1966年12月10日左右，核武器研製基地報告，首次熱核試驗用的熱核裝置有一個部件加工時出了一些質量問題，但不嚴重。當周恩來得知這一情況後，立即派劉傑乘專機前往處理。當劉對乘專機有些猶豫時，周恩來嚴肅地說：“飛機就是為了檢查工作用的，你們就是要利用飛機爭取時間。”
劉傑飛到核武器基地，實地觀察加工好的部件，發現那不過是用放大鏡才能看見的擦痕，經和科研人員研究，認為這不能算是一個質量事故，已加工出的部件可用，不會對爆炸試驗產生影響。這樣，周恩來才放了心，才批準按新設計方案研製的氫彈於1966年12月28日12時試驗。試驗結果表明，氫彈研製的關鍵理論和技術問題都獲得了解決。
這時候，周恩來已經被“文化大革命”的動亂嚴重幹擾，身心疲憊。但得知氫彈原理性試驗成功的消息後，他當即把劉傑等幾個人召集到西花廳，聽取彙報，慶賀試驗成功。他還特地為劉傑等人準備了晚餐，並且備了酒。這時，二機部的造反派來到離西花廳隻有一牆之隔的中南海西北門外，揚言要打倒劉傑等人，並把矛頭指向周恩來。周恩來聞訊後坦然表示，他們反對我，我引為光榮。隨後，他念起毛澤東《水調歌頭·遊泳》中的兩句詞，“不管風吹浪打，勝似閑庭信步”，提醒和勉勵劉傑等人要經受得起眼下政治風浪的考驗。接著他舉起酒杯，風趣地說：“今夜得寬餘，喝酒吧！”
這次試驗，無論從原理、結構，還是從達到的比威力和聚變比等指標看，就是一次氫彈地麵試驗。因此，半年之後，即1967年6月17日，我國便成功地進行了一次300萬噸級的空投氫彈試驗。
這次氫彈爆炸試驗成功，提前實現了毛澤東1958年作出的“搞一點原子彈、氫彈，我看有10年工夫完全可能”的預言，提前實現了周恩來提出的1968年進行氫彈爆炸試驗的目標，實現了我國核武器研製工作的第二次突破，為係列導彈核武器的研製和裝備部隊奠定了基礎。
我國氫彈爆炸試驗成功，再一次震驚了世界。從第一顆原子彈試驗到氫彈試驗，其間不過兩年零八個月，與美、蘇、英、法比，速度是最快的，從達到的比威力等指標看，其技術水平也比美、蘇首次試驗的氫彈水平高。
三、兩彈結合試驗
1964年10月16日，第一顆原子彈爆炸成功以後，周恩來就及時提出，立即抓加強型原子彈和氫彈、導彈，特別提出“兩彈結合試驗”為下一步重點。中央批準了二機部發展原子能事業的長遠規劃和一些科研課題，如：重水、分子篩、科研和教學用的反應堆及核心設備的攻關等；周恩來還指示要加強二機部的政治思想工作和扶持二機部做好全麵安排，進一步明確了二機部一係列後方建設的重要政策，要求學習“薩爾圖”（即大慶）經驗。在做了上述全麵安排後，周恩來又決定把批準權下放給二機部，並指出不要什麼問題都拿到專委會上來，今後國防科委、國防工辦要分頭負責。