核武器
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参见：曼哈頓項目
1939年4月2日，德国物理学家格奥尔格·约斯和威廉·汉勒提出了将核能用在军事领域的可能性。但由於當時納粹德國核子研究計畫的主持人海森堡錯誤的實驗方向與發展，令納粹德國元首阿道夫·希特勒認為開發核武器的費用將會過於龐大，因此最終放棄了核武器的開發。8月2日，物理學家阿尔伯特·爱因斯坦在信（愛因斯坦-西拉德信，作者为物理学家利奧·西拉德）中下名字，希望递交至时任美国总统富兰克林·德拉诺·罗斯福处，建议对方为核裂变武器提供研发资金，因为当时的納粹德國可能也在这方面进行研究。10月11日，经济学家亚历山大·萨赫斯会面美国总统罗斯福，并递交了愛因斯坦-西拉德信。罗斯福批准设立铀顾问团。10月21日：铀顾问团首次会面，会议由國家標準技術研究所的莱曼·布里格斯主持召开。顾问团划出6000美元的预算来做中子实验。
1940年3月，英国物理学家奥托·弗里施、魯道夫·佩爾斯撰写了弗里施-佩尔斯备忘录，计算出原子弹的爆炸可能只需要1英磅（0.45）的浓缩铀。该备忘录先是到了澳大利亚物理学家马克·奥利芬特手中，后者将其转交给了英国化学家亨利·蒂泽德。3月2日，美国物理学家约翰·邓宁的团队证实了尼尔斯·玻尔的猜想——慢中子可引发鈾-235的核裂变。4月10日，蒂泽德在英国设立了穆德委员会，用于进行原子弹的可行性研究。5月21日，乔治·基斯佳科夫斯基提出使用氣體擴散法来分离同位素。6月12日，罗斯福设立了美国国防部科研委员会，由万尼瓦尔·布什领导，并将铀顾问团并入其中。同年日本也開始了自己的核武研發，时任日本陆军航空技术研究所所长的安田武雄中将命令部下铃木辰三郎开始进行制造原子弹的可能性分析。铃木辰三郎在得到物理学家嵯峨根辽吉的指导下，提交了以“原子弹制造的可能”的研究报告。1941年5月，物理学家大河内正敏提交了“铀炸弹制造的可能性”的报告。同年6月，物理學家仁科芳雄開始思考原子彈實物化的可能性。
1941年2月25日，美国化學家格倫·西奧多·西博格与阿瑟·华尔确定发现了钚元素。5月17日，阿瑟·康普顿同美国国家科学院撰写的报告公开发表，指出研发军用核能源带来的若干好处。6月28日，罗斯福签署第8807号行政命令，设立科学研究与开发办公室，交由万尼瓦尔·布什管理。科学研究与开发办公室合并了国防部科研委员会和铀顾问团。詹姆斯·布莱恩特·科南特接任布什成为科学研究与开发办公室的新总管。7月2日，穆德委员会任命詹姆斯·查德威克撰写原子弹的设计与预算报告的第二稿（也是最终稿）。7月15日，穆德委员会分发了制弹的技术细节、预算的最终稿。万尼瓦尔·布什接获报告后，决定先等待报告官方版本出来后再进行下一步的行动。9月3日，英国参谋长委员会批准了核武器计划。10月3日，穆德委员会官方报告（查德威克撰写）送到了布什手中。10月9日，布什将穆德委员会的报告呈交给罗斯福，后者在了解相关科学细节后准许了研发计划。罗斯福让布什起草外交函，以方便英美双方的高层接洽。12月6日，布什组织了场会议来协调整个研发计划。该计划由康普顿主导，哈羅德·尤里负责研究使用气体扩散法来浓缩铀，欧内斯特·劳伦斯则负责研究电磁分离法（该方法最后造出了电磁型同位素分离器）。康普顿将钚容器呈给了布什和科南特。12月18日，科学研究与开发办公室S-1分部的首次会议。该部门专攻核武器制造。
苏德战争爆发后，苏联受到前线战事影响，直到1942年都未以积极的态度去进行核武器的开发。1941年12月下旬至1942年4月，弗廖罗夫寫了一封秘信給庫爾恰托夫、化学家卡夫塔诺夫（俄语：），以及蘇聯最高領導人約瑟夫·斯大林三人，指出美國、英國，甚至是德國自1939年發現了核分裂後，都不再於物理科學刊物上發表相關訊息。這些學術機構完全不透漏成果的現象十分可疑，弗廖罗夫力促史達林趕緊展開核武研究工程，他相信其他國家已各自展開了他們的秘密核研究。
