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1986年，南斯拉夫核电专家莱曼来到东海核电考察，质疑中国建造核电站的能力，钳工叶家明和采购员林天诚投入东海核电的全面整改建设之中。同年，叶家明和林天诚各自的儿子叶启辰和林奇相继出生。东海核电建设过程中，林天诚受小人丁犁所害，被上级误会贪污。事件澄清后，林天诚愤而辞职前往美国，将儿子林奇留给叶家抚养。成年后的叶启辰和林奇先后进入研究院工作，在此期间，中国核电技术不断取得新突破。2011年，中国完全自主核电技术CP1000通过审核，但受日本福岛核事故爆发影响，核电项目被全面叫停。彼时，已成为国外某重要核电设备制造厂商的林天诚也回到国内，成为CP1000最大的竞争对手。面对困境，林奇、叶启辰等第三代核工业人在磨砺中探索新路。
南斯拉夫核电专家莱曼一行受邀前往秦昌核电站考察，指出施工现场的重重问题，并提出对中国自主建设核电站能力的质疑，要求立即停止施工。林天诚心急如焚，不得已向叶家明求助，两人乘坐焊接工程师孟志远的小货车，在路上截停了回程途中的专家一行。叶家明大胆提出思考已久的整改思路，莱曼心生触动，表示会向相关政府部门如实汇报情况，并试着建议给予整改时间。核研院院长秦书远将叶家明、林天诚和孟志远叫到办公室询问事情原委，行政管理科科长丁犁在旁严厉指责三人的鲁莽行为。此时莱曼打来电话，请叶家明和他一起计算方案，秦昌核电站重新燃起希望。
叶家明、林天诚、孟志远不打不相识，成为“秦昌三剑客”，三家人之间的关系也日渐亲密。专家莱曼邀请秦昌核电派人去南斯拉夫核电厂学习，林天诚也在此列，这让妻子早逝的他难免担忧，自己出国了，儿子林奇怎么办？万般无奈下，林天诚硬着头皮找到叶家明，拜托陆云铮帮忙照顾小林奇。另一边，孟志远的妻子张岚决定抓住难得的机会前往美国进修医学，因孟志远常年忙于工作，照顾孟晓薇的任务同样被叶家明揽了过来，就这样，叶家明、陆云铮成了三个孩子的父母。经过半年的整改，秦昌核电站终于步入现代化建设阶段。莱曼专家团再次前来视察，对眼前的工地赞不绝口，表示秦昌核电站会成为一座符合国际标准的核电站。
孟志远长期身体不适，去医院检查后被确诊为肺源性心脏病晚期。陆云铮拿出家里所有存折，竭力要帮孟志远治病，可叶家明告诉她，医生诊断老孟最多只剩下一个月。孟志远为瞒着晓薇，只说自己要去很远的地方出差，晓薇信以为真。医院，叶家明陪在病床前，倍感沉痛。孟志远说未能见到中国完全自主研发建设的核电站建成，是自己这辈子最大的遗憾，叶家明听完如鲠在喉。长期支持引进并在核电业内颇有影响力的文教授听说岳长山正在搞自主堆芯研究，带着学生许济川来到零号点。许济川看着已经确定的177堆芯方案，表示自己更支持193。此时叶家明探病归来，眼见已经主攻的方向被更改，与许济川展开激烈争辩。为缓解争论，岳长山提议用数据说话，让各业务骨干一起投票表决。
张岚千里迢迢从美国赶回，眼见孟志远已虚弱至此，不禁百感交集。而叶家明面对老孟的遗愿、许济川的施压，为拿出177堆芯方案，更是不眠不休陷入偏执状态。零号点，新一轮的堆芯方案投票已经开始，支持193方案的远远超过半数，就在尘埃落定之时，叶家明匆忙赶到，他发现通过优化采购方案、替换进口设备后，可以大大增强177方案的经济性。在场科研人员就此热烈讨论起来，最终177堆芯方案以绝对优势胜出。作为惺惺相惜的对手，叶家明和许济川进行了深刻交谈，两人握手言和，决心为中国核电事业拼尽全力。
