1955年刘允斌毕业，获副博士学位，到莫斯科大学化学研究所工作，担任高级研究员。玛拉也取得莫斯科大学候补博士的学位，并且担任了一个教研室的主任，两人收入相当可观，生活十分富裕。
这时刘允斌接到父亲的来信。说祖国很需要留学生回来服务，刘允斌一直想回来报效祖国，但这时他不能不想到爱人和孩子，这是一个多么温馨的小家庭啊!刘允斌试探性地问过玛拉，愿不愿意到中国去?玛拉摇摇头，“现在我们情况不同了，我们有了孩子，有了稳定而称心的工作，如果到了中国，年迈的父母谁来照顾，谁能帮助我们照顾孩子、教育孩子，我在人地两生的中国，能够生活得下来吗?”
玛拉想尽一切办法动员亲戚、同事、朋友来做刘允斌的思想工作，希望他以家庭为重、留在苏联。苏联的政府高级官员也很欣赏刘允斌的学识和才能，主动出面劝说刘允斌留下来。一位官员甚至把刘允斌和玛拉请到家中作客，席间真情地劝说：“留下来吧!克林姆(刘允斌的昵称)你虽然是中国血统，我们也很理解你的爱国热情，但你毕竟是我们苏联培养起来的，你是在这里长大的，你在这里有你的同学、同事、老师、朋友，还有你美丽的妻子、活泼可爱的孩子，难道你真的要舍弃这一切而去吗?我知道你还有一点担心，那就是我们两国之间的关系不是那么融洽了，但那只是些理论之争，丝毫也不影响你在这里搞科学研究。”
那位官员真的动了感情，眼睛都润湿了。
刘允斌沉默了一会，才缓缓地说道：
“我始终把苏联当成我的第二故乡，我在中国只生活了14年，而在这里却生活了18个年头，相比之下，我对这 里比对我的祖国还要熟悉得多。我也非常喜欢这座美丽的城市，但是我不能不回去，因为贫穷的祖国更需要我，就好像一个大病初愈的母亲更需要儿子强健的臂膀扶持一样，我的感情相信你一定能够理解。”
那位领导人默然了。
玛拉彻底失望了，也明白了：任何力量也留不住丈夫的心。她万般无奈地对丈夫说：
“克林姆，你回去吧!但以后你会后悔的。”
1957年10月刘允斌回到了祖国。之后出差连探亲回过苏联几次，每次回去，两个孩子围绕膝前，左一个爸爸，右一个爸爸，使刘允斌感到无比辛酸。他拼命帮家里干活，好像要把今后的家务全部干完似的。玛拉知道：刘允斌所以如此，因为他内心实在太痛苦了，想借此减轻一些痛苦。
刘允斌和玛拉一直保持通讯联系，他一直争取玛拉来中国。无奈中苏关系日益恶化，在这种政治背景下，刘允斌和玛拉的关系也就难以维继了。刘允斌给玛拉母子在莫斯科买了一套房子，让她们有一个安全的藏身之处。此后玛拉和她的子女就一直在那套房子里住着，刘允斌不时把自己的工资换成卢布寄给玛拉，补充家中开销。
1958年，玛拉最后一次携子女来到中国，回苏联后不久，这段婚姻也走到了尽头。
1960年，刘少奇率领中国党政代表赴苏联访问。虽然在苏联的时间不长，刘少奇还是抽出时间把玛拉的父母、玛拉和他们的两个孩子全部请到中国代表团下榻的列宁山苏共中央别墅相见，依然把玛拉的父母视为自己的亲家，把玛拉视为儿媳，把孙子孙女搂在怀里。他对玛拉说：“生活上有什么困难时，可以通过中国驻苏大使馆寻求帮助。”他知道这桩婚姻的失败，其责任不在儿子和儿媳身上。
核燃料研究工作
自从和玛拉分手以后，刘允斌更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，累了就和衣躺一下，醒来再继续工作，他用这种方法来解脱自己的痛苦。就在这段时间，他学会了抽烟。
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，也是苏联回来的留学生，上海人。她有着南方人的温柔、文静、体贴，她能体谅刘允斌的苦衷，除了自己的工作之外，她又挑起了全部家务，使刘允斌能全身心投入工作。
当时刘允斌正着手研究核燃料问题。研制原子弹首先要有合格的核燃料，核燃料来源于铀矿。但天然铀中只有含量占0.7％的铀235可以利用，而占99％以上的铀238是不能直接利用的。
但铀238有一个特点：它在中子的轰击下可以转化为钚239，钚239扣是一种比铀235更好、更高级的核燃料。如果用钚239来制造原子弹，在相同的威力下，可以比铀235做得更小、更轻。然而分离钚239不是一件轻而易举的事情，当时任何国家都视此为头等绝密材料。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，经过上千次的试验分析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”。中央决定在内蒙建立一座核燃料工厂，这就是后来人们常称的包头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。
1963年初春，塞外边关和江南就是不一样，江南早春三月已是“杂树生花，群鸟纷飞”的时候，包头却仍然处在天寒地冻之中，积雪毫无溶化的迹象，天上鹅毛大雪仍然漫天遍野地飞舞。202厂从表面上看，不像座工厂，而像军事机关，在一望无垠的荒原上，耸立着一幢幢高大的楼房。厂区道路泥泞，天晴刮风时，又飞沙走石。刚种下的小树就像大蒜一样东倒西歪，宿舍门口挂着厚棉毯，窗子有三重，虽有暖气，但仍感到寒冷。门外竖立着一座座小冰山。原来天冷泼出去的水，不会流动，结果就渐积渐高，成了一座座透明的“小富士”山。工厂四周，警卫森严，离厂10华里就是警戒线，离厂5华里则任何外人不得靠近。四周方墙都架设有带钩的铁线网和高压电网，所以外人是绝对进不去的。
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