1956年4月，宋任穷在一次会后遇见周恩来总理。周恩来说要从军队里调个中央委员出来加强地质战线，让他考虑考虑。宋任穷考虑了两天，毛遂自荐，对周恩来说就把我调出来吧。周恩来说你能出来吗？当时宋任穷还在总干部部任副部长。他说总干部部有人。周恩来说那好，我请示主席。没过几天，周恩来告诉宋任穷：主席有新的考虑，要成立原子能委员会。

　　周恩来1956年7月向中央提出《关于原子能建设问题》的报告，建议成立“原子能事业部”。这个意见毛泽东同意，11月正式提交一届人大常委会议通过，决定成立第三机械工业部，搞原子弹，部长是宋任穷。1958年2月，三机部改为第二机械工业部。初创时，主要抓队伍组建、地质找矿、科研基地建设。

　　搞原子弹不比打仗，要依靠科学，尤其是要得到中国最高科学机构中国科学院的支持。为此，就要和中科院“走亲戚”，“攀亲家”。宋任穷给中科院党组书记兼副院长张劲夫打电话，说要到他家里拜访他。

　　宋任穷这次拜访张劲夫，就是谈科学院要怎么支持二机部、帮助二机部。宋任穷紧紧握住张劲夫的手说：“劲夫，这个事太重要了，你要帮助哇！其他部门我也希望他们来支持，但主要靠科学院呐！”

　　张劲夫说：“没有问题。这是中央的任务，是国家的任务，也是科学院的任务。第一，我把原子能研究所全部交给你。另外，科学院其他各研究所凡是能承担二机部的研究任务的，我们都无条件地承担；如果骨干力量不够，还需要调一些人去，我们再想办法。譬如，邓稼先是学物理的，从美国留学回来，是科学院数理化学部的学术秘书。吴有训副院长兼数理化学部的主任，日常工作就靠邓稼先负责，这个同志你要我也给你。”
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　　有了人才，还得有矿。宋任穷担任三机部部长后，花费很大精力搞地质找矿，几乎所有发现铀矿的地方他都去过。在科研工作方面，宋任穷则紧抓苏联援助的“一堆”（反应堆）、“一器”（加速器）建设。1958年9月，“一堆”、“一器”正式移交使用。

　　当时，受“大跃进”的影响，核战线上也提出了“大家办原子能科学”、“全民办铀矿”等口号。还有的人坚持要对苏联提供的设计和设备进行革新改造。宋任穷等人不同意，认为这要慎重。但是要求改造的同志坚持己见，宋任穷无奈，只好给毛泽东写信，要求当面向他汇报。两天后，宋任穷接到电话，通知他到中南海游泳池向毛泽东汇报。

　　宋任穷汇报后，毛泽东说：你们的意见是对的。这个原子堆、铀235工厂，你们还没有掌握好，怎么就动手改了呢？比如写字，先得学写正楷，再学写行书，然后再练草书。宋任穷回来后，传达了毛泽东的意见，大家才统一了思想，避免了可能对主工艺设计和设备乱改的错误。

　　1960年初，周恩来带领一些部长在广州学习政治经济学。学习结束后，毛泽东约见几位部长。康生也去了。康生一见宋任穷就谈起什么时候能够爆炸原子弹的问题。宋任穷说：苏联原来答应给我们的原子弹样品和资料现在不给了，要靠自力更生，尽最大努力，爆炸时间得推迟到1964年。

　　康生摆出一副“最革命”的架势说，1964年爆炸迟了，还是应该在1962年爆炸，并讲了许多冠冕堂皇的话。毛泽东听着，一直没有表示，最后只讲了一句话：康生，你去当二机部部长吧。康生一看势头不对，才不吭声了。实践证明，1964年爆炸原子弹是切合实际的。

　　当年中苏关系破裂，有些苏联专家在撤走时，把该给中方的资料也带走了，还说“这是对你们的毁灭性打击”、“从此你们将处于技术真空的状态，估计20年你们也搞不成原子弹”。然而仅4年后，1964年10月，从中国西部沙漠中升起的蘑菇云，宣告了他们预言的破产。宋任穷在二机部工作4年，对原子弹事业作出了重要贡献。