ticoAg/ChineseCorpus-Kaggle-fanti huggingface dataset:
1944年1月11日，洛斯阿拉莫斯理論部門成立了特別小組來研發內爆式核武器，負責人愛德華·泰勒。3月11日，橡樹嶺Beta電磁型同位素分離器啟動。4月5日，在洛斯阿拉莫斯，埃米利奧·塞格雷收到了橡樹嶺核反應堆增殖的首份钚樣品。十天后，他發現自發性裂變的速率過高，無法應用在槍式裂變武器上（因為钚-240混入到了钚-239中的緣故）。5月9日，在洛斯阿拉莫斯，世界上第三個核反應堆——LOPO——達到臨界狀態。該反應堆是世上首個溶液堆，也是首個以濃縮鈾作為燃料的反應堆。7月4日，奧本海默向洛斯阿拉莫斯實驗室的研究人員闡釋了塞格雷的發現，并終止了槍式钚核武器的研發。設計內爆式的核武器從此成了實驗室的重中之重。槍式鈾核武器的研發計劃重啟。9月22日，洛斯阿拉莫斯實驗室使用放射源進行首輪放射性鑭測試。9月26日，世界上首個全尺寸反應堆——B反應堆——在漢福德區啟用。11月下旬，美國阿爾索斯任務首席科學家塞繆爾·古德斯米特下定論稱，依照斯特拉斯堡中發現的有關文檔，德國人并沒有在核武器、核反應堆的研發計劃中取得有效的進展，甚至整個研發計劃都沒有給予高優先級。12月14日，在一次放射性鑭測試中發現了可實現壓縮度的確鑿證據。
1945年11月，盟軍最高司令部拆除日本一座用於核武研發的加速器設施，該設施由日本物理學家荒勝文策主持建造。荒勝文策在1943年時已設計出一款超速離心機來分離鈾235，但一直沒有投產。他也設計出可行的原子彈藍圖，但因為鈾不夠而在投降時尚未完成。
1945年1月7日，首次使用電橋式電雷管進行放射性鑭測試。1月20日，K-25工廠進行到第一階段，使用了六氟化鈾氣體。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的分離塔在內的大部份重要設備，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，阿爾索斯任務在德國海格洛赫發現了德國的實驗性核反應堆。5月7日，美國田納西州阿拉莫戈多進行了一場100噸炸藥的試爆。7月16日，在阿拉莫戈多，曼哈頓計劃引爆了人類歷史上的首次核爆炸——三位一體核試——使用了一種內爆式钚核武器（被稱為“小工具”）；印第安納波利斯號重型巡洋艦前往天寧島，艦上載有核武器。7月19日，奧本海默建議格羅夫斯放棄研發槍式裂變武器，把鈾-235用來制作復合堆芯。7月24日，美國總統哈里·S·杜魯門向蘇聯領袖約瑟夫·維薩里奧諾維奇·斯大林透露消息稱美國有核武器（但蘇方早已透過諜報活動得知此事）。7月26日，美、英、中三國聯署的《波茨坦公告》發布，威脅會將日本“迅速完全毀滅”。7月27日，日本政府決定對《波茨坦公告》“默殺”（即不予置評），被盟軍視為日本拒絕投降。8月6日，艾諾拉·蓋號B-29型轟炸機將小男孩原子彈（槍式鈾-235彈）投在了是次行動的主要目標城市廣島市。8月9日，博克斯卡號B-29型轟炸機將胖子原子彈（內爆式钚彈）投在了是次行動的第二目標城市長崎市，因為當日主要目標城市小倉市當天天氣狀況惡劣。8月12日，《史邁斯報告》公開發表，首次介紹了原子彈的有關技術背景。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。
在參與曼哈頓工程的克勞斯·福克斯送來的核情報，以及美軍於廣島與長崎兩地投下原子彈後，斯大林要求蘇聯研究人員在五年內完成原子彈爆炸與實戰化。斯大林認為在這段時間內美國暫不會對蘇聯實施核打擊。同時，蘇聯人民委員會成立第二特別委員會，專門負責研制圖-4戰略轟炸機與噴氣發動機技術，馬林科夫任第二特別委員會主席，為蘇聯掌握原子彈的遠程戰略投擲能力，形成對美國最低限度的核均勢而努力。 1945年12月10日，蘇聯人民委員會專門委員會下設工程技術委員會，下設五個委員會，分管817廠（核反應堆）、813廠（氣體擴散法鈾濃縮）、814廠（電磁法鈾濃縮）、化工原料生產廠及礦冶廠的設計建設。
1946年2月，叛逃蘇聯的伊格爾·古琴科泄露了有關在加拿大的蘇聯間諜團伙的-{zh-tw:訊息;zh-cn:信息}-。該消息被公之于眾，引發了公眾對“原子間諜”的擔憂，導致美國國會對于戰后核能法律法規的討論趨向保守化。7月1日，比基尼環礁進行了代號“Able”的核試。該試驗是十字路口行動的一部分。7月25日，比基尼環礁進行了代號“Baker”的核試。8月1日，杜魯門批準了《1946年原子能法案》（也稱《麥克馬洪法案》）。
