上世紀七十年代初，中國首座核潛艇陸上模式堆徹底實現核能發電，全國邁向改革開放和社會主義建設新時期，當面對電力能源緊缺的困境下，黨中央以及國務院發布民用核電的戰略決策。
一九八五年，中國建造第一座核電站，次年四月，切爾諾貝利核電站爆炸，也是核電時代有史以來的最大事故。由于我國核電發展起步晚，經驗少，這件事給核工業研究院敲響警鐘，立刻安排專家學者進行訪華交流。
南斯拉夫核電專家萊曼受邀考察當天，研究院組織領導團出面接待。科長丁梨向工人們科普核輻射危害，與其說是科普，更像是制造恐慌，葉家明實在聽不下去，親自解釋秦昌核電站與切爾諾貝利之間的區別，有理有據令丁梨無法反駁。
然而施工現場存在安全隱患，葉家明專門整理成報告，委托采購員林天誠交給所長岳長山。林天誠對葉家明了解甚少，只知道他是研究院里一名普通的資料管理員，難免會有些輕視，態度更是敷衍，更別提幫忙轉交報告。
反觀岳長山不慌不忙地繼續工作，完全沒有重視外國專家的來訪，篤定外國專家不會認可他們的技術，這場見面毫無意義。但是院長秦書遠點名岳長山必須陪同，足以說明萊曼有多么重要，林天誠費盡口舌，好不容易才把岳長山說服。
葉家明人微言輕，吃了閉門羹，心情低落地回到資料室。薛館長安慰葉家明不必太難過，這種情況經常發生，多經歷幾次也就釋懷，當務之急還是要好好照顧待產的妻子，并且提出要給他們夫妻安排住處。
通往核電站的道路崎嶇顛簸，大巴車行駛緩慢，萊曼看到這么差的基礎建設，顧慮修建核電站的物資難以供應。果不其然，萊曼來到施工現場，立馬指出各種問題，臉色越來越難看，顯然是對這里非常不滿意。
林天誠還想要爭取向萊曼介紹核電站的優勢，奈何被對方拒絕，萊曼表示自己會用眼睛觀察。此時萊曼發現工人往混凝土澆水，急忙上前制止，強調核彈與核電完全兩回事，核電需要保證安全使用年限，這種錯誤操作會導致混凝土之間出現裂紋。
隨后萊曼召集大家開會商討，對于他們自主建設核電站的能力產生質疑，繼而要求立刻停止施工。眾人聞言議論紛紛，岳長山更是難以接受，萊曼鄭重其事說明目前情況較為嚴重，倘若不盡快停止施工，勢必會重蹈覆轍，變成第二個切爾諾貝利。
眼看著萊曼等人就要坐車離開，林天誠心急如焚，情急之下找葉家明幫忙，興許還有點希望。葉家明毫不猶豫地跑回家里取算盤，帶著林天誠乘坐孟志遠的小貨車，一路狂奔截停外國專家的大巴車。
葉家明承認萊曼指出的問題，又在原有問題上進行補充，更是得到萊曼的欣賞，最終答應給他們時間進行整改。如此一來，葉家明也拿出算盤交給萊曼，講述父親葉華和萊曼的同窗經歷，萊曼恍然大悟，激動地擁抱葉家明，毫不吝嗇對于葉華的贊美，希望葉家明能夠子承父志，通過自己的努力改變世界。
研究院聽聞葉家明等人私自攔車的行為，便把他們三人喊到辦公室詢問原委，丁梨在旁邊嚴厲指責，煽風點火，建議岳長山應該重罰。還未等岳長山開口，萊曼突然打來電話要見葉家明計算方案，秦昌核電站重新燃起希望。
當天晚上，妻子陸云箏送往產房，又遇到停電事故。葉家明守在產房外面，大聲朗誦著陸云箏最喜愛的詩歌，直至嬰兒啼哭聲傳來。一瞬間，整座醫院燈火通明，初為人父的葉家明靠著產房門喜極而泣。
