子能工业建设若干问题的决定》，1962年成立了中央专门委员会加强对原子能事业的领导。毛泽东也批示：“要大力协同，做好这件事。”
在这一史无前例的大协作中，钱三强更是如鱼得水，充分展示了自己作为科技帅才的领导和组织才能。这与他自身丰富的学术经历息息相关。
“在建设原子能的过程中，三强同志重点注意了学科的纵深配置。他本人是研究核物理的，又多次去苏联参观考察，对原子能事业所需学科的了解，当时国内数他第一。”
他除了继续致力于原子能所的学科建设，还调整所内科技力量为二机部的一线任务服务。为解决当时正在建设的气体扩散工厂首批六氟化铀供料，他组织了生产工艺攻关，为扩散机的核心元件分离膜安排了预研。他在原来院内已为原子弹和核潜艇的研制布好点的基础上，又安排了一批为氢弹设计所需的理论和实验课题，还安排了核武器所需的轻重核材料制备的工艺研究，以及为核工业服务的辐射防护研究等。
在原子弹研制的每一个重要关头，钱三强严密组织、精心布置、协调有方，排除了“两弹”研制中遇到的一个个拦路虎。中国核武器发展速度之所以如此之快，与钱三强的组织严密、协调有方有很大的关系。如他在核武器研究所攻克原子弹理论的同时，本着做些预期准备，先行一步的考虑，在原子能研究所组织黄祖洽、于敏、何祚庥等一批理论物理学家成立了一个轻核反应装置理论探索组，以配合二机部核武器研究所开始对热核材料性能和热核反应机理进行探索性研究。
如果说，中国的核物理研究这项事业在规划上有什么特色的话，从一开始，就从布局上抓了理论物理，这应该是引人注目的一着棋，是中国发展原子核科学的一大特色。
诚然，如果把原子弹比作一条龙，那么原子弹的理论设计就是龙头。一位实验物理学家，如此重视理论研究，是难能可贵的。但是，这还只说到了一点，钱三强考虑到理论与实验结合的必要性，在成立了轻核理论组后即在原子能所又成立了一个轻核反应实验组，以轻核反应数据的精确测量来配合和支持轻核理论组的工作。这就更让我们不能不佩服他的远见卓识了。
钱三强除了在宏观布局上令人拍案称奇，在对具体攻关项目轻重缓急的把握上亦有很多高明独到之处。被王淦昌视为原子弹研制过程中最关键的点火装置，就是钱三强组织王方定及其研究小组研制成功的。
1961年，钱三强把年轻的王方定工程师请到自己的办公室，交代他制备强中子源为原子弹点火做准备，并将自己从法国带回的放射性废渣原料交给了王方定。在物理学家何泽慧的指导下，王方定小组的青年科技人员不负众望，经过几个月的奋战，进行了两百多次实验，终于解决了点火装置。原子弹另一个与点火装置同样重要的是扩散分离膜，它被视为整个原子弹原料（铀-235）生产中最机密的部分。而这一研究任务的完成更是凝结了钱三强无数的心血。
1960年8月，在中国科学院等有关部门的大力支持下，根据二机部领导成员的分工，钱三强在北京约见了上海冶金研究所党委书记郑万钧、粉末冶金学家金大康和金属材料学家邹世昌，亲自下达了研制“甲种分离膜”（代号为“填空阀门”）的任务。接着，他让原子能所负责该项目任务科技攻关小组的钱皋韵等一起介绍和分析有关分离膜元件的具体技术要求。同时，该项目任务也分别亲自布置给了复旦大学和沈阳金属研究所。
以后，钱三强一直密切关注这一关键性环节的研制，并多次主持召开协调会，交流情况，解决问题。如1961年11月，他同中国科学院副院长裴丽生在上海衡山宾馆主持会议，检查落实“分离膜”的研制任务。根据有关方面提出的问题，会后即向上海市委书记柯庆施通报了情况，要求上海市负责组织协调，大力协同攻关，使工作得以顺利进行。1963年秋，在物理冶金学家吴自良的主持下，经过艰苦探索和反复试验，甲种分离膜终于研制成功。我国成为继美、苏、法以后第四个解决了扩散分离膜制造的国家。
我们认真回顾“甲种膜”的研制过程可以发现，钱三强不但出了题目，而且自始至终领导关心这一课题的研制进程。对于这一点，张劲夫1999年5月的回忆文章在讲到“真空阀门”研究任务时写道：“所幸的是，这些我们早就有准备了，（真空阀门——笔者注）是钱三强出的题目，出题目很重要。”
尽管钱三强因从事核工业发展的高层组织领导工作，而没能直接主持或参与中国第一颗原子弹的研制工作，但是，他在中国研发核武器中的重要组织领导作用是不容忽视的。原子弹工程是一个需要各方面大力协同的系统工程，任何一个环节都是系统整体的有机组成部分，因此对全局的组织协调和有效领导十分关键。
“作为原子弹工程的技术总负责人，他把中央的意图与科学家们的专长联系在一起，适时为中央决策推荐最恰当的科学家去担当重任。可以说，正是钱三强出色的学术组织工作加速了中国第一颗原子弹的成功爆炸。”