1946年4月9日，斯大林把專門委員會技術委員會與工程技術委員會合并為科學技術委員會，下設五個委員會，分管石墨核反應堆與重水反應堆、氣體擴散法鈾濃縮、電磁法與離子法鈾濃縮、化學冶金，以及工業衛生。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」。研究工作由庫爾恰托夫院士主持。開發團隊（包括了數位蘇聯核科學的專家，如和雅可夫·澤爾多維奇）有著美國政府的協助，更深一層的資訊又有福克斯臥底，但卡皮察院士認為“向我們提供的（美國核）情報是為了把我們引向岐途”，貝利亞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時，蘇聯的石墨反應堆“Ф-1”開始臨界運行，裝入34.8噸金屬鈾、12.9噸二氧化鈾、420噸核級超純石墨，功率100瓦，瞬間功率3800瓦。石墨反應堆采用了與美國不同的方案：將鈾棒垂直放置，而不是水平放置。氧化鈾生產與金屬鈾核燃料生產在莫斯科以東70公里的埃列克特羅斯塔利市的第12廠進行。領導的蘇聯科學院鐳研究所則承擔钚分離的研究。內務人民委員部第九研究所（特種金屬研究所）承擔鈾礦地質、采掘、礦冶、钚提取技術的研究。有色冶金工業人民委員部稀有金屬工業總局稀有金屬研究所鐳實驗室在領導下，用金屬鎂還原四氟化鈾，在高頻電爐中金屬冶煉，早在1944年12月便生產出重量1kg的高純度金屬鈾。莫斯科電機廠承擔核純級石墨的研制，早在1944年5月便研制出灰分低于萬分之四，硼低于百萬分之1.7的石墨。
冷戰初期的1948年，前蘇聯的鈾-235工廠（817廠）在車里雅賓斯克附近建成。817廠的建設工程在車里雅賓斯克州克孜勒塔什湖南岸進行，工程包括石墨堆（А廠）、放射化學廠（Б廠），及化工冶金廠（В廠）的建設。石墨反應堆建于地下混凝土深井中，井壁厚3米，外包鋼制水箱，井內徑9.4m，設1168根燃料槽。1946年9月開工，1947年1月完成40m深基坑開挖，1947年末主體工程竣工，1948年1月開始安裝調試，1948年6月初開始安裝核燃料，6月10日19時裝入72.6噸金屬鈾后達到1000千瓦鏈式反應。6月22日達到滿功率100兆瓦。1948年12月22日首批鈾塊出堆送入Б廠。Б廠是在1948年8月末完成主體施工開始遙控設備安裝。1949年2月26日首批钚濃縮液從Б廠出廠送入В廠，首先由第九車間生產出硝酸钚，然后由第四車間還原生產金屬钚，最后送入第11車間機加工。1949年8月初生產出蘇聯第一顆原子彈的兩個钚半球。
阿爾扎馬斯-16保密行政區的蘇聯科學院第二實驗室第11研究所承擔原子彈的設計工作，總設計師。1949年8月8日兩顆鍍鎳的钚半球從車里雅賓斯克-40的В廠起運往第11研究所最后組裝。阿爾扎馬斯-16在保密行政區斯維爾德洛夫斯克-44設有氣體擴散濃縮鈾工廠，1949年竣工投產。斯維爾德洛夫斯克-44設有電磁法濃縮鈾工廠。在塔吉克的列寧納巴德建設了第六綜合廠，下設6處礦山和5處浸出廠。
在1949年8月29日，前蘇聯核試驗於哈薩克的塞米巴拉金斯克試驗場第一次試爆原子彈，原子彈的名稱為「РДС-1」（第一閃電）。РДС-1是庫爾恰托夫研究所所構思的，設計與美國的胖子原子彈幾乎是一樣的，引起美國對其研發團隊內存在蘇聯「原子間諜」的猜疑。當時官方稱其為實驗室第二號，但自1946年4月起內部文件將它定性為與辦公室或基地一樣的事物。РДС-1爆炸產生了2.2萬噸的威力。與胖子原子彈一樣，РДС-1是一種內爆型核武器，核心是固體的鈈。
「常春藤麥克」氫彈裝罝外殼（左邊的圓罐物），連接著儀器和低溫設備，20尺高的炸彈有一個低溫杜瓦瓶，空間足夠裝載160公斤的液態氘。「常春藤麥克」的液態氘核融合反應由杜瓦瓶外的一枚Mk5原子彈爆炸所產生的高溫高壓激發。
前蘇聯成功研制出原子彈後，在1950年1月，美國總統杜魯門決定研制氫彈。氫彈的研究工作由愛德華·泰勒領導。1951年泰勒佔有了烏拉姆的一個創新構想，並將其開發成第一個可行的爆炸當量達百萬噸級氫彈設計。烏拉姆及泰勒的貢獻就成了後來的泰勒-烏拉姆設計方案。利用原子彈促進爆炸時產生的高溫，使氘發生核融合反應。1951年5月8日（UTC+11），美國進行氫彈原理試驗，試驗彈代號「喬治」，在太平洋上的恩尼威托克島試驗場進行，當量22.5萬噸，是溫室行動的其中一環。達62噸的試驗裝置放在60余米的鋼架上，裝置以液態氘作為核融合原料，并有冷卻系統使氘處于極低溫。「喬治」試驗彈實際上是一顆充入液態氘的裂變彈，氘氣能夠作為一種助力劑，利用氚在炸彈爆炸時發生的核融合反應產生的高能中子，加劇可分裂物質的鏈式分裂反應，所以被稱為「加強型分裂炸彈」。這次試驗証實了泰勒的構想是可行的。同月24日，美國引爆「Item」試驗彈，這個試驗裝置首次選用了氚作為核融合燃料。
美國在1952年10月31日（UTC+11）於太平洋的埃內韋塔克環礁伊魯吉拉伯島引爆「常春藤麥克」氫彈試驗裝置，是常春藤行動的一環。該裝置是第一個通過測試的泰勒-烏拉姆方案核裝置。該裝置高6米，直徑為1.8米，重達65噸，看上去像個大暖瓶，爆炸威力達1000萬噸TNT當量。相當于廣島型原子彈的500倍。「常春藤麥克」體積比一輛載重汽車還大，它必須裝有笨重的制冷系統，這樣的裝置飛機、導彈都無法運載，沒有什么實戰價值。常春藤行動中的另一個試驗裝置「國王」於同年11月15日（UTC+11）在埃內韋塔克環礁被引爆，當量超過50萬噸TNT，是當時威力最大的純裂變式原子彈。
1953年8月12日，前蘇聯於塞米巴拉金斯克試驗場成功試驗氫彈，名稱為「RDS-6s」，當量為四十萬噸TNT。其方案是采用鋰的一種同位素鋰─6和氘的化合物──氘化鋰作核燃料。氘化鋰是固體，不需冷卻壓縮，制作成本低、體積小、重量輕、便于運載。這種氫彈稱為「乾式」氫彈，所以蘇聯是第一個成功把氫彈實用化的國家。