1942年1月19日，罗斯福总统正式批准原子弹计划。1月24日，康普顿决定将钚相关的科研工作放在芝加哥大学进行。2月19日，加拿大和英国协商设立蒙特利尔实验室，用作英、加两国在核技术方面的协作（尤其是制钚）。7月-9月，罗伯特·奥本海默在加利福尼亞大學柏克萊分校召开夏季会议，会议研讨了核裂变武器的设计。愛德華·泰勒提出了氢弹的构想，在会议中重点讨论。
1942年5月，化学家卡夫塔诺夫（俄语：）和物理學家约费向斯大林呈递报告，论证了在苏联为解决原子武器问题成立科学中心的必要性。苏联国防委员会中由莫洛托夫分管这一工作。1942年9月底，斯大林召集约费、卡皮察、物理化学家谢苗诺夫、放射化学家赫洛平（俄语：）、化学家卡夫塔诺夫（俄语：）、库尔恰托夫等人，讨论了德国、美国和英国在研原子弹的情报，听取了科学家的意见后，斯大林作出结论：“我们也要研制原子弹”。1942年9月28日苏联国防委员会授权苏联科学院恢复“关于原子能利用的可行性”研究工作，在1943年4月1日前提交制造铀弹的可行性报告。在苏联科学院的战时疏散地喀山设立实验室。1942年10月，內務人民委員部提交了一份探討核武器可行性的英國「穆德委員會」報告影本，從而令史達林下令展開蘇聯的核武開發計畫（儘管資源相當有限）。蘇聯科學院選擇了擁有廣泛核物理閱歷的庫爾恰托夫負責这方面工作，約費院士也向莫洛托夫推薦庫爾恰托夫，莫洛托夫向史達林進言讓庫爾恰托夫主持原子能研发业务工作。
1942年12月2日：在恩里科·费米的设计、主导研发下，世界上首个核反应堆——芝加哥1号堆在建造后短短一个月成功实现了自持反应。
1943年2月18日，Y-12国家安全大楼动工。Y-12是橡树岭的一个大型电磁分离工厂，用来浓缩铀。6月2日，气体扩散工厂K-25动工。7月10日，第一份钚样品抵达洛斯阿拉莫斯。8月13日，枪式裂变武器的首次投下试验，位于达尔格伦演习场（英语：），负责人诺曼·拉姆齐。肯尼斯·尼科尔斯取代马歇尔成为曼哈顿工程区的总工程师。他上任后的首批任务之一是将曼哈顿工程区总部迁移至橡树岭（但工程区并未因此更名）。10月10日，汉福德区首个核反应堆动工。11月4日，橡树岭的X-10石墨反应堆达到临界状态。同年東條英機下達研究原子彈的命令，代號為「仁計畫」。仁科芳雄招集了他的老師，長岡半太郎和朝永振一郎以理化学研究所人員身份投入海軍核子技術研發。鈾235的主要提純分離方法主要有四種，即熱擴散法、氣體擴散法、電磁法、高速離心法。但是戰時日本尋找不到足夠的鈾礦石，而且為了節省時間，仁科芳雄團隊決定採取最省事的熱擴散法。熱擴散法是將鈾238進行氟化處理成六氟化鈾，然後通過溫度差對流分離的方式，較重的鈾238會沉澱，而較輕的鈾235則會浮在水面上。在研究如何製作六氟化鈾時，仁科芳雄實驗室的研究員木越邦彥發現通過砂糖可以讓鈾碳化，然後再用碳化的鈾進行氟化，最終可以製成六氟化鈾。之後木越發現用澱粉的碳化效果更好，于是之後的六氟化鈾製作便選擇了澱粉。從1944年7月開始，提煉成功的六氟化鈾開始在分離塔進行分離試驗。但因為六氟化鈾的強腐蝕性，分離塔的管道也經常被腐蝕出孔洞，導致事故頻發，因此試驗進展緩慢。同時，仁科芳雄團隊對日本鈾礦石儲量的預測也存在很大誤差。之前仁科芳雄團隊認為日本有著豐富的鈾礦石儲量，但後來調查發現日本的鈾礦石儲量並沒有那麼多。到了1943年後，當仁科芳雄告訴海軍「理論上或許可行，但可能美國也無法成功將原子彈實用於戰爭」時，海軍便對仁科芳雄的能力失去了信心。而仁科芳雄只好再找其他單位來繼續研究計畫。海軍放棄了仁科芳雄後，又招集了另一位物理學家荒勝文策進行研究。他的團隊包含物理学家湯川秀樹。荒勝文策團隊試圖利用高性能離心分離機的方式來分離出濃縮鈾，但荒勝文策設計出來的離心機轉速遠低於理論需要的每分鐘10萬轉，離心機分離濃縮鈾的實驗也宣告失敗，離心機一直到日本投降後都尚未生產。荒勝文策設計的原子彈藍圖雖然可行，也因為鈾不夠而在投降時尚未完成。