礼堂，孟晓薇期盼已久的歌唱比赛终于开幕，孟志远坐着轮椅姗姗来迟。正在众人为之动容的时刻，丁犁带领一帮安保人员闯入，宣布要立即调查林天诚和叶家明。林天诚积蓄已久的情绪终于爆发，他愤而说出了自己想要出走海外、离开秦昌的心声：曾经国外一次次的谈判，让他见识到国家科研实力不足，没有真正自主核电品牌的屈辱，他要转做销售，将国外的技术和产品以最经济的价格卖给中国。低落的氛围中，孟志远永远闭上了眼睛。林奇跟着父亲林天诚去往美国，孟晓薇跟随母亲张岚离开核电大院，曾经亲如一家的三个家庭，就这样四散天涯。
时光如梭，转眼到了2009年，长大后的林奇，已经成为秦昌核电站的一名运行人员。林奇在处理一起危机事故时被热工所的老顽童“钟大爷”一眼相中，然而刚刚通过操纵员通岗考试的他早已心有所属，立志成为一名操纵员。在秦昌核电站模拟机培训中心，林奇见到了阔别十三年、同样心怀操纵员梦想的孟晓薇，他自责于幼年的无心之举对晓薇造成的伤害，试图缓和两人关系，却无意中摔坏了孟志远留给孟晓薇的遗物“小黄金人”。叶启辰也正式从美国毕业，他特意申请了核研院总师助理的职位，跃跃欲试地想和父亲叶家明一起并肩作战。三人就这样各自重回秦昌。
重逢后的林奇一直备受孟晓薇的冷眼相待，为弥补自己的过失，林奇想尽一切办法讨孟晓薇开心，却收效甚微。叶启辰回国后的日子也并不如意，眼见期待已久的总设计师由自己的父亲叶家明变成了许济川，叶启辰很是不解。岳院长将其带至展览馆，向他讲述了叶家明的选择，叶启辰大为震撼，开始理解父亲的决定。叶启辰进入核研院成为许济川的助理。叶家明特意嘱咐许济川，叶启辰前二十几年的人生之路过于平顺，容易盲目自信，要许济川务必从基础工作开始好好锻炼他。许济川欣然应允，并给叶启辰布置了小组任务。叶启辰迅速独自完成了数据计算，却被许济川指出缺乏团队精神，顿时有些气馁。
林奇提议组建学习小组，让叶启辰来当老师，孟晓薇无奈答应。经过推心置腹的聊天，三人之间的芥蒂渐渐消除，林奇心底也愈发坚定，要照顾好晓薇和启辰两人。钟大功找到林奇，认定他绝对不是做操纵员的材料，邀请他进入核研院从事科研工作，林奇直接拒绝，表示自己一门心思只想成为操纵员，其他概不考虑。钟大功不肯认输，使尽浑身解数，林奇不胜其扰。钟大功只得搬来叶家明这个救兵，仍旧无果。然而，林奇在模拟机培训的表现却一而再再而三地印证着钟大功的判断，不走寻常路的他常因不按规程操作被教员李海麟训斥，而晓薇则总是优等生，让林奇欣赏不已。家属楼里，林奇、叶启辰、孟晓薇的三人学习小组正式组建，三人仿佛再次回到小时候一起生活的幸福时光。
叶启辰来到材料所，就自己的工作问题和父亲对质。叶家明苦口婆心劝说叶启辰要戒骄戒躁，经受磨练才能成长，叶启辰完全听不进去，与父亲大吵一架后离开。林奇和孟晓薇前往材料所探望叶家明，看到叶家明被气到高血压发作，不禁埋怨叶启辰不懂事。返程路上，孟晓薇被路边橱窗里的一把“非卖品”吉他吸引了注意力，一旁的林奇暗自记在了心里。叶启辰在酒吧借酒消愁，酩酊大醉之际，林奇赶来将他接回宿舍。次日，叶启辰向许济川申请调入堆内研究小组工作，许济川没有批准，反而提议叶启辰加入双层安全壳攻关小组，叶启辰心中更加迷茫了。
