היסטוריה של הנשק הגרעיני
ארצות הברית: פרויקט מנהטן

בתחילת מלחמת העולם השנייה, גבר החשש בקרב המדענים של בעלות הברית שלגרמניה הנאצית פרויקט גרעין עצמאי לפיתוח נשק מבוסס טכנולוגית ביקוע. מחקר בתחום הנשק הגרעיני החל בבריטניה כחלק מפרויקט "סגסוגות צינור" (Tube Alloys). בארצות הברית הוקצה כבר בשנת 1939 תקציב זעום למחקר בנושא נשק מבוסס אורניום אשר הובל על ידי ועדת האורניום בהנחיית לימן ג'יימס בריגס. בעצתם של מדענים בריטיים, אשר ביצעו חישובים המעידים שניתן יהיה להשלים פיתוח של נשק ביקוע תוך שנים ספורות, עבר הפרויקט בשנת 1942 לניהולו של הגנרל לסלי גרובס וכונה פרויקט מנהטן. בהנחייתו המדעית של הפיזיקאי האמריקני היהודי רוברט אופנהיימר, חיבר הפרויקט בין המוחות המדעיים המבריקים של התקופה (רבים מהם גולים מאירופה) לבין כוח הייצור של התעשייה האמריקנית במטרה לייצר התקני נפץ מבוססי טכנולוגיית ביקוע לפני שיצליחו לעשות זאת הנאצים. בריטניה וארצות הברית הסכימו לשתף מידע ומשאבים למטרת הפרויקט אולם בעלת הברית הנוספת, ברית המועצות, לא שותפה בנושא.
היקף הפרויקט, הן מבחינה מדעית והן מבחינה תעשייתית, היה אדיר. ארצות הברית השקיעה משאבים חסרי תקדים במחקר ובהקמת מפעלי ייצור במסגרת הפרויקט, אשר הקיף יותר מ-30 אתרים בתוך ארצות הברית ובקנדה. מוקד הידע המדעי נשמר במעבדה סודית בלוס אלמוס שבניו מקסיקו, ובמעבדה המטלורגית באוניברסיטת שיקגו.
האורניום מופיע בטבע כשני סוגים של איזוטופים: אורניום-238 וכן אורניום-235. כאשר הגרעין של אורניום-235 סופח נייטרון, הוא עובר ביקוע גרעיני ומתפצל לשני "תוצרי ביקוע", תוך שחרור אנרגיה ו-2.5 נייטרונים בממוצע. מאידך, אורניום-238 סופח נייטרונים ואינו מתבקע, וכך נעצרת כל תגובת ביקוע קיימת (למעט ביקוע על ידי נייטרונים מהירים). הסתבר שפצצה גרעינית מבוססת אורניום חייבת להיות מיוצרת מאורניום-235 טהור כמעט לחלוטין (לפחות 90% טהור), שכן אם לא כן הרי שנוכחות האורניום-238 תקצר את תגובת השרשרת הגרעינית. קבוצת המדענים אשר שקדה על פרויקט מנהטן הבינה מיד שהבעיה הגדולה ביותר תהיה למצוא שיטה להפרדת אורניום-235 מעפרות אורניום טבעי אשר הורכבו מ-99.3% אורניום-238 (שאינו בקיע) ורק מ-0.7% אורניום-235, שהוא החומר הבקיע. שלוש שיטות להפרדת איזוטופים פותחו במהלך הפרויקט: שיטה אלקטרומגנטית, דיפוזיה גזית ודיפוזיה תרמית. שלוש השיטות הפרידו איזוטופים תוך ניצול העובדה שמסתו האטומית של האורניום-238 מעט גדולה יותר מזו של אורניום-235. אתר ענק הוקם באוק רידג' שבטנסי, במטרה להפיק אורניום-235 טהור בהיקף גדול. הייתה זו השקעה אדירה: לדוגמה, מפעל הדיפוזיה הגזית באוק רידג', שכונה K-25, היה המבנה הגדול ביותר בעולם באותה עת. האתר באוק רידג' העסיק עשרות אלפי אנשים בשיאו. לרובם ככולם לא היה מושג כלל מה הייתה מטרת עבודתם.
אף כי אורניום-238 אינו יכול לשמש בפצצה גרעינית, אם הוא סופח נייטרון הוא הופך ראשית ליסוד לא יציב, אורניום-239, ואז דועך למצב של נפטוניום-239 ולבסוף לפלוטוניום-239 שהוא יסוד יציב יחסית שאינו קיים בטבע. הפלוטוניום בקיע ויכול לשמש ליצירת תגובת ביקוע. אנריקו פרמי הראה שניתן להגיע לתגובת שרשרת גרעינית רצופה ומבוקרת בכך שיצר את ה"ערימה הגרעינית" - כור גרעיני ראשוני - באוניברסיטת שיקגו. כורים אדירי ממדים, להמרת אורניום-238 לפלוטוניום, נבנו בחשאי באתר הנפורד במדינת וושינגטון, תוך שימוש במימי נהר קולומביה לקירור.
על מנת שנשק מבוסס טכנולוגיית ביקוע יפעל כהלכה, דרושה מסה קריטית של חומר בקיע שיופצץ בנייטרונים בכל זמן נתון. ההתגלמות הפשוטה ביותר של נשק גרעיני יכולה להיות נשק ביקוע בתצורת מנגנון ירי, שבו מסה תת-קריטית של חומר בקיע (כאורניום-235) נורית לעבר מסה תת-קריטית של חומר בקיע נוסף. התוצאה היא מסה סופר קריטית, שאם תופצץ בנייטרונים, תעבור תהליך ביקוע בקצב מהיר ותיצור את הפיצוץ הרצוי.