整改動員大會結束后，葉家明和林天誠、孟志遠被懲罰打掃禮堂，林天誠有些不滿，坐在椅子上各種抱怨，反倒是孟志遠和葉家明認真干活，尤其孟志遠還想和葉家明結成親家。岳長山看過葉家明的報告，對其才華及能力非常欣賞，推薦他參加內部轉崗考試，屆時通過考試給自己當得力助手。
當天夜里，孟志遠滿身酒氣回到家，惹得媳婦張嵐不滿，她早已厭倦這種生活。孟志遠忍不住反駁張嵐，覺得她結婚后性情大變，張嵐更是怒火中燒，尤其看到他還想抽煙，斥責他從不在乎自己的身體。
葉家明親自接妻兒回家，岳長山拎著魚來探望，順便提出要帶葉家明參觀核電站整改小組。陸云箏自然希望丈夫能在研究院工作，爽快代替葉家明答應下來。葉家明來到研究所看著大家忙碌的身影，以及桌子上堆滿的圖紙，這樣的工作令他非常向往。
由于萊曼愿意舉薦秦昌技術人員交流經驗，所以秦院長首先想到資歷較老的林天誠，希望他能帶隊前往南斯拉夫核電廠學習。雖然林天誠非常珍惜這個寶貴機會，可是他要與兒子林奇分開三個月，萬般無奈之下，只好硬著頭皮去找葉家明，希望把兒子寄養在他家。
如今張嵐厭煩孟志遠對家庭的態度，越發堅定要出國進修醫學的決心，臨走時將女兒孟曉薇托付給陸云箏，連夜收拾東西離開。隔天清早，林天誠把林奇送到葉家，強忍著不舍揚長而去。如此一來，陸云箏需要照顧三個孩子，但是她沒有任何怨言。
之后的日子里，葉家明順利通過考試，又以優異表現獲得領導贊賞。秦昌核電站經過整改后，正式步入現代化建設階段，萊曼帶領專家團二度考察，震驚他們居然在短短時間內進步飛速，并且得到國際原子能機構的認可。
林天誠結束學習回國，與孟志遠、葉家明聚在一起喝酒聊天，先是聊到各自的近況，其次是孩子未來的發展方向。孟志遠想讓女兒繼承衣缽，未來在核電產業工作，葉家明鼎力支持，唯有林天誠意見相反，覺得中國無論如何發展都沒辦法跟外國比較，因為外國工業體系完善，完全屬于碾壓式級別。
聽著林天誠滔滔不絕的夸贊，孟志遠和葉家明覺得不舒服，就算國家目前落后，也絕不應該是他崇洋媚外的理由。葉家明堅信秦昌核電站遲早會達到大家期望，只是需要時間改進，而他與林天誠觀點不合，到最后吵得不可開交。孟志遠帶著二人爬上山頂，眺望著遠處的核電站，沐浴在晨曦之中，忽然有些感動，他們因此一笑泯恩仇，結拜秦昌三劍客，發誓要讓中國的核電站舉世聞名。
隨著《多國協定》簽訂，中國被列入禁運國家之中，完全限制核電站接下來的發展。葉家明認為不應該坐以待斃，自主堆芯必須立刻提上日程，在得到岳長山的支持后，親自招募人才成立研究小組，其中包括他最看好的鐘大功。
秦昌核電站二期正在施工，由于目前波紋管不適用，林天誠找老同學幫忙，豈料遭到外國人的嘲諷。老同學已經是美籍華人，同樣覺得中國處于落后貧窮，林天誠想要拿到貨源，就得要學會點頭哈腰。林天誠對此嗤之以鼻，表示跪下來很容易，若是有些人給洋鬼子當了奴才，恐怕永遠站不起來。
因為多國協議從中搗鬼，國際上對賣給中國的設備全都收緊，就連林天誠通過美國工廠購買的核級安全閥都被當地海關扣押。葉家明得知此事趕忙給林天誠打電話，林天誠讓葉家明給自己三天時間，保證會處理好這件事情。