陆云铮耐心劝说叶家明，叶启辰在成长路上的障碍，有些时候只有作为父亲的叶家明能帮他迈过去。为了解开父子俩的心结，陆云铮特意叫上林奇与孟晓薇一起来家里包饺子，一家人终于圆圆满满聚到一起。陆云铮特意为叶家明叶启辰父子俩创造独处机会，叶启辰向父亲透露出自己想要辞职的念头，叶家明错愕不已。解决完工作问题，叶家明心怀愧疚来到启辰的办公楼下，父子俩有了一次推心置腹的长谈。叶家明向叶启辰讲述了自己这么多年来的工作经历，自责因工作原因没有尽到一个做好父亲的责任，并鼓励启辰不要放弃自己的理想，父子俩之间的心结彻底解开。
操纵员考试日这天，孟晓薇正精神抖擞准备迎接考试，突然接到了魏依依的电话。魏依依装病博取同情，趁机偷走了孟晓薇装着考试证件的背包，故意阻挠她参加操纵员考试。孟晓薇施计找到了魏依依，并耐心开导这个叛逆的妹妹，劝她放下心中仇怨，过好属于自己的人生。魏依依被孟晓薇的真诚打动。眼看考试开始，孟晓薇迟迟未出现，林奇急得在考场门口直打转。就在考试开始前的最后一分钟，孟晓薇终于赶到考场，却阴差阳错地与林奇分到了同一组。考试正式开始，林奇因不服从身为值长的孟晓薇的命令，思维过于跳跃，最终惨遭淘汰，孟晓薇则顺利通过了考核。
叶启辰心中不安，他将林奇喊出来询问双层安全壳泄密的事情，质问是不是林奇不小心透露给了AG集团的人。林奇被最好的兄弟质疑，愤怒到了极点，激烈争吵后与叶启辰分道扬镳。林奇决心要证明自己也能做出惊天动地的大事，他找到钟大功，主动申请加入蒸汽发生器研究团队。钟大爷终于如愿以偿，成功将林奇招致麾下。林奇临走前，将孟晓薇心念已久的那把吉他买下来送给了她，未来得及告别，林奇便默默离开了核研院，跟着钟大爷前往工作地点。
林奇收到了孟晓薇发来的视频，但由于油田太过于偏僻，没有信号，视频迟迟无法打开。林奇急于看视频内容，趁夜偷偷溜走，结果撞到巡逻的钟大爷，只得悻悻而归。林奇三番五次想半夜溜出营地，都被钟大功拦下，大家都暗自以为林奇是因为吃不了苦才临阵脱逃。趁着大家熟睡的空档，林奇以白菜作饵，偷偷从大鹅“白大气”的眼皮子底下溜走。钟大爷发现林奇不见后焦急万分，忙叫醒攻关小组的所有人一起出动寻找，并向警察寻求帮助。老警察不费吹灰之力便找到了林奇，将其痛骂一顿，但听闻林奇的真正目的，还是将其带到一个有信号的地方。
油田给蒸汽发生器攻关小组提供蒸汽的时间缩短，钟大爷召集大家开党小组会。林奇自告奋勇要参加，却被大家排除在外。接林奇的车很快到来，林奇的出逃彻底伤了钟大爷的心，被严厉“遣返”。回程的货车里，林奇打电话向叶爸求助，叶家明指出钟大爷之所以失望，是因为他们这一代在面对事业时考虑的永远是国家，而林奇却只想到了自己。林奇厚着脸皮回到油田，当着钟大爷的面当场认错，表现出立志将核电事业干到底的决心，钟大爷最终允许他归队。
