莫斯科钢铁学院那年，刘允斌加入苏联共产党。自该院毕业后，刘允斌以优异成绩考入莫斯科大学，成为核物理学研究生，1955年毕业获得副博士学位。1957年10月，刘允斌回到中国。只在中南海的刘少奇家中住了几天，便来到距北京城50公里外的房山县，进入中国原子能科学研究院（四〇一所）工作，这是中国最早的核武器研究所。他在热核材料研究领域努力钻研，取得成就，获副研究员技术职称。1959年，中苏关系恶化，苏联拒绝向中国提供原子弹模型及技术资料，中央乃决定核研究院所与生产厂家结合，实行厂所（院）合一，早日研制出原子弹。