林天誠通宵達旦翻閱合同內容，終于看到有利條款，繼而帶著助手丁富貴飛往美國圣佛朗西斯科。美國人故意避之不見，林天誠未能與對方順利溝通，便將供貨商的本子交給丁富貴，叮囑他若是必要時去找那些供貨商談判，絕不能耽誤秦昌二期的進度。隨后林天誠逼問前臺知曉工廠老板的下落，獨自前去跟他們交涉，要求他們必須依照合同條款解決問題。
經過林天誠的不懈努力，總算是聯系到比較合適的源頭閥門工廠，而且價格合適且質量好，完全免去中間商的差價。這件事情得以解決，林天誠落下心頭大石，高高興興地帶著助手返回秦昌。
研究小組成立后，岳長山立馬召集大家開會，當場表態他們的目標就是要研發出屬于國家自己的百萬千瓦級別的核電站。此話一出，在場人抱有懷疑態度，畢竟當前秦昌二期最多六十萬瓦，若是想要自主研發百萬千瓦，實在是有些過于樂觀。
雖然話是沒錯，可岳長山希望大家對國家要有信心，眼光更要長遠，無論未來的十年、二十年乃至三十年，至少現在的努力遲早會得到成果，眼下的決斷也會涉及到下一代的核工業專家，一代又一代薪火相傳。
除此之外，岳長山提醒大家不要忘記本職工作，承擔起自主研發和秦昌二期的兩副擔子。吃完午飯后，黑板上寫滿密密麻麻且目前能夠想到的方案，每個人的觀點不同，葉家明直截了當點出“177”方案最為合適。
林奇和葉啟辰結伴去給葉家明送飯途中受傷，所幸沒有大礙，反倒在醫院遇見孟志遠。此時孟志遠坐在椅子上失魂落魄，葉家明通過檢查報告得知他被確診肺源性心臟病晚期。
陸云錚拿出家里所有存折，竭力要幫孟志遠治病，然而葉家明表示孟志遠就剩下一個月時間，已經沒有任何治療的意義。與此同時，孟志遠瞞著女兒曉薇，謊稱自己要去外地出差，孟曉薇信以為真。
隨后孟志遠住進醫院，葉家明陪在病床前，安慰他要保持好心態，說不定會發生奇跡。孟志遠感慨生前未能見到中國完全自主研發建設的核電站建成，是自己這輩子最大的遺憾，葉家明聽完如鯁在喉，背過身悲痛落淚。
長期支持引進核電技術，并且在行業內頗有影響力的文教授聽聞岳長山要搞自主堆芯研究，立馬帶著學生許濟川來到零號點參與交流。文教授與葉家明觀點相反，他認為國家落后是客觀存在的問題，應該把有限資源放在回報更快的地方。
文教授透露下個月就要在上海召開核電大型討論會，提醒他們盡快在一個月內拿出階段性的成果。也正因時間有些倉促，所以文教授安排許濟川過來配合堆芯的研究工作，與其說是配合，更像是領導他們。
雖然葉家明推崇177方案，但是許濟川更看好較為保守的193方案，畢竟在他眼里，所謂的自主知識產權遠沒有經濟適用重要。葉家明強烈反對，堅稱國家需要自主長遠，決不能任由外國卡脖子。
雙方各執一詞，展開激烈爭辯，到最后依舊辨不出個所以然。為緩解氣氛緊張，岳長山建議公平競爭，葉家明和許濟川拿出數據成品，屆時讓業務骨干們投票表決。
葉家明在機房通宵達旦，反觀許濟川信心滿滿，還表示自己和葉家明并非競爭對手。鐘大功看事情通透，深知總設計師就一位，必然從葉家明和許濟川之間選擇，也就不存在互相謙讓。
艾能能源集團女高管為上次違約的事情道歉，繼而說明來意，希望林天誠能夠加入艾能能源。林天誠篤定天上掉餡餅必定是陷阱，果斷回絕女高管的邀約，沒想到丁富貴居然瞞著他從中吃回扣。