主要成就
科研成果
朱光亚参与组织领导中国原子弹、氢弹的研制及历次核试验，为中国核武器事业的创建与发展做出重大贡献。他还参与组织领导秦山核电站筹建、放色新同位素应用开发研究、国家高技术发展研究计划的制定与实施、国防科技与武器装备发展战略研究等工作。
第一颗原子弹爆炸成功
1963年3月，朱光亚参与组织确定了第一颗原子弹理论设计方案，报二机部批准后，千军万马即将奔赴青海草原核武器研制基地进行大会战。朱光亚等科研、生产人员以及增调的技术骨干迅速汇集到西北基地，全面开展理论、试验、设计、生产等各方面工作，形成了研制第一颗原子弹的总攻局面。
1963年5月，朱光亚主持起草了《第一期试验大纲草案》(即原子弹装置核爆炸试验大纲)，指出核爆炸试验的任务是由低到高逐步过技术关。建议先做地面爆炸试验，再做空投爆炸试验，并详细提出了试验测试的主要项目、技术保障、测试场地总布局、试验规模等内容。8月，朱光亚等领导参加了青海研制基地冷试验专题研讨会，为综合验证理论设计和一系列单项试验成果，决定尽快实施关键新的全球聚合爆轰试验。在他和王淦昌、邓稼先、周光召等的组织领导下，解决了大量理论、技术和生产问题，于11月20日成功进行了缩比尺寸全球聚合爆轰试验。朱光亚亲自撰写试验总结，认为这项试验完成后，原子弹研制的关键技术只剩下等待足够的核材料和临界实验了。1964年3月，朱光亚组织制订研究院《1964年科研工作计划纲要》，详细布置了原子弹研制和试验工作计划。1964年6月6日，朱光亚在青海基地与其他同志一起组织进行了全尺寸全球聚合爆轰试验，这是原子弹装置核爆炸前的一次综合预演。6月12日，朱光亚组织起草完成了《596装置国家试验大纲》，对核装置运输、总装与质量检验、引控系统调试、测试项目等各个环节提出了要求，第一次核爆炸试验开始全面转入现场实施阶段。10月8日，朱光亚等在现场亲自指导技术人员严格按规程进行原子弹装置装配与检验。14日晚，经张爱萍、刘西尧、张震寰、张蕴钰、李觉、朱光亚等签字后，第一颗原子弹装置被吊上铁塔。
1964年10月16日，中国第一颗原子弹爆炸成功。试验结果表明中国第一颗原子弹从理论、结构、设计、制造到引爆控制系统、测试技术等均达到相当高的水平。
第一次空投原子弹和“两弹”结合试验朱光亚主持制定的核武器研究所1960年科学研究计划中，安排了航弹气动外形、弹体结构和引爆控制系统的研究和设计项目。1962年，朱光亚参与起草的“两年规划”和由他主持制定的“两个纲领新文件”中，也对核航弹作出了安排。朱光亚与郭永怀等一起组织科技人员与航空部、电子部等部门协作，开展核航弹的研制工作。
到第一颗原子弹装置爆炸成功时，航弹气动外形、结构和总体布局以及引爆控制系统设计都已确定，运载航弹的飞机也已改装完成。随后，他们又在首次核试验的基础上，对核装置的理论模型和结构做了设计改进，最终完成了首颗核航弹的研制。
1965年5月14日，在罗布泊成功进行了核航弹空投爆炸试验，这标志着中国开始有了可用于实战的核武器。原子弹与导弹结合而成的核导弹，是比核航弹更为先进的核武器。核弹头与核航弹相比，在体积和重量上要大幅度地减小，所要经受的飞行环境条件则更加复杂和苛刻，研制工作难度更大。早在第一颗原子弹研制的攻关时期，朱光亚与核武器研究所其他领导部署了原子弹配导弹的前期探索研究工作。1963年开始进行核弹头核装置理论研究和引爆控制系统预研。1964年春，朱光亚等组织制定了核弹头研制工作计划，提出了导弹核弹头协作任务的主要设计、试验项目及工艺、定型等进度计划。1964 年4月完成核装置理论设计方案后，迅速转入了工程设计阶段，开展了起爆元件和大型爆轰试验，并进行了核装置结构设计和工艺试验。同时，引爆控制系统的研制也很快取得了成果。1965年6月，朱光亚等人根据研制工作进展请况，组织讨论修订了研制工作计划。经过一系列地面环境试验后，为鉴定核弹头在实际飞行环境下的新能，中央批准进行导弹核武器飞行核爆炸试验(两弹结合试验)。
1966年10月27日9时，进行了中国第一次导弹核武器发色爆炸试验。试验取得圆满成功，标志着中国有了可用于实战的核导弹。
第一颗氢弹爆炸成功