1943年2月11日，苏联国防委员会将原子能研究特别实验室从喀山班師回莫斯科。涉铀研究工作由别尔乌辛和苏联国防委员会科学部门全权代表、化学家卡夫塔诺夫（俄语：）领导，研究工作由庫爾恰托夫主持。1943年年中，开始研究生产高纯度石墨和反应堆用的金属铀、从反应堆生成物中提取钚的工艺。之後幾年間，苏联原子彈的研製仍是相對較低順位的工程。這段時期苏联設有八個研究实验组，分別從事核反应堆物理、气体扩散法浓缩铀、后处理化学、重水生产、电磁法浓缩铀
、新机组生产工艺、快中子物理，以及介子研究，另外設有一個回旋加速器组。涅梅诺夫、杰烈波夫、格拉祖诺夫等从被围困的列宁格勒运出了战前建成的加速器，1944年9月8日在莫斯科运行，进行中子束实验，生产钚。
1944年1月11日，洛斯阿拉莫斯理论部门成立了特别小组来研发内爆式核武器，负责人愛德華·泰勒。3月11日，橡树岭Beta电磁型同位素分离器启动。4月5日，在洛斯阿拉莫斯，埃米利奥·塞格雷收到了橡树岭核反应堆增殖的首份钚样品。十天后，他发现自发性裂变的速率过高，无法应用在枪式裂变武器上（因为钚-240混入到了钚-239中的缘故）。5月9日，在洛斯阿拉莫斯，世界上第三个核反应堆——LOPO——达到临界状态。该反应堆是世上首个溶液堆，也是首个以濃縮鈾作为燃料的反应堆。7月4日，奥本海默向洛斯阿拉莫斯实验室的研究人员阐释了塞格雷的发现，并终止了枪式钚核武器的研发。设计内爆式的核武器从此成了实验室的重中之重。枪式铀核武器的研发计划重启。9月22日，洛斯阿拉莫斯实验室使用放射源进行首轮放射性镧测试。9月26日，世界上首个全尺寸反应堆——B反应堆——在汉福德区启用。11月下旬，美国阿尔索斯任务首席科学家塞缪尔·古德斯米特下定论称，依照斯特拉斯堡中发现的有关文档，德国人并没有在核武器、核反应堆的研发计划中取得有效的进展，甚至整个研发计划都没有给予高优先级。12月14日，在一次放射性镧测试中发现了可实现压缩度的确凿证据。
1945年1月7日，首次使用电桥式电雷管進行放射性镧测试。1月20日，K-25工厂进行到第一阶段，使用了六氟化铀气体。同年2月，一小群日本科學家已經成功分離出初步的鈾235複合材料，但兩個月後美軍空襲東京毀掉包括用於熱擴散法提純鈾235的分離塔在内的大部份重要設備，讓鈾堆和重水的生產陷入停頓。另外，日本的原子彈計畫也飽受鈾礦短缺的困擾。軍部命令日本在海外各地的占領軍尋找鈾礦石，在本土、中國、大韓民國、緬甸等地搜刮鈾礦，結果也是徒勞無功。為此，日本甚至開始在黑市上尋找氧化鈾賣家，並向盟友德國進行求助。到了1945年5月14日，即歐洲戰場結束的6天後，德國向日本運送540公斤氧化鈾的U-234潛艇在大西洋向盟軍投降，使得整個戰爭期間，日本獲得的氧化鈾只有在上海黑市上買到的130公斤。4月22日，阿尔索斯任务在德国海格洛赫发现了德国的实验性核反应堆。5月7日，美国田纳西州阿拉莫戈多进行了一场100吨炸药的试爆。7月16日，在阿拉莫戈多，曼哈顿计划引爆了人类历史上的首次核爆炸——三位一体核试——使用了一种内爆式钚核武器（被称为“小工具”）；印第安纳波利斯号重型巡洋舰前往天宁岛，舰上载有核武器。7月19日，奥本海默建议格罗夫斯放弃研发枪式裂变武器，把铀-235用来制作复合堆芯。7月24日，美国总统哈里·S·杜鲁门向苏联领袖约瑟夫·维萨里奥诺维奇·斯大林透露消息称美国有核武器（但苏方早已透过谍报活动得知此事）。