上世纪七十年代初，中国首座核潜艇陆上模式堆彻底实现核能发电，全国迈向改革开放和社会主义建设新时期，当面对电力能源紧缺的困境下，党中央以及国务院发布民用核电的战略决策。
一九八五年，中国建造第一座核电站，次年四月，切尔诺贝利核电站爆炸，也是核电时代有史以来的最大事故。由于我国核电发展起步晚，经验少，这件事给核工业研究院敲响警钟，立刻安排专家学者进行访华交流。
南斯拉夫核电专家莱曼受邀考察当天，研究院组织领导团出面接待。科长丁梨向工人们科普核辐射危害，与其说是科普，更像是制造恐慌，叶家明实在听不下去，亲自解释秦昌核电站与切尔诺贝利之间的区别，有理有据令丁梨无法反驳。
然而施工现场存在安全隐患，叶家明专门整理成报告，委托采购员林天诚交给所长岳长山。林天诚对叶家明了解甚少，只知道他是研究院里一名普通的资料管理员，难免会有些轻视，态度更是敷衍，更别提帮忙转交报告。
反观岳长山不慌不忙地继续工作，完全没有重视外国专家的来访，笃定外国专家不会认可他们的技术，这场见面毫无意义。但是院长秦书远点名岳长山必须陪同，足以说明莱曼有多么重要，林天诚费尽口舌，好不容易才把岳长山说服。
叶家明人微言轻，吃了闭门羹，心情低落地回到资料室。薛馆长安慰叶家明不必太难过，这种情况经常发生，多经历几次也就释怀，当务之急还是要好好照顾待产的妻子，并且提出要给他们夫妻安排住处。
通往核电站的道路崎岖颠簸，大巴车行驶缓慢，莱曼看到这么差的基础建设，顾虑修建核电站的物资难以供应。果不其然，莱曼来到施工现场，立马指出各种问题，脸色越来越难看，显然是对这里非常不满意。
林天诚还想要争取向莱曼介绍核电站的优势，奈何被对方拒绝，莱曼表示自己会用眼睛观察。此时莱曼发现工人往混凝土浇水，急忙上前制止，强调核弹与核电完全两回事，核电需要保证安全使用年限，这种错误操作会导致混凝土之间出现裂纹。
随后莱曼召集大家开会商讨，对于他们自主建设核电站的能力产生质疑，继而要求立刻停止施工。众人闻言议论纷纷，岳长山更是难以接受，莱曼郑重其事说明目前情况较为严重，倘若不尽快停止施工，势必会重蹈覆辙，变成第二个切尔诺贝利。
眼看着莱曼等人就要坐车离开，林天诚心急如焚，情急之下找叶家明帮忙，兴许还有点希望。叶家明毫不犹豫地跑回家里取算盘，带着林天诚乘坐孟志远的小货车，一路狂奔截停外国专家的大巴车。
叶家明承认莱曼指出的问题，又在原有问题上进行补充，更是得到莱曼的欣赏，最终答应给他们时间进行整改。如此一来，叶家明也拿出算盘交给莱曼，讲述父亲叶华和莱曼的同窗经历，莱曼恍然大悟，激动地拥抱叶家明，毫不吝啬对于叶华的赞美，希望叶家明能够子承父志，通过自己的努力改变世界。
研究院听闻叶家明等人私自拦车的行为，便把他们三人喊到办公室询问原委，丁梨在旁边严厉指责，煽风点火，建议岳长山应该重罚。还未等岳长山开口，莱曼突然打来电话要见叶家明计算方案，秦昌核电站重新燃起希望。
当天晚上，妻子陆云筝送往产房，又遇到停电事故。叶家明守在产房外面，大声朗诵着陆云筝最喜爱的诗歌，直至婴儿啼哭声传来。一瞬间，整座医院灯火通明，初为人父的叶家明靠着产房门喜极而泣。
整改动员大会结束后，叶家明和林天诚、孟志远被惩罚打扫礼堂，林天诚有些不满，坐在椅子上各种抱怨，反倒是孟志远和叶家明认真干活，尤其孟志远还想和叶家明结成亲家。岳长山看过叶家明的报告，对其才华及能力非常欣赏，推荐他参加内部转岗考试，届时通过考试给自己当得力助手。
当天夜里，孟志远满身酒气回到家，惹得媳妇张岚不满，她早已厌倦这种生活。孟志远忍不住反驳张岚，觉得她结婚后性情大变，张岚更是怒火中烧，尤其看到他还想抽烟，斥责他从不在乎自己的身体。
叶家明亲自接妻儿回家，岳长山拎着鱼来探望，顺便提出要带叶家明参观核电站整改小组。陆云筝自然希望丈夫能在研究院工作，爽快代替叶家明答应下来。叶家明来到研究所看着大家忙碌的身影，以及桌子上堆满的图纸，这样的工作令他非常向往。
由于莱曼愿意举荐秦昌技术人员交流经验，所以秦院长首先想到资历较老的林天诚，希望他能带队前往南斯拉夫核电厂学习。虽然林天诚非常珍惜这个宝贵机会，可是他要与儿子林奇分开三个月，万般无奈之下，只好硬着头皮去找叶家明，希望把儿子寄养在他家。
如今张岚厌烦孟志远对家庭的态度，越发坚定要出国进修医学的决心，临走时将女儿孟晓薇托付给陆云筝，连夜收拾东西离开。隔天清早，林天诚把林奇送到叶家，强忍着不舍扬长而去。如此一来，陆云筝需要照顾三个孩子，但是她没有任何怨言。
之后的日子里，叶家明顺利通过考试，又以优异表现获得领导赞赏。秦昌核电站经过整改后，正式步入现代化建设阶段，莱曼带领专家团二度考察，震惊他们居然在短短时间内进步飞速，并且得到国际原子能机构的认可。