1954年3月1日（UTC+11），美國在城堡行動中引爆代號「Bravo」的氫彈裝罝，是美國歷來引爆過的測試用核裝罝中威力最大的，當量為一千五百萬噸。「Bravo」氫彈內的核融合材料為30%氘化鋰-6和70%氘化鋰-7的混合物，而由於當時美國研究人員並不知道在高溫高壓下，本來不能進行核子融合的氘化鋰-7會掉下一顆中子成為氘化鋰-6去進行核子融合，這些氘化鋰-7便成為額外的炸彈燃料，因此「Bravo」氫彈的爆炸威力超出了五百萬噸的預期當量。氘化鋰-6由700攝氏度高溫燃燒鋰-6和氘氣（重氫）提取，氘氣則由電解重水而來。
在1954年3月1日（UTC+11），美國在城堡行動中在比基尼島試驗代號「Bravo」的氫彈，這是美國的第一顆實用型氫彈，並是美國歷來引爆過的測試彈頭中威力最大的，當量為一千五百萬噸TNT。英國在1952年於澳洲蒙泰貝洛群島進行英國首次核子試爆。幾位關鍵英國科學家曾在曼哈頓計劃中工作，他們返回英國後在英國原子彈計畫中工作，所以颶風行動武器類似胖子（長崎核爆）核子武器，雖然1946年的麥克馬洪原子能法防止英國使用美國的設計數據。颶風行動採用空心設計，不同於三位一體測試。這種設計增加炸彈當量為30千噸，儘管實際當量接近25千噸。
1955年4月14日（UTC-8），美國在內華達試驗場試驗代號「MET」的核彈，當量2.2萬噸，比預期當量3.3萬噸少33%。該次試驗首次使用由鈾-233和鈽組成的炸彈核心，這是其於TX-7E的「鈾-235/鈽」井。同年，沙哈諾夫留在薩羅夫主導研發並設計製造出蘇聯首枚百萬噸級氫彈。其後前蘇聯於1961年10月30日（UTC+3）在新地島引爆一枚氫彈，稱為沙皇炸彈，是人類至今所引爆過所有種類的炸彈中，體積、重量和威力最強大的炸彈。當量為五千萬噸TNT，其威力是第二次世界大戰投擲於廣島和長崎的「小男孩」原子彈的3,800倍、「胖子」原子彈的2,300倍。其引爆時的火球直徑接近8公里，相當於珠穆朗瑪峰的高度，火球最高處離地面10.5公里，差不多達到了投放炸彈的Tu-95轟炸機的飛行高度。
美國於1956年5月27日首次測試三階段熱核武器，名為「Zuni」，是紅翼行動的一環，這款炸彈的當量為350萬噸TNT，85%的釋放能量來自核聚變，它使用了鋰作為干涉層，而不是會引發核裂變的鈾-238。在同年7月20日，另一個同款熱核武器被引爆，名為「Tewa」，當量為500萬噸TNT，選用了鈾-238作為干涉層。與Zuni不同，Tewa炸彈87%的釋放能量來自核裂變，由於核裂變會造成大量放射性物質污染，所以Tewa被稱為Zuni的骯臟版本。這種三階段熱核武器後來被發展成美國裝備部隊最大的炸彈「Mk-41」。
英國於1957年5月15日擁有氫彈。法國在美國曼哈頓計劃協助下核技術有長足進展，在1960年2月13日阿爾及利亞戰爭期間，法國在阿爾及利亞撒哈拉大沙漠拉甘，完成法國第一個原子彈核試驗藍色跳鼠，當量為7萬噸。
1964年10月16日（UTC+08），中華人民共和國核武研發團隊在羅布泊成功試爆中國第一顆原子彈「邱小姐」。並在3年後的6月17日第六次核試驗中引爆了中國第一顆的氫彈，代號「639」。
在1959年，中蘇關係急劇惡化。1959年6月13日（UTC+08），中國人民解放軍總參謀部正式批準核試驗基地建設。同年11月16日，第一屆全國人民代表大會常務委員會第51次會議決定設立的中華人民共和國第三機械工業部（三機部），主管核工業發展建設和核武器製造。宋任窮被任命為部長，錢三強被任命為副部長。1958年2月11日，原三機部改名為中華人民共和國第二機械工業部（二機部）。中國物理學家鄧稼先組織了研製小組用計算器模擬了原子彈爆炸的過程。隨後，鄧稼先組建了高級理論班子，包括物理學家周光召等人，專門研究解決原子彈設計中的重大技術問題。原子彈內部的力學問題由周光召解決。兩位在流體力學和數學上有很深造詣的副主任成功地解決了不定向流體力學的計算方法問題。鄧稼先自己則親自主持高溫高壓下物質狀態的研究。物理學家江德熙在1961年冬成功研製點火中子源，並把這個裝置命名為「XY小球」。中國從1959年開始在雲南臨滄地區開採鈾礦，一共得到150噸粗鈾原料。與此同時，鈾加工工廠的建設也在進行，工廠對粗鈾原料進一步加工。早在1959年初，二機部所屬的內蒙古包頭核燃料元件廠、甘肅蘭州鈾濃縮廠、甘肅酒泉原子能聯合企業等首批主要工程都已取得了很大進展。1964年，原子彈組裝完成。8月份，原子彈運到了試驗場。試驗場上豎起了一座高達103米的鐵塔，場內設有各種指揮所、觀察哨、輻射偵察分隊、有線課題遙測站以及氣象觀測站。1964年10月14日19時（UTC+08），原子彈被吊上了鐵塔。16日上午，引爆裝置XY小球被安裝上彈體，炸彈在當日14時59分40秒啟動起爆程序，原子彈被成功引爆。後來在1966年10月27日（UTC+08），中國成功試驗能夠運載核子武器的導彈。中國熱核武器的研製緊接進行。于敏率領的研製團隊於1966年5月9日（UTC+08）成功地進行了一次含有熱核材料的核試驗，同年12月28日，又用塔爆方式進行了氫彈原理試驗，當量30萬噸。次年6月17日7時（UTC+08），第六次核試驗中成功試爆熱核自由落體炸彈，引爆的炸彈當量331萬噸。
1968年8月24日，法國成功試爆該國第一枚熱核炸彈，當量260萬噸。1974年5月18日，印度在鄰近巴基斯坦的波卡蘭試驗場試爆名為「波卡蘭-I」的原子彈，當量1萬2千噸。
在古巴導彈危機後，公眾開始重視核武器帶來的後果，於是美國、英國和蘇聯便開始積極進行協商制定《核不擴散條約》相關細節的討論，到1968年美國、英國和蘇聯簽署《核不擴散條約》，而在當時與美國和蘇聯兩個同時都處於對立狀態下的中華人民共和國並沒有簽署此條約。
