1960年3月，由钱三强“点将”，经邓小平批准，程开甲被任命为核武器研究所的技术副所长。已经先期到达的另外两位技术副所长是核物理学家朱光亚和空气动力学家郭永怀。朱光亚是技术总负责，郭永怀和程开甲各自领导一方面开展科研工作。1961年4月，著名科学家王淦昌和彭桓武来了，也被任命为技术副所长。科学家们开始了研制原子弹的秘密历程。1962年，原子弹的关键问题有了突破。为了两年后的原子弹爆炸试验，经钱三强拍板，程开甲在西北核试验基地开始做准备。
当时，场区初建，生活条件极其艰苦，大家喝苦水，战寒风，靠打野兔会顿餐。不仅粮食不够吃，戈壁滩上水也珍贵，早晨的洗脸水留着下班洗手，晚上洗脚，澄清了再洗衣服。有时水紧张到几天不洗脸。
程开甲是核试验基地研究所的副所长，他的主要任务是保证原子弹试验取得成功，测得爆炸时的各项参数和试验产生的效应数据，工作起来经常废寝忘食。
有一次程开甲一门心思研究光辐射和力学冲击波的能量问题，当走出办公室，看到别人在休息，他生气地问：“你们为什么上班睡觉？”大家用惊讶的目光看着他，告诉他现在是午休时间。他这才意识到，自己连午饭还没吃呢。
工作在戈壁滩，他家里有一块小黑板，办公室里放着一块大黑板。他边思考边在小黑板上写下一个又一个技术方案和公式，计算出那些复杂的参数，解出一道又一道难题。由此，程开甲养成一个独特的习惯：在小黑板上演算大课题。这个习惯一直保持至今。
程开甲常说：“科学实验就得讲严谨，没有严谨就没有成功。”只要见过程开甲的人，都知道他的认真是出了名的。第一次核试验前，从原子弹爆心向各个测试点铺设电缆，程开甲提出要在电缆沟里垫细沙，以保证电缆本身和测试的安全。但在一次检查中，他发现细沙没有按要求去做，他立即要求施工人员返工。这时工程队的人不干了，因为已经铺了不少，光返工就得重拉几百车沙子铺上。但程开甲坚持说：“不这样就是不行！”问题很快反映到基地张蕴钰司令员那里，张司令果断拍板：“按程教授的意见办。”
第一颗原子弹采取何种方式爆炸？程开甲以渊博的学识和研究结果，大胆地否定了苏联专家的建议和原计划，提出用铁塔来实施，以后再采用空爆的方式。
1964年9月，在茫茫戈壁滩深处的罗布泊上竖起了一座102米高的铁塔，原子弹就安装在铁塔的顶部。程开甲信心十足地对张蕴钰司令员说：“我们没有理由会失败，一定爆响，一定成功！该想的都想了，该做的都做了。原子弹一定能响，不能不响！”
1964年10月16日15时，在惊天动地的巨响中，百米高塔上腾起蘑菇云。当时，在指挥所里身经百战的张爱萍将军激动地拿起电话报告说：“总理，我们成功了，原子弹爆炸成功了！”周恩来也很激动，但他用平静的语气问道：“你们能不能肯定这是核爆炸呢？”
大家的目光转向技术专家程开甲。他根据压力测量仪记录数据推算出核爆炸的巨大当量，肯定地说：“是核爆炸，没错！”
为了测试我国第一颗原子弹核爆炸的性质、当量等参数，当时布放了1 700台测量仪器。在原子弹的起爆瞬间，自动控制系统分秒不差地启动了全部测量仪器进行全程测试，记录数据准确、完整。正如程开甲所预料的那样，中国的原子弹试验成功，首战告捷。(www.xing528.com)
据世界上进行过核试验的国家资料记载，法国进行第一次核试验，测试仪器没有拿到任何数据，美国、英国、苏联也仅拿到了一部分数据。
地下核试验后，他不顾核辐射，勇敢地进入地下爆心测试室。根据毛泽东主席指示，“原子弹要有，氢弹也要快。”程开甲马上将主要精力转移到思考氢弹试验的有关技术问题上。氢弹试验的三个突出特点是当量大、爆点低、沾染重。首当其冲，就是安全问题。
程开甲昼思夜想，在小黑板上一遍遍地计算、思考难点，组织科技人员研讨，拿出了具体方案，并在氢弹原理试验前，组织人员进行了一次常规炸药的化爆模拟试验。他心里有了底。
1966年12月28日，中国第一次氢弹原理试验在罗布泊获得成功。大家举杯欢庆氢弹研制中的关键科学技术问题已获得解决，程开甲任务完成后也心情放松。他太累了，眼皮一下粘到了一起，和衣躺在床上睡着了。这一觉还没睡醒，一项新的试验任务——全当量空投氢弹到来了。为了准确地算出氢弹爆炸高度，程开甲开始计算爆高。在空爆试验中，他亲自抓安全和取样定当量，提出了两个首创性意见：一是火箭取样的新方法；二是改变投弹飞机飞行方向。
程开甲为安全把关赢得大家的信任，也得到了周总理的信任。有一次，周总理听取汇报氢弹空投试验的安全问题，周总理问：“飞机的安全是否有把握？”在场的一位空军副司令指着程开甲说：“这些数据是他计算的，他知道。”
周总理用询问的目光转向程开甲。“安全绝对没问题。”程开甲回答得很干脆。周总理很仔细地又问了几个问题，他一一对答如流，但就是方言太重。程开甲话音一落，总理突然又问一句：“程开甲同志你今年多大啦？”程开甲一愣，一时竟然没有答出来。
周总理笑笑把话岔开说：“程开甲同志，你要学说普通话呀，你那吴语人家听不懂啊！”
年老的程开甲忙着他的科学研究，说话语速也极快，且带有浓浓的江苏吴江口音。说起这些来，他遗憾道：“周总理交给我的科研任务，我都完成了，就是没学好普通话。”
程开甲早在1964年准备第一颗原子弹试验时，就前瞻性地开展地下核试验的准备工作，并坚持推动了向地下核试验方式的转变。之后，我国地下平洞方式的核试验和地下竖井方式的核试验接连获得圆满成功。
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