עד מהרה הסתבר שפלוטוניום לא יכול לשמש ב"תצורת מנגנון ירי", שכן הוא בעל רמת קרינת נייטרונים גבוהה מדי, כלומר בעל רמת ביקוע ספונטני גבוהה מדי. אילו שימש הפלוטוניום ב"תצורת מנגנון ירי", תגובת השרשרת הייתה מתחילה להתרחש בחלקיקי השניות עוד טרם היווצרות המסה הקריטית, והייתה מפוצצת את רכיבי הנשק לחלקים לפני שיכול היה לעשות את פעולתו. לאחר שנואשו, ניסו המדענים בלוס אלמוס גישה נוספת: שימוש בחומרי נפץ כימיים מדויקים על מנת לפוצץ כלפי פנים כדור תת-קריטי של פלוטוניום, כך שתוגדל עוצמתו ויהפוך למסה קריטית. תכנון זה כונה נשק ביקוע בתצורת מנגנון קריסה. הקשיים בפיצוץ כלפי פנים היו טמונים בבעיית הכפייה על חומרי הנפץ הכימיים להעביר גל הדף אחיד לחלוטין אל ליבת כדור הפלוטוניום, כי אם לא כן, היה חומר הנפץ נפלט אל מחוץ לגוף הפצצה, משבש את התהליך וגורם לפצצה מלוכלכת בלבד. בעיה זו נפתרה על ידי שימוש ב"עדשות" הידרודינמיות - חומרים נפיצים בצפיפויות שונות - אשר ממקדות את גלי ההדף באופן מדויק בתוך הכדור המתפוצץ כלפי פנים, בדומה לאופן שבו עדשה אופטית ממקדת קרני אור.
לאחר הפלישה לנורמנדי הורה הגנרל גרובס לקבוצת מדענים ממשימת אלסוס לנוע מזרחה בעקבות חיילי בעלות הברית, בניסיון להעריך את מצב תוכנית הגרעין הנאצית ולמנוע מחיילים רוסים הנעים מערבה מלהשיג מידע או כוח אדם מדעי. המסקנה הייתה שבעוד שלגרמניה הנאצית הייתה תוכנית פצצה גרעינית, שהובלה על ידי ורנר הייזנברג, המפלגה הנאצית לא השקיעה תקציבים משמעותיים בפרויקט ולא התקרבה כלל למימושו.
כשהגיע מועד כניעתה ללא תנאי של גרמניה ב-8 במאי 1945, היה פרויקט מנהטן רחוק עדיין מסיום. באפריל של אותה שנה, לאחר מות הנשיא פרנקלין רוזוולט, שותף סגן הנשיא הארי טרומן בפרויקט הסודי בפעם הראשונה.
בשל הקשיים שבייצור פצצת פלוטוניום יעילה, הוחלט לבצע ניסוי. טרומן רצה לדעת בוודאות על תוצאות הניסוי לפני פגישתו הצפויה עם יוסיף סטלין בוועידה על אודות עתיד אירופה לאחר המלחמה. ב-16 ביולי 1945, במדבר אלמגורדו שבניו מקסיקו בוצע הניסוי הגרעיני הראשון, אשר כונה "ניסוי טריניטי". עוצמת הפיצוץ בניסוי הייתה 19 קילוטון TNT, הרבה מעבר לעוצמתו של כל כלי נשק אחר שנוסה אי פעם לפני כן. הבשורה על הצלחת הניסוי הועברה לטרומן, אשר עשה בה שימוש כמנוף בוועידת פוטסדאם שהתקיימה ליד ברלין.
לאחר שמיעת הטיעונים מפי מדענים וקצינים בנוגע לשימושים אפשריים של הנשק נגד יפן (אף כי חלק יעצו לעשות בנשק שימוש רק לצורך הרתעה באזורים בלתי מיושבים, הרוב יעצו להשתמש בנשק על ערים מאוכלסות), הורה טרומן לעשות שימוש בנשק על ערים ביפן, בתקווה שהדבר ישלח מסר חזק אשר יזעזע את ההנהגה ויכפה עליה כניעה אשר לא תיאלץ פלישה אמריקנית לאי. היו הצעות להטיל את הפצצה על טוקיו, בירת יפן, אולם דאגה בנוגע למורשת התרבותית של טוקיו שינו את התוכנית. ב-6 באוגוסט 1945, הוטלה על הירושימה פצצה מבוססת אורניום בשם "ילד קטן". שלושה ימים מאוחר יותר, הוטלה פצצה מבוססת פלוטוניום בכינוי "איש שמן", על נגסאקי. ההפצצות קיפדו חייהם של לפחות מאה אלף יפנים כתוצאה מידית של החום, הקרינה ואפקט ההדף. עשרות אלפים מתו מאוחר יותר כתוצאה מקרינה וממחלת הסרטן. טרומן הבטיח "גשם של הרס" אם יפן לא תיכנע באופן מידי, ואיים להעלים ערים יפניות אחת אחרי השנייה. יפן נכנעה ב-15 באוגוסט 1945. האיום של טרומן היה תעמולתי בעיקרו, מכיוון שלרשות ארצות הברית עמדו שתי פצצות נוספות בלבד באותה תקופה.