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1953年1月，全国院校调整，刚从朝鲜归来的朱光亚同志被调往东北人民大学（今吉林大学），在新组建的物理系任教授，并先后担任普通物理教研室主任、系副主任、代理系主任，为该校物理学科建设和人才培养作出了开创性贡献。1955年初，新中国决定发展自己的原子能事业。同年5月，朱光亚同志调回北京大学参与组建原子能专业，筹建物理研究室（后改为技术物理系）并任副主任，担负起为新中国培养原子能专业人才的重任。这批毕业生在较短时间里大都成为我国核科学事业发展的骨干力量。
1956年4月，朱光亚同志加入中国共产党。1957年至1959年任第二机械工业部四0一所（中国科学院原子能研究所）研究室副主任，参与研究性反应堆的建设工作，并从事中子物理和反应堆物理研究，发表了《研究性重水反应堆的物理参数的测定》等学术论文。随后，他领导自行设计、制造、安装国内第一座轻水零功率装置，并开展堆物理实验工作，为掌握研究性重水堆物理实验技术做了开创性工作，跨出了我国自行设计、建造核反应堆的第一步。
1959年7月起，朱光亚同志先后担任第二机械工业部第九研究所副所长、第九研究院副院长，主管科研工作，把全部精力和智慧投入到核武器研制的重要工程中。作为技术总负责人，他参与领导并指导了核武器研制任务的分解、确定研究的主要科学问题和关键技术、选择解决问题的技术途径、设立课题并制定重要攻关课题的实施方案等重要工作。在原子弹研制的关键时刻，他出任中子点火委员会副主任委员，参与指导了几种不同点火中子源的研制与选择，并指导冷试验委员会开展点火中子综合可靠性的检验方法等关键课题的攻关，取得了一系列重大突破。
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