제 1차 남북정상회담을 몇 달 앞둔 2000년 초, 미국 민간연구소에서 근무하던 한 젊은 핵물리학자가 극비리에 귀국해 비밀실험에 착수한다 . 그는 다름 아닌 5공 신군부 때 의문의 죽음을 당한 핵 과학자 민일용 박사의 아들, 민태준.
한 시도 마음을 놓을 수 없는 상태에서 얼마 되지 않아 이 극비실험 정보들이 원인을 알 수 없는 이유들로 인해 외부로 새어 나가기 시작한다. 곧이어 은밀하고도 철저한 정부 내 특별감사가 들이닥치고, 다행히 민 박사 팀은 그때마다 모자 씌우기 기지를 발휘해 위기를 모면한다.
그러나 얼마 후 태평양 인근 산호초 섬에서 개최된 세계 원자력 마피아 비밀회의가 열린다. 이 회의는 바로 한국의 의심스러운 핵 활동을 저지하기 위한 해외의 움직임이다.
그 결과 IAEA 차원의 한국에 대한 징계 방안이 극비리에 모색되고, 결국 한국을 타깃으로 한 IAEA 개정안이 한국과 비핵국가들의 반대 속에 전격적으로 통과된다.
이 여파로 인해 대한민국은 초비상사태로 접어들게 된다. IAEA의 두 차례에 걸친 비공개 사찰 요구가 대한민국 연구소 측에 전달된 것이다. 하지만 한국의 과학자들은 물증 없는 상황에서 사찰을 강요하는 것은 일종의 월권 행사이자 한국 과학자들의 사기를 꺾는 일이라며 이를 거부한다. 양측의 강경한 입장이 반복되면서 긴장과 위기는 더 첨예해지고 결국 한국에 대한 물리적 제재가 검토되던 중, 느닷없이 9·11 테러와 이라크 전쟁이 발생하면서 한국은 잠시간 위기에서 벗어나게 된다.
하지만 미 대선을 앞둔 시점, 한국의 핵 사안이 느닷없이 다시 불거진다. 미국계 AP통신 보도를 선두로 세계적 통신사와 언론들의 대대적 공세로 인해 참여정부 청와대는 급속도의 공황 상태에 빠져들고 이때부터 과학자들과 정부 사이에 긴장과 갈등국면이 다시 조성된다. 이 가운데 IAEA 요원의 의문의 자살, 부시와 엘바라데이의 대량살상무기 물증을 둘러싼 깊어가는 갈등, 한국의 원자력 연구소를 담당하던 국정원 요원의 피살, 참여정부 NSC 비밀회의 내용의 실시간 외부유출 등 상황은 더 악화되어만 간다.
이 상황에서 극비사업 실험팀장인 민태준 박사는 지하 비밀 실험실에 잠입한 국제킬러로부터 생명의 위협을 받게 되지만, 미모의 국과수 여과장의 도움으로 극적으로 목숨을 건진다. 두 사람은 20년 전 의문의 죽음을 당한 민태준의 아버지 민일용 박사의 진짜 사인을 찾기 위해 노력하면서 사랑이 싹트고, 하지만 사인을 깊이 파고들어갈수록 더 극심한 위협이 다가온다.
한국 핵 사안의 유엔 안보리 회부를 위한 강대국들의 IAEA 이사회 개최는 점차 다가오는데, 일본의 최대 핵 복합단지인 로카쇼무라에서 한 조선족 청년이 일본 경시청에 의해 백주대낮에 피살되는 사건이 벌어지는 등 국제 사회 혼돈 속에 휩싸인 한국 정부! 과학자들의 목숨을 건 노력 끝에 정부내 깊숙이 숨어 있는 미국 협조자에 대한 단서가 서서히 드러나게 되는데…….

드디어 배후에 숨어 있던 국제사회의 음모가 드러나기 시작하고 안보리 회부 문제도 극적으로 해결되어 가는 과정에서 북한의 저명한 미사일 과학자 부녀가 중국과 쿠바를 통해 극비리에 탈북하는 사건이 발생한다. 이후 2005년 동해 인근에서 원인 미상의 진도 3규모의 폭발사건이 발생하면서 한 -미 양국은 또 다른 긴장국면으로 접어든다.