1980年10月16日，中華人民共和國最后一次大氣核爆炸。1986年3月21日，國際和平年的春季，中華人民共和國政府正式宣布不再進行大氣層核試驗。
1991年12月，蘇聯的解體使自五十年代冷戰開始以來緊張的國際形勢續漸緩和下來，核子大國陸續停止各自的核武試驗。1992年，中國簽署《核不擴散條約》。同年法國也簽署《核不擴散條約》。全世界大多數國家都陸續簽署《核不擴散條約》。
前蘇聯於1990年10月24日進行最後一次核爆炸試驗。蘇聯於1992年解體後，前成員國全部聲稱沒有在進行或已經進行任何核爆炸試驗。英國於1991年11月26日進行最後一次核爆炸試驗。美國在1992年9月進行最後一次核爆炸試驗，以後便停止了核試，然而其基礎核測試仍然在進行，於2012年12月7日便在內華達試驗場測試處於亞臨界狀態的钚的性質。法國於1996年1月27日進行最後一次核爆炸試驗。中華人民共和國在1980年10月16日進行最後一次大氣核爆炸，並於1986年3月21日宣布不再進行大氣層核試驗，但各類型地下核試仍在進行，在1996年7月29日最後一次地下核爆炸試驗後才停止了核試。1996年，中華人民共和國簽署《全面禁止核試驗條約》。
巴基斯坦於1998年5月28日首次公開進行核試驗，名為「賈蓋-I」，作為對印度於同月11日至13日進行的波卡蘭-II核試驗的回應。事件使聯合國安全理事會通過第1172號決議譴責核試驗，並要求兩國不要參與進一步的測試。此外，不少大國執行對巴基斯坦的制裁，例如美國和日本。此次行動是印度最後一次核試。巴基斯坦核專家阿卜杜勒·卡迪爾·汗已經對外承認了自己向北韓、利比亞和伊朗三個國家出售核武關鍵技術。
2003年，利比亞卡紮菲迫於美軍壓力已宣布放棄核武計劃。
朝鮮在2003年退出了《核不擴散條約》。2006年10月9日，朝鮮政府發表公告稱成功進行核試驗。。2007年1月6日，朝鮮政府進一步證實擁有核武器2009年4月，有報告稱朝鮮已成為“完全核國家”，并得到國際原子能機構總干事穆罕默德·巴拉迪的贊同。2009年5月25日，朝鮮進行了另一次核試驗，據信產生了里氏4.7級的地震。雖然沒有試驗位置的官方消息，但是據信試驗是在朝鮮東北部首次核試驗所在地吉州郡萬塔山。估計朝鮮共擁有六枚核武器，但是其軍用目的的鈾濃縮計劃可以將核武器數量在2015年以前增加至15枚。2013年2月11日，美國地質調查局監測到里氏5.1級地震波，據信為第三次地下核試驗。朝鮮官方報道稱此次核試驗十分成功，彈頭更小，但比以前的核武器威力更大，不過沒有提到具體的當量。韓國方面估計其當量約為6至7千噸，但專家指出5.1級地震當量應該為20千噸。同年，伊朗革命衛隊稱在俄、朝提供核彈頭所需鈈的協助下核武研發成功。
2016年1月6日朝鮮民主主義人民共和國引爆一枚核裝置，外界探測當量與前幾次相同，朝鮮當局宣稱是氫彈爆炸。2017年9月3日朝鮮發生規模6.3強烈地震，震源深度零公里，地震地點就在朝鮮核子試驗場所在地豐溪里。朝鮮宣稱成功試爆可安裝在洲際飛彈上的氫彈。
現時科學界已知核子武器的重要威力來源—核連鎖反應—是在地表自然存在的，奧克洛是目前世界上唯一已知的曾經自然發生自持的核連鎖反應的地方，共有16處。從大約20億年以前開始反應，斷斷續續反應幾十萬年，在此期間平均輸出功率為100千瓦。
核武器的發明建基於二十世紀初科學界對原子的研究成果，認識這段歷史是了解核武器原理的第一步。在1896年，法國物理學家亨利·貝克勒在研究鈾和鉀的雙硫酸鹽結晶具有類似磷光發散的現象時，意外發現了鈾的天然放射性，被認為是現代原子物理學的開端，世界各地的學者開始更為關注對原子結構的研究。
1897年，英國物理學家約瑟夫·湯姆孫表明陰極射線應該是由一種未知的帶負電粒子組成，他計算出這種粒子必須比原子小得多，並且有非常大的質荷比，這種未知的帶負電粒子現在被稱為「電子」。湯姆孫在1913年也發現了穩定元素同位素的第一個證據，這是他在探索德國物理學家歐根·戈爾德斯坦在1886年發現的陽極射線的過程中的成果之一。他與另一位英國物理學家弗朗西斯·阿斯頓一起確定帶正電粒子的性質的實驗是質譜法的第一次使用，并導致了質譜儀的發展。1898年，蘇格蘭物理學家詹姆斯·杜瓦用及他所發明的真空保溫瓶，首次製成液氫。翌年，他又製成固體氫。
約瑟夫·湯姆孫發現帶負電的電子，這暗示中性原子內也應該有帶正電荷的粒子，提出原子應該是一個帶正電且電荷均勻分布的圓球，而電子則像梅子分散在布丁上，並在1903年提出「梅子布丁模型」。日本物理學家長岡半太郎反對湯姆生的模型，並指出相反電荷間是無法穿透的。他提出的模型則是帶正電子的核心在原子中間，周圍環繞著若干電子。於是，長岡半太郎在同年獨立提出原子的準行星模型，稱為「半太郎土星模型」。長岡半太郎建議電子的軌道就像土星環，這是從蘇格蘭學者詹姆斯·馬克士威的土星環穩定理論獲得的靈感。他的模型是基於跟土星環穩定性的類似解釋（土星環能穩定存在是因為土星質量極大），並預測一個質量極大的原子核和受到電磁力束縛的電子環繞著原子核。紐西蘭物理學家歐尼斯特·拉塞福在1911年一篇論述自己提出的「拉塞福模型」的論文裏，提到了長岡半太郎的。