自从和玛拉分手以后，刘允斌把全部身心倾注在工作上，有时晚上也不回南区宿舍，在试验室里加班，累了就和衣躺一会儿，醒来再继续工作，他就是用这种方法来化解自己的痛苦。

　　研究所里不少好心人很关心他的个人生活，组织上也为他着急，当时他才35岁，怎么能一个人过日子呢？后来一位好姑娘走进了他原已枯萎的心田。她是研究所的科研人员，叫李妙秀，也是从苏联回国的留学生，上海人。

　　当时刘允斌正着手研究核燃料问题。刘允斌所担负的工作就是要想方设法把钚239从反应堆烧过的废燃料中分离出来。

　　这项工作与原子弹的研制成败密切相关。研究室在刘允斌的带领下，经过上千次的试验终于在试验室里提取出钚239。

　　1962年8月，关键的钚分离工厂尚未设计，苏联就撤走全部专家，带走全部资料。周恩来总理指示要“自己动手，从头摸起”。中央决定在内蒙古建立一座核燃料工厂，这就是后来人们常说的包头202厂。

　　202厂初具规模以后，二机部刘伟部长调刘允斌到包头工作，原子能研究所的整个核燃料工艺室并入该厂，成为第二研究室，并把同位素分离课题组的全套人马全部调去。

　　刘允斌一到工厂，就立即成立第三研究室，根据研究需要，设立物理化学、工艺试验、理论计算、分析研究4个组。遗憾的是科研人员奇缺，刘允斌四处物色人才，从二机部系统的原子能研究所等单位要来一批科研人员，又从北大、清华等高校要来一批优秀毕业生，能调的就调，调不来的就借。李妙秀这时也来到包头，在三室担任分主任。当年二机部用人很严，对有海外关系、出身不好的人更是大忌。刘允斌大胆破格用人，把北大一位出身不好的优秀研究生从外地一个小单位要了回来。有人向他提出意见：“这个人出身不好。”刘允斌说：当年美国搞原子弹时许多科学家都不是美国人，是从纳粹德国和匈牙利等国请来的，他们甚至在希特勒直接指挥下工作过。事后证明，“出身”不好的这位同志工作非常出色。

　　1964年10月16日，中国第一颗原子弹爆炸成功。喜讯传到202厂，刘允斌不禁泪如雨下，长长地舒了一口气，十几年来，自己从莫斯科钢铁学院转学到莫斯科大学核化学系，并不惜抛妻别子回到祖国，不就是为了这一天吗？

　　紧接着中央又作出决定，号召尽快研制氢弹……