林天诚结束学习回国，与孟志远、叶家明聚在一起喝酒聊天，先是聊到各自的近况，其次是孩子未来的发展方向。孟志远想让女儿继承衣钵，未来在核电产业工作，叶家明鼎力支持，唯有林天诚意见相反，觉得中国无论如何发展都没办法跟外国比较，因为外国工业体系完善，完全属于碾压式级别。
听着林天诚滔滔不绝的夸赞，孟志远和叶家明觉得不舒服，就算国家目前落后，也绝不应该是他崇洋媚外的理由。叶家明坚信秦昌核电站迟早会达到大家期望，只是需要时间改进，而他与林天诚观点不合，到最后吵得不可开交。孟志远带着二人爬上山顶，眺望着远处的核电站，沐浴在晨曦之中，忽然有些感动，他们因此一笑泯恩仇，结拜秦昌三剑客，发誓要让中国的核电站举世闻名。
随着《多国协定》签订，中国被列入禁运国家之中，完全限制核电站接下来的发展。叶家明认为不应该坐以待毙，自主堆芯必须立刻提上日程，在得到岳长山的支持后，亲自招募人才成立研究小组，其中包括他最看好的钟大功。
秦昌核电站二期正在施工，由于目前波纹管不适用，林天诚找老同学帮忙，岂料遭到外国人的嘲讽。老同学已经是美籍华人，同样觉得中国处于落后贫穷，林天诚想要拿到货源，就得要学会点头哈腰。林天诚对此嗤之以鼻，表示跪下来很容易，若是有些人给洋鬼子当了奴才，恐怕永远站不起来。
因为多国协议从中捣鬼，国际上对卖给中国的设备全都收紧，就连林天诚通过美国工厂购买的核级安全阀都被当地海关扣押。叶家明得知此事赶忙给林天诚打电话，林天诚让叶家明给自己三天时间，保证会处理好这件事情。
林天诚通宵达旦翻阅合同内容，终于看到有利条款，继而带着助手丁富贵飞往美国圣佛朗西斯科。美国人故意避之不见，林天诚未能与对方顺利沟通，便将供货商的本子交给丁富贵，叮嘱他若是必要时去找那些供货商谈判，绝不能耽误秦昌二期的进度。随后林天诚逼问前台知晓工厂老板的下落，独自前去跟他们交涉，要求他们必须依照合同条款解决问题。
经过林天诚的不懈努力，总算是联系到比较合适的源头阀门工厂，而且价格合适且质量好，完全免去中间商的差价。这件事情得以解决，林天诚落下心头大石，高高兴兴地带着助手返回秦昌。
研究小组成立后，岳长山立马召集大家开会，当场表态他们的目标就是要研发出属于国家自己的百万千瓦级别的核电站。此话一出，在场人抱有怀疑态度，毕竟当前秦昌二期最多六十万瓦，若是想要自主研发百万千瓦，实在是有些过于乐观。
虽然话是没错，可岳长山希望大家对国家要有信心，眼光更要长远，无论未来的十年、二十年乃至三十年，至少现在的努力迟早会得到成果，眼下的决断也会涉及到下一代的核工业专家，一代又一代薪火相传。
除此之外，岳长山提醒大家不要忘记本职工作，承担起自主研发和秦昌二期的两副担子。吃完午饭后，黑板上写满密密麻麻且目前能够想到的方案，每个人的观点不同，叶家明直截了当点出“177”方案最为合适。
林奇和叶启辰结伴去给叶家明送饭途中受伤，所幸没有大碍，反倒在医院遇见孟志远。此时孟志远坐在椅子上失魂落魄，叶家明通过检查报告得知他被确诊肺源性心脏病晚期。
陆云铮拿出家里所有存折，竭力要帮孟志远治病，然而叶家明表示孟志远就剩下一个月时间，已经没有任何治疗的意义。与此同时，孟志远瞒着女儿晓薇，谎称自己要去外地出差，孟晓薇信以为真。
随后孟志远住进医院，叶家明陪在病床前，安慰他要保持好心态，说不定会发生奇迹。孟志远感慨生前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，背过身悲痛落泪。
长期支持引进核电技术，并且在行业内颇有影响力的文教授听闻岳长山要搞自主堆芯研究，立马带着学生许济川来到零号点参与交流。文教授与叶家明观点相反，他认为国家落后是客观存在的问题，应该把有限资源放在回报更快的地方。
文教授透露下个月就要在上海召开核电大型讨论会，提醒他们尽快在一个月内拿出阶段性的成果。也正因时间有些仓促，所以文教授安排许济川过来配合堆芯的研究工作，与其说是配合，更像是领导他们。
虽然叶家明推崇177方案，但是许济川更看好较为保守的193方案，毕竟在他眼里，所谓的自主知识产权远没有经济适用重要。叶家明强烈反对，坚称国家需要自主长远，决不能任由外国卡脖子。
双方各执一词，展开激烈争辩，到最后依旧辨不出个所以然。为缓解气氛紧张，岳长山建议公平竞争，叶家明和许济川拿出数据成品，届时让业务骨干们投票表决。
叶家明在机房通宵达旦，反观许济川信心满满，还表示自己和叶家明并非竞争对手。钟大功看事情通透，深知总设计师就一位，必然从叶家明和许济川之间选择，也就不存在互相谦让。
艾能能源集团女高管为上次违约的事情道歉，继而说明来意，希望林天诚能够加入艾能能源。林天诚笃定天上掉馅饼必定是陷阱，果断回绝女高管的邀约，没想到丁富贵居然瞒着他从中吃回扣。