拉塞福在1908年至1909年間，在研究α粒子穿過金箔產生散射的過程中發現了α粒子的大角度散射現象，從而證明原子的中心含有直徑約10費米的質量電荷中心。至此，長岡半太郎的這兩個預測都成功被歐內斯特·盧瑟福的實驗確認。然而根據古典力學原理，這樣的原子會因為電子發射電磁波而不穩定。而且，所發射出來的電磁波波譜不符合所觀測到的原子光譜。不論是「半太郎模型」還是「拉塞福模型」也沒有給予電子的環繞運動任何結構。這些問題後來被丹麥物理學家尼爾斯·玻爾於1913年提出的「玻爾模型」所解決，他首次引入量子化的概念來研究原子內電子的運動，對於計算氫原子光譜的芮得柏公式給出理論解釋。在波耳模型中，位於特殊軌道的電子具有取決於軌道半徑才擁有特定的能量，這個能量值後來被稱作能級。半太郎土星模型亦預言了質子的存在，但歐尼斯特·拉塞福在1917年至1925年間以多項粒子撞擊實驗，証明氫原子核存在於其他更重的原子核內，質子才被主流認為確實存在。
1919年，英國科學家弗朗西斯·阿斯頓製成第一臺質譜儀。阿斯頓用這臺裝置發現了多種元素同位素，研究了53個非放射性元素，發現了天然存在的287種核素中的212種，第一次證明原子質量虧損。同年，紐西蘭物理學家歐內斯特·盧瑟福通過用α粒子轟擊氮核，使之放出質子的方式，首次用人工方式實現了核嬗變反應。這種利用射線轟擊原子核來引起核反應的方法逐漸成為原子物理研究的主要手段。英國科學家弗朗西斯·阿斯頓和弗雷德里克·林德曼于同年提出利用離心機來分離同位素。
1920年，英國天文學家亞瑟·愛丁頓提出氫氦聚變可能是恆星能量的主要來源，揭示了核聚變的潛力。1923年，美國物理學家阿瑟·康普頓觀察到X射線或伽瑪射線的光子跟物質交互作用，因失去能量而導致波長變長的現象，即「康普頓效應」，後來的核電磁脈沖彈應用了這一原理。1928年，日本物理學家仁科芳雄在與瑞典物理學家奧斯卡·克萊因共同發表康普頓散射研究論文，並推導出關於X射線的康普頓散射的「克萊茵－仁科方程式」。
1929年，美國物理學家歐內斯特·勞倫斯與李明斯頓發展出迴旋加速器，將質子分別經過一連串相對低的電壓加速。第一部迴旋加速器建於1930年，稍後的改良則於1934年完成。世界第二部迴旋加速器則由日本物理學家仁科芳雄於1936年在理化學研究所制成。1932年，英國物理學家約翰·考克饒夫與愛爾蘭物理學家歐內斯特·沃爾頓製造出原子擊破器，利用七十萬伏單一的高電壓對質子加速，然後再拿它們轟擊鋰靶，分離出氦。沃爾頓的這個實驗證明了早期歐內斯特·盧瑟福所提出的「盧瑟福模型」，後來的「玻爾模型」對原子結構的描述則更為細緻。
1931年12月，美國科學家哈羅德·尤里的研究小組發現氘，並在1932年發現重水，即含有氘的水。1932年，在盧瑟福的核嬗變實驗基礎上，澳大利亞核物理學家馬克·奧利芬特完成了氫同位素的實驗室聚變。在1934年，馬克·奧利芬特發明利用電磁分離法從天然鈾中提煉鈾-235，這也是美國物理學家採用的提煉程序。歐內斯特·盧瑟福、馬克·奧利芬特和則在同年首次製備出氚。1936年，傑西·韋克菲爾德·比姆斯（Jesse Wakefield Beams）和F. B. Haynes使用弗朗西斯·阿斯頓的離心機分離法成功分離了氯的同位素。
1938年12月，德國化學家弗里茨·施特拉斯曼和奧托·哈恩認證了中子轟擊鈾核產生的鋇。1939年，奧地利-瑞典原子物理學家莉澤·邁特納與她的外甥奧托·弗里施將施特拉斯曼發現的這一未知現象歸結為鈾核發生了核裂變，并在該年1月13日通過實驗驗證了這一點。蘇聯科學院的和雅可夫·鮑里索維奇·澤爾多維奇對產生鏈式核裂變的條件進行了深入研究，1939年10月完成了《鈾的主要同位素的鏈式裂變研究》與《論慢中子作用下鈾的鏈式裂變反應》，發表在蘇聯《實驗物理和理論物理》雜志上，系統闡明了鈾-238只能用重水做減速劑才能鏈式裂變；鈾-235在濃縮含量大于0.7%以上可以用輕水做減速劑發生鏈式反應。1940年3月，二人完成第三篇論文《鈾核鏈式裂變的動力學問題研究》，發表在《實驗物理和理論物理》雜志1940年第5期，闡明了核反應堆設計中起決定性作用的物理過程、慢中子與快中子的反應截面，緩發中子對超臨界的影響、核能制造炸彈獲取能量的可能性，理論計算得出了鈾-235在快中子照射下的臨界質量是10kg。1939年，蘇聯科學院列寧格勒物理技術研究所核研究室年輕的核物理學家格奧爾基·尼古拉耶維奇·弗廖羅夫與魯西諾夫實驗測量了每個鈾核裂變時釋放的次級中子數為3±1個。
1940年3月，英國物理學家奧托·弗里施、魯道夫·佩爾斯撰寫了弗里施-佩爾斯備忘錄，計算出原子彈的爆炸可能只需要的濃縮鈾。該備忘錄先是到了澳大利亞物理學家馬克·奧利芬特手中，后者將其轉交給了英國化學家亨利·蒂澤德。丹麥物理學家尼爾斯·玻爾根據他的原子核液滴模型從理論角度分析認為，由慢中子導致裂變的物質應該是鈾-235而不是數量更豐富的鈾-238，慢中子可引發鈾-235的核裂變。1940年4月，為驗證玻爾的說法，用質譜儀制造出微量的濃縮鈾-235。及後，美國物理學家約翰·鄧寧的團隊，包括阿里斯蒂德·格羅斯（Aristid von Grosse）、尤金·布斯（Eugene T. Booth），證實了玻爾的理論分析。美國核物理學家利奧·西拉德和沃爾特·津恩（Walter Zinn）很快又證實每一次核裂變都釋放一個中子。至此，幾乎可以肯定核鏈式反應是可以發生的，原子彈的開發具有理論可行性。此外，馬克·奧利芬特一直在嘗試説服歐內斯特·勞倫斯將他的37英寸回旋加速器改裝成一個巨大的質譜儀，以用來分離同位素，在1941年11月24日，勞倫斯的37英寸回旋加速器被拆除。它的磁鐵被用於建首個電磁型同位素分離器，這種儀器後來被用於橡樹嶺的Y-12工廠的鈾濃縮。美國物理學家恩里科·費米最先發現超臨界組合。他的發現開展了受控制的連鎖反應的研究，後來發展成核子反應爐。
1940年5月弗廖羅夫與為屏蔽宇宙射線影響在莫斯科迪納摩地鐵站的位于地下60米深井下進行不同能量中子源作用下鈾核裂變釋放中子流量的實驗時，發現了自發裂變現象，發表在美國《物理評論》。
自1940年開始，美國化學家格倫·西奧多·西博格與埃德溫·麥克米倫等人開始制備超鈾元素。埃德溫·麥克米倫和菲力普·艾貝爾森研究團隊發現了錼（93），他們用回旋加速器以低速中子撞擊鈾靶，生成了錼239。錼是首個被發現，也是首個人工合成的錒系超鈾元素。1941年2月25日，格倫·西奧多·西博格與阿瑟·華爾發現了钚（94），钚-239和鈾-235同樣是有能力維持核鏈式反應的可裂變物質，但相較鈾-235而言更容易量產，因此也更具實戰價值。從1940年到1958年，他們一共發現9個新元素，包括原子序數94到102。包括钚（94）、镅（95）、鋦（96）、锫（97）、锎（98）、锿（99）、鐨（100）、鍆（101）和锘（102）。1944年，西博格提出錒系理論．預言了這些重元素的化學性質和在周期表中的位置。這個原理指出，錒和比它重的14個連續不斷的元素在周期表中屬于同一個系列，現稱錒系元素。西博格還發現了易裂變的同位素：钚239和鈾233等。
核裂變將重原子核分裂為輕一些的原子核，而核聚變則是將輕的原子核聚在一起形成更重的原子核。從某種意義上說，裂變和聚變是相反的又互補的兩種反應。下面的解釋使用了近似的數字
當一個自由的中子擊中了一個可能會發生裂變的原子核，例如 235鈾 時，鈾原子核會分裂成兩個較小的原子核，稱為裂變碎塊，同時產生更多的中子。裂變可以自己維持，就是因為它能產生越來越多的能夠觸發新的裂變的中子。
鈾-235的分裂方式可能有幾十種，這是其中一種。圖中表示鈾-235原子核在捕獲一顆慢中子後，分裂為銣-92原子核、銫-140原子核和兩個中子，同時釋放出200兆電子伏特的能量。這些能量絕大部分都作為非中子分裂物的動能，而那些分裂出來的中子只分配到較少的能量。
鈾-235的分裂方式可能有幾十種，但是不論是哪種分裂方式，分裂產物的原子量加起來都是236，即鈾原子核和自由中子的重子數之和（重子數守恒），例如，如下的核反應方程表示鈾-235的原子核分裂為鍶-95原子核，氙-139原子核，和兩個中子，同時釋放出能量：
: 235鈾 + 中子  （95鍶 + 139氙 + 兩顆中子，180兆電子伏）+ 伽瑪射線
反應中釋放了180兆電子伏特的能量，其中90%的能量為分裂后的原子核的動能。由于生成的兩個原子核帶有正電荷，兩個原子核將被強力推開，初始的動能可以達到67TJ/kg，也就是12000千米每秒。由于裂變碎塊帶有正電荷，他們會與周圍的原子核產生了大量的非彈性碰撞，于是這些碎塊仍然留在了核裝藥中，直到他們的能量轉化為了X射線熱量。在核爆中，這個過程大約僅僅持續1微秒。而X射線的能量將轉化為沖擊波和高溫，形成核武器通常的主要危害。
在裂變反應慢下來以后，裂變材料的放射性仍然存在。由于新生成的元素中含有大量的中子，他們將通過β衰變轉換成為新的原子核。在這個過程中，中子通過釋放一個電子和γ射線轉化為質子。每一個裂變產物的原子核都會衰變1到六次，平均為3次，可以產生大量不同元素的同位素，有些穩定，有些有放射性，有些半衰期甚至長達20萬年。在反應堆中，這些放射性產物為用過的核燃料中的核廢料。而在核武器中，這些放射性產物將產生放射性塵埃。
同時，在爆炸時的核彈內部，裂變所釋放出來的中子會撞擊臨近的鈾原子核并使它們也發生裂變。這樣發生裂變的原子數量以指數的速度上升（這也就是所謂的鏈式反應）。在短短的一微秒內，發生裂變的原子數就可以翻上一百番，也就是將會有數噸的鈾原子發生裂變。但是實際上，核彈中的裝藥不會有這么多，而且在核裝藥被炸開之前，通常只有數千克的鈾發生了裂變反應。核武器設計中的一個關鍵難題就是如何保證核裝藥能夠保持盡可能長的時間不被炸散。核裂變所釋放出來的熱量會使鈾發生膨脹，使得鈾原子的距離變遠。這樣裂變所釋放出來的中子在觸發新的裂變之前就飛出核裝藥的可能性就會大大增加，甚至會導致鏈式反應停止。
核武器中通常使用的兩種裂變物為鈾-235和钚-239，它們都是能夠通過鏈式反應來維持裂變的物質，被稱為可裂變物質。鈾元素最常見的同位素鈾-238也可以發生裂變，但是不能直接作為核彈的裂變物。由于鈾-238在裂變反應中所釋放出來的中子的能量不夠，不足以觸發新的裂變，因而無法維持鏈式反應。然而它的裂變仍然可以釋放巨大的能量。通常可以使用聚變源所釋放的中子使其發生裂變。鈾-238在裂變中釋放的能量是二階段熱核武器釋放的能量的主要來源。
由于聚變所釋放出來的能量不足以維持高溫高壓的聚變環境，它一般無法形成鏈式反應。它產生的中子通常會帶走絕大部分的能量。在核武器中，通常使用的聚變反應被稱為D-T反應。在高溫高壓的環境下，氫的兩種同位素氘（D）和氚（T）會形成一個氦核與一個中子，同時釋放出能量：