为了弄清循环水泵轴承震动的问题，孟晓薇给继父魏强国打电话咨询。魏国强第一次接到大女儿主动打来的电话，发自内心的高兴。经过反复查证，孟晓薇最终认定循环水泵确实有异常，她将自己研究多日的论证报告交给武江汉，武江汉立即向维修处机械科求证。机械科的维修人员反馈主控水泵没有问题，孟晓薇仍然坚持自己的观点。武江汉同意了孟晓薇的结论，下达为期一个月的测振指令。许济川派叶启辰去工程公司请专家袁满，让施工方提前介入设计，通过协同配合加快双层安全壳的研发进度。不料袁满表示工作太忙分身乏术，许诺将指派自己最好的徒弟前去支援。在袁满的指引下，叶启辰终于见到了袁满口中最满意的徒弟斯琴。
为缓和父子俩的关系，张广虎特地将林奇喊来陪林天诚。当年林奇和林天诚断绝关系选择回国，到如今和热工所的人在油田一起工作、一起奋斗，虽然风餐露宿，吃冷饭、睡集装箱、“钻蒸笼”，但在林奇眼里，钟大爷这群人所做的事，比林天诚所谓的成功更有意义、更有价值。林天诚听闻儿子的心声，难过但也颇感欣慰。叶启辰不出意外地输了卡丁车比赛，无奈转而去找叶家明寻求帮助。叶家明告诉启辰，不擅长社交的人，需要避开所谓的社交，用自己的真诚去打动别人。经过反复仔细地巡检，工作人员果然发现主泵里有一片泵叶腐蚀严重，幸好孟晓薇发现振动异样，及时查清了故障原因，如若主泵真的出现问题，后果将不堪设想。
武江汉的严厉让孟晓薇压力倍增，她不明白师父为什么如此排斥自己，只得加倍努力想要获得肯定。李海麟无意中透露，其实孟晓薇并不是武值长带的第一位女操纵员。在孟晓薇的追问下，武江汉袒露自己之所以对孟晓薇如此严苛，是因为曾经竭尽全力培养的一名女操纵员由于未能抗住压力离开行业，他其实是想让晓薇能在淬炼中加速成长，晓薇深以为然。
林奇赶在最后一刻将热工所的数据转交到钟大功手中，众人怀着激动又忐忑的心情，迎来专家评审。 蒸汽发生器进入制造阶段，钟大功将林奇派往制造厂，参与解决不符合项的问题。项目顺利推进，林奇也终于请到假，和想念已久的孟晓薇重聚。然而就在他准备表白之时，却看到福岛核电站发生重大事故的新闻，两人匆匆忙忙再次回到各自岗位……玉融核电站二期工程收到暂时停工的命令，众人皆忧心忡忡，果然，不久后中央便下达了重要通知：暂停国内所有核电项目审批；暂停所有新建核电站、重新评估。这给刚刚充满斗志的科研人员造成了重大打击，为什么建设属于中国自主百万千瓦级核电站的这条路，实现起来如此艰难！
北京。秦院长赶来参加核电规划会议，却对复工一事只字未提，秦院长安慰众人，核安全与核能发展一荣俱荣，一损俱损，要相信国家一定会给一个明确的方向。会后，许济川得知母亲意外走失的消息，心急如焚，好在叶启辰帮忙找到，有惊无险。心绪难宁之时，秦院长受组织委托找到许济川，前来宣布一条对许济川的任命消息，国家要展开全国民用核设施综合安全检查，核安全局、能源局、地震局要组建一个核电安全整改专项检查小组，需要许济川担任组长，将他调回北京。为了中国核电的未来，许济川强忍着不甘心接受了调令，交出CP1000总师的接力棒。
茹静和林天诚此时早已回国。她单独带林奇参观AG公司中国分部的办公大楼，并邀请他加入AG公司，林奇当即拒绝。林奇赴约茹静组织的接风宴，见到了父亲林天诚，以及茹静口中的重要商业伙伴丁犁，和文教授的儿子文世贤。林奇满腹疑惑，难道这就是林天诚一直以来信奉的“商业手段”？看着宴会上的父亲为了讨好丁犁和文世贤不惜自扮小丑，林奇心里五味杂陈。