1963年9月，完成首颗原子弹理论设计后，邓稼先、周光召等领导的理论部就在朱光亚、彭桓武安排下开始组织力量进行氢弹理论的探索。
1965年元月，二机部决定将黄祖洽、于敏带领的这部分力量从原子能所调到核武器研究院。2月，二机部上报由朱光亚起草的《关于加快核武器发展问题的报告》。在朱光亚和彭桓武的指导下，组织制定了加速突破氢弹技术的科研工作大纲，并把目标设定为先进的能配导弹的热核弹头。经过充分讨论、研究、补充完善，最后综合归纳出两种攻关途径。又经过几个月夜以继日的忘我工作，基本明确了攻关的技术路线。在此基础上，1965年8月，朱光亚组织起草了《关于突破氢弹技术关键问题上的工作安排》，对必须重点解决的理论方案和热核材料制备两个关键问题，尤其是氢弹原理的突破，作了统筹安排部署。在他的支持下，彭桓武、邓稼先领导理论部组织力量对氢弹原理进行“多路探索”。1965年底，于敏带领的部分科技人员探索到一种新的制造氢弹的理论方案，朱光亚多次与彭桓武、邓稼先等组织专家反复论证，逐步完善了这个方案。同年12月，他参与组织了核武器研究院两年科研与生产规划会议，提出突破氢弹原理按两手准备，以新理论方案为主，组织全院理论、实验、设计、生产等各方面力量集中攻关。在抓理论设计的同时，他还亲自部署并指导了热核材料的研制工作。经过各部门的大力协同和艰苦努力，1966年12月28日，氢弹原理试验成功，这是中国掌握氢弹技术的重要标志。新原理简便、先进、可行。朱光亚马上组织有关人员分析这次试验的数据，全面展开第一颗全当量氢弹试验的准备工作。
1967年初，氢弹正式试验的理论方案完成后，氢弹装置结构设计、制造等工作紧锣密鼓地开展起来。1967年6月5日，氢弹装置终于加工完毕，8日运抵试验基地，17日，中国第一颗氢弹空投爆炸成功。从第一颗原子弹爆炸成功到第一颗氢弹爆炸成功，中国只用了2年零8个月，先于法国1年时间成为世界上第四个拥有氢弹的国家，发展速度是核大国中最快的。
地下核试验
1967年10月底至11月中旬，朱光亚、王淦昌、程开甲、邓稼先等讨论了首次地下核试验的目的、试验项目、工程要求等，地下核试验准备工作全面展开。核武器研究院与核试验基地密切配合，经过近两年的艰苦工作，攻克了大量技术难关。1969年9月23日，朱光亚、王淦昌、程开甲、彭桓武等在现场指挥试验，取得了圆满成功，这是中国首次进行地下平洞核试验。1975年10月和1976年10月，朱光亚参与组织领导了中国第二次、第三次地下平洞核试验，1978年10月，又成功组织首次地下竖井核试验。
推动核电发展
1971年，刚刚担任国防科委副主任的朱光亚受命参与组织领导中国第一座核电站的筹建工作。在朱光亚的支持下，项目组经过与许多专家共同商讨、论证，逐渐达成了共识，提出了用压水堆的意见，并很快完成了30万千瓦压水堆核电站设计方案。后来的实践证明，压水堆的选择是完全正确的，符合中国实际和世界核电站发展的主流。朱光亚指导了核电站研究、设计任务的分解，以及研究试验和技术攻关项目的开展，特别是对核燃料组件的设计、试验、研制等给予了极大的关心和指导，使核燃料组件得以完全立足于中国国内研制成功。
朱光亚亲自参与领导了核电站的踏勘选址，亲赴浙江、江苏、上海多个选点考察，最终于1982年选定了浙江省海盐县的秦山厂址。1984年2月，朱光亚主持了秦山核电站扩大初步设计的审批会议，审查批准了扩大初步设计，并对即将开展的工程建设中将要面临的重大关键问题和工程进度等作出了决策。1985年3月，秦山核电站正式开工，设备研制同步进行。1991年12月15 日核电站首次并网发电成功，实现了中国核电技术的重大突破。
论文发表
由于从事领域特殊的原因和为人低调，朱光亚生前公开发表的学术论文只有4篇。
论文：《符合测量方法：(Ⅱ)内变换》《研究新重水反应堆的物理参数的测定》等。
人才培养
1955年5月，朱光亚调离了吉林大学，在这3年时间里，吉林大学物理系从无到有，师资队伍发展到50多人，建成12个实验室，当时的物理系在实验室建设、人才培养方面在国内处于领先地位。朱光亚在吉林大学教过的学生有519人，他的学生中，后来成为中国科学院院士3人(陈佳洱、宋家树、王世绩)，教育部副部长1人，著名大学校级领导人6人，国家科学奖项获得者、著名专家、博士生导师数百人。