7月26日，美、英、中三国联署的《波茨坦公告》发布，威胁会将日本“迅速完全毁灭”。7月27日，日本政府决定对《波茨坦公告》“默杀”（即不予置评），被盟军视为日本拒绝投降。8月6日，艾諾拉·蓋號B-29型轰炸机将小男孩原子彈（枪式铀-235弹）投在了是次行动的主要目标城市广岛市。8月9日，博克斯卡号B-29型轰炸机将胖子原子彈（内爆式钚弹）投在了是次行动的第二目标城市长崎市，因为当日主要目标城市小仓市当天天气状况恶劣。8月12日，《史迈斯报告》公开发表，首次介绍了原子弹的有关技术背景。在日本投降前不久，日本已經可以每個月從韓國和九州的電解氨工廠生產二十公克的重水。重水可以作為核反應堆中的中子慢化劑，這些核反應堆能夠利用中子活化把鈾-238轉化成為可製作核武的重要材料鈽-239。由野口君創辦的朝鮮水利電力公司在二次大戰結束前幾年一直秘密生產重水，其規模可與德國在挪威的重水工廠比擬。甚至有歷史學家指出，他們打算在1945年8月開始進行測試，不過真相隨著蘇聯的佔領而永遠消失。
在参与曼哈顿工程的克勞斯·福克斯送來的核情报，以及美軍於廣島與長崎兩地投下原子彈後，斯大林要求苏联研究人员在五年内完成原子弹爆炸与实战化。斯大林认为在这段时间内美国暂不会对苏联实施核打击。同时，苏联人民委员会成立第二特别委员会，专门负责研制图-4战略轰炸机与喷气发动机技术，马林科夫任第二特别委员会主席，为苏联掌握原子弹的远程战略投掷能力，形成对美国最低限度的核均势而努力。1945年12月10日，苏联人民委员会专门委员会下设工程技术委员会，下设五個委员会，分管817厂（核反应堆）、813厂（气体扩散法铀浓缩）、814厂（电磁法铀浓缩）、化工原料生产厂及矿冶厂的设计建设。
1946年2月，叛逃苏联的伊格尔·古琴科泄露了有关在加拿大的苏联间谍团伙的。该消息被公之于众，引发了公众对“原子间谍”的担忧，导致美国国会对于战后核能法律法规的讨论趋向保守化。7月1日，比基尼环礁进行了代号“Able”的核试。该试验是十字路口行动的一部分。7月25日，比基尼环礁进行了代号“Baker”的核试。8月1日，杜鲁门批准了《1946年原子能法案》（也称《麦克马洪法案》）。
1946年4月9日，斯大林把专门委员会技术委员会与工程技术委员会合并为科学技术委员会，下设五个委员会，分管石墨核反应堆与重水反应堆、气体扩散法铀浓缩、电磁法与离子法铀浓缩、化学冶金，以及工业卫生。該工程於高爾基州的薩羅夫進行，同時也將該地名字改為「阿爾扎馬斯-16」。研究工作由库尔恰托夫院士主持。開發團隊（包括了數位蘇聯核科學的專家，如哈里顿（俄语：）和雅可夫·泽尔多维奇）有著美國政府的協助，更深一層的資訊又有福克斯臥底，但卡皮察院士认为“向我们提供的（美国核）情报是为了把我们引向岐途”，贝利亚與庫爾恰托夫因盡可能採取每一項細節都自行測試的作法。特別是貝利亞還以自己的情報機關作為第三者，檢查科學家團隊的結論是否有問題。
1946年12月25日晚18时，苏联的石墨反应堆“Ф-1”开始临界运行，装入34.8吨金属铀、12.9吨二氧化铀、420吨核级超纯石墨，功率100瓦，瞬间功率3800瓦。石墨反应堆采用了与美国不同的方案：将铀棒垂直放置，而不是水平放置。氧化铀生产与金属铀核燃料生产在莫斯科以东70公里的埃列克特罗斯塔利市的第12厂進行。赫洛平（俄语：）领导的苏联科学院镭研究所則承担钚分离的研究。内务人民委员部第九研究所（特种金属研究所）承担铀矿地质、采掘、矿冶、钚提取技术的研究。有色冶金工业人民委员部稀有金属工业总局稀有金属研究所镭实验室在叶尔绍娃（俄语：）领导下，用金属镁还原四氟化铀，在高频电炉中金属冶炼，早在1944年12月便生产出重量1kg的高纯度金属铀。莫斯科电机厂承担核纯级石墨的研制，早在1944年5月便研制出灰分低于万分之四，硼低于百万分之1.7的石墨。