: 2氘 + 3氚  （4氦，3.52兆電子伏）+（中子，14.06兆電子伏）+ 伽瑪射線
注意，反應中釋放出的總能量僅僅是裂變反應的十分之一。但是由于反應物的質量僅僅是裂變反應的十五分之一，單位質量的聚變物質釋放出來的能量更為巨大。一千克氘聚變釋放出來的能量等於4千克鈾-235的裂變。然而由于主要的能量都被中子所帶走，而中子又不帶有電荷、質量又與氘氚原子核差距不大，它所帶有的能量不會被用來維持聚變反應，也不會產生能夠引起沖擊波和火焰的X射線。為了利用聚變所釋放的能量，在實踐中需要將中子源用重金屬包圍起來，比如鉛、鈾、钚等等。如果14兆電子伏特的中子被鈾原子核（238或235）捕獲，將會引發鈾原子核的裂變反應，同時釋放出180兆電子伏特的能量，能量增加了十幾倍。
因此，通常裂變被用來引發聚變，幫助維持聚變，并增大聚變產生的中子攜帶的能量。注意在中子彈中，我們不需要使用裂變來增加釋放能量，這是因為中子彈釋放的中子就是我們需要的目標。
第三個需要介紹的核反應可以用來制造氚，因此同樣非常重要。氚是使用了聚變的核武器的核心，并且也是核武器中最貴重的部分。氚，也被稱為氫-3，包含一個質子和兩個中子。自然界中的氚一般是宇宙射線中的高能中子擊中了氘原子核，氘核于中子結合生成氚核。而在人工制造的過程中，一般通過用一個中子轟擊鋰-6原子核，從而產生一個氦-4原子核于一個氚原子核，同時釋放出能量，
: 6鋰 + 中子  4氦 + 3氚，5兆電子伏
中子由一個核反應堆提供。工業化的將鋰-6轉為氚的過程于將鈾-238轉化為钚-239的過程非常相似。在這兩個轉化過程中，反應物質都放置在一個核反應堆，經過一段時間取出進行處理。在20世紀50年代，核反應堆的容量有限，生產氚和生產钚互為競爭關系。核武器中使用的每一個氚原子都是本應用來生產钚原子的。一個钚原子裂變釋放出的能量是一個氚原子聚變所釋放出的能量的十倍，因此僅當氚可以補償生產氚時所浪費的能量的時候，亦即可以觸發更多的裂變時，才會在核武器中使用氚，也就是在聚變增強彈中。
然而，一個爆炸的核彈就是一個核反應堆。上面所說的過程可以在二階段熱核武器的第二階段中同時發生，于是也就在設備爆炸的同時提供了聚變所需要的氚。
在所有這三種類型的核武器中，純裂變核彈僅使用了第一個核反應，第二個，聚變增強彈使用了前兩個，而第三個，二階段熱核武器使用了所有的三個核反應。
臨界質量是維持自持或發散的鏈式裂變反應所需要的裂變材料的最小質量。剛好可以產生鏈式裂變反應的組合，稱為已達臨界點。如果減少裂變材料的質量，核裂變的速率會隨時間減少，稱為「次臨界」。處於次臨界的裂變材料不能維持鏈式裂變反應，因為原子間的夾縫太大，中子會從空隙中逃逸。如果增加裂變材料的質量，核裂變的速率會以指數增長，稱為「超臨界」。處於超臨界的裂變材料能產生鏈式裂變反應，但因原子間的距離仍然很大，中子行程較遠，裂變反應間隔時間因而被延長，這時核燃料只會緩慢燃燒，而不會引發核爆炸。如果鏈式反應觸發多個裂變反應同時發生，稱為「即發臨界」，是超臨界的一種。處於即發臨界的組合便會產生核爆炸。內爆式原子彈設計有兩個處於次臨界的同心空心球，內爆將把它們原有的密度至少擠壓得增加一倍，縮短了裂變中子在原子核之間穿行的距離，從而達至即發臨界。
裂變材料的臨界質量取決於材料的成分，如種類、富集度，諸材料的幾何排列、系統的形狀、慢化劑的性質、有否中子反射體，以及反射體的材料及其厚度等，也與臨界質量有關。臨界質量反射層通過反射使中子返回裂變物質中，便能減小臨界質量，並且增加系統的慣性，延長它停留在超臨界狀態的時間。但由於反射中子的行程較長，這使各次裂變反應的間隔時間被延長。中子亦會因在反射層中非彈性散射而造成能量損失，效益因而減弱。因此，要計算反射材料對降低臨界質量的效益，便要考慮反射材料的吸收藏面和散射截面。
臨界體積可以通過方程求出。在鏈式裂變反應進行時，中子的擴散滿足擴散方程，中子的密度下降，同時中子的密度卻會因鏈式反應不斷增加，密度的增加速度是正比於中子的濃度，中子越多則中子密度的增加就越快。因此，在中子的擴散與增殖的此消彼長作用下，物質就會有一個臨界體積，當物質體積大於臨界體積的時候，中子濃度會隨著時間指數增加，引發核爆炸。能夠以最少的物料到達臨界質量的形狀是球形。如果在四周加以中子反射物料，臨界質量可以更少。有中子反射的球形鈾-235臨界點為15公斤左右。钚則為10公斤左右。
核分裂的鏈式反應只有特定符合條件的物質才能維持，這些符合條件的物質稱為「可裂變物質」。可裂變物質一般都能夠成為核子武器中構成核分裂反應部份的裝填物，例如鈾-232、鈾-233、鈾-235、鈽-239、鈽-241、鋦-242和鋦-248之間的同位素、鋦-250、鉲-249、鉲-251、鋂-242等等。一公斤鈽-239核分裂能產生等同於兩萬一千噸TNT的能量，是鈽彈威力的主要來源。在生產鈽-239時會產生雜質鈽-240，一般而言鈽-240的含量比例要低於7%，才能作為核子武器的源材料。鈾-233可以進行鏈式裂變反應。美國曾在1955年試驗了一枚鈾-233測試彈。他們總結鈾-233核彈是非常強力的武器，但是與同時的鈾鈽核彈相比，它只有少量的可持續技術優勢，特別是純同位素鈾-233難以取得。鋂-242m1的熱中子吸收截面最大，為5,700靶恩，因此維持核連鎖反應所需的臨界質量很低。裸露的鋂-242m1球體臨界質量大約為9至14公斤（不確定性是由於缺乏有關其物質特性的數據）。加上中子反射體後，臨界質量可降至3至5公斤，如果使用水反射體則更低。這樣小的臨界質量有助於製造手提核武器，但由於鋂-242m1的稀少和昂貴，故未能實現。
