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Dans les années 1920, Irène Curie et Frédéric Joliot se rencontrent et tombent amoureux. Leur collaboration scientifique aboutit à la découverte de la radioactivité artificielle en 1934.

Après leur prix Nobel, les Joliot-Curie poursuivent leurs recherches. La découverte de la fission nucléaire et la menace d'une nouvelle arme bouleversent leurs travaux.

Face à l'avancée allemande, les Joliot-Curie tentent de protéger leurs recherches. Frédéric rejoint la Résistance et découvre que les Allemands sont en retard dans la course à la bombe atomique.

Pendant la guerre, Irène se soigne en Suisse tandis que Frédéric s'engage dans la clandestinité. À la Libération, il est chargé de relancer la recherche scientifique française.

Après Hiroshima, les Joliot-Curie participent à la reconstruction scientifique française et à la création de la première pile atomique française. La Guerre froide met fin à leur collaboration avec le pouvoir.

Malgré la maladie, Frédéric poursuit son engagement scientifique et pacifiste. Irène meurt en 1956, et Frédéric continue de lutter contre les armes nucléaires jusqu'à sa mort en 1958.