在武器控制的條約中，特別是禁止生產核武器用裂變物質條約的提案中，可裂變物質通常用來指主要用于核武器中的可裂變物質。這些物質可以維持有爆炸性的裂變鏈式反應。符合這個定義但不符合通常核物理中定義的物質是镎-237。
一些可行的核聚變燃料及聚變形式包括：
*氘氚聚變（聚變臨界溫度為大約1.0×108 K）
*氖聚變（聚變臨界溫度和密度分別為大約1.2×109 K和4×109公斤/米3）
*碳聚變（聚變臨界溫度和密度分別為大約6×108 K和2×108公斤/米3）
氘化鋰-6是熱核武器中的重要核聚變燃料。二階段熱核武器中，第一階段的裂變彈在爆炸時釋放的中子會轟擊鋰-6原子核，從而產生一個氦-4原子核和一個氚原子核，同時釋放出能量。這時氚和氘會進行核融合，進一步釋放能量。氘氚核融合釋放的快中子會進一步激發鈾-238的裂變，釋放更多能量，大幅增加炸彈威力。二階段熱核武器中的裝填物氘化鋰一般是氘化鋰-6和氘化鋰-7的混合物，其中只有氘化鋰-6中的鋰-6能夠轉化為氚，然而氘化鋰-7能夠在核爆中的高溫高壓轉化成氘化鋰-6，從而成為炸彈燃料。
雖然只有當鈾235含量超過90%才會被稱為「武器級濃縮鈾」，然而鈾235含量只達到10%左右的濃縮鈾，只要配合適當的中子源及中子反射體，仍足夠達至即發臨界，引發核爆炸。而要使核爆炸成為可能，至少需要使鈾235的濃度達到7%。
在一些氫彈設計中，鈹製薄板或薄片會被用作包裹鈈核的中子反射層，因為它有助降低臨界質量。不能維持核分裂鏈式反應的鈾-238也能夠被用於構成炸彈內的中子反射層，其他合適材料還有碳化鎢等高密度的中子反射體。在裂變彈中，以鈽-239制成的炸彈核心的空心位置通常會充入氚氣，氚氣會在爆炸時的高溫高壓下進行核融合，氘氚核融合反應產生的快中子的能量達到14.1兆電子伏特，可以很有效的使鈾-238和其它不是可分裂物質的超鈾元素發生分裂。此時，以鈾-238構成的中子反射層也會進行核分裂，增加炸彈威力。
鉲-252為強中子放射源，能夠用於核武的點火裝置。
本章節簡要説明鈾彈的其中一種可能的制作流程。
**將硝酸注入鈾礦陣列井，產生硝酸鈾醯溶液，然後將硝酸鈾醯溶液原地提取出來。
**硝酸鈾醯溶液在地面工廠萃取純化。
**使純化後的硝酸鈾醯與氨反應，生成重鈾酸銨。
**重鈾酸銨加熱至260℃時會分解成三氧化鈾。
**三氧化鈾加氫還原得到二氧化鈾。
**二氧化鈾與氫氟酸反應生成四氟化鈾。
**四氟化鈾與氟進行氧化反應產生六氟化鈾。
**使用氣體擴散法將六氟化鈾濃縮。氣體擴散法的主要技術組件是一層以耐六氟化鈾腐蝕材料製成的多孔氣體擴散薄膜或管狀膜（此為關鍵技術）
**用氫還原將六氟化鈾轉化成四氟化鈾
**用大批量的鎂或小批量的鈣還原四氟化鈾來實現從四氟化鈾到金屬鈾的轉化。還原反應一般在高于鈾熔點（1130攝氏度）的溫度下進行。
**使用專門設計的金屬切割機，將金屬鈾切割成理想形狀。（此為關鍵技術）
鈾的沉積物如瀝青鈾礦，可以用地質手段勘探發現。這些礦石經過抽樣化驗以評估能夠以合適的成本從礦物中提取的鈾的數量。鈾儲量指的就是能夠在指定的成本下開采出來的礦石數量。現時在鈾市場中出售的鈾精礦一般是八氧化三鈾。
鈾礦石可以通過常規的開采手段通過露天或者地下的方式開采。美國的鈾礦石通常含有0.05到0.3%的八氧化三鈾。其他國家發現的鈾沉積物可能品位更高，儲量也比美國的大。某些鈾礦的鈾含量也可能非常低，僅百萬分之50至百萬分之200。通過合適的技術，這些含量很低的鈾礦也有開采價值。
*浸取：最常見的鈾礦開採方法。這種技術首先通過規則排列的陣列井將鈾礦石原地提取出來，隨后通過地面工廠將鈾萃取出來。
*常規開採：傳統的礦石開採方法，使用磨機將礦石磨成顆粒。
*海水回收：從海水中提取鈾。每升海水含有3.3微克的鈾。
1984年，美國俄亥俄州派克頓的氣體離心機級聯，用于生產濃縮鈾。每臺離心機的高度約為12米。如今使用的常規離心機體積更小，高度不到5米。
勞倫斯利佛摩國家實驗室內的一套原子蒸氣激光同位素分離裝置。圖中發出綠光的裝置為銅蒸氣泵浦激光器，它作為泵浦能量源驅動精密調諧波長的染料激光器（橙色光束）
同位素分離是核武器材料製造的關鍵技術。鈾同位素需要被分離以提供濃縮鈾作為核反應堆的燃料或者用于核武器中氫同位素需要被分離以提供重水作為核反應堆中的中子減速劑鋰-6需要被提純以應用于熱核武器中。
*氣體擴散法：從六氟化鈾氣體中提取濃縮鈾（鈾-235含量較高的鈾材料）
*氣體離心法：從六氟化鈾氣體中提取濃縮鈾
*早期質譜分離法：一種早期的鈾濃縮方法，從溴化鈾中提取極微量的濃縮鈾。
**電磁同位素分離法：從四氯化鈾中提取濃縮鈾
**分子激光同位素分離（MLIS）
***濃縮鈾：用具有特定能量的激光束射擊氯化鈾，把鈾-235與氯之間的分子鍵斷開，但保留鈾-238與氯間的鍵合。鈾-235便能以金屬態從溶液中沉澱分離出來。另外也可以用紅外激光來照射六氟化鈾氣體，并將那些包含有鈾-235原子核的分子激發。第二個激光可以將一個氟原子從被激發的分子中釋放出來，形成五氟化鈾，而這種物質可以從氣體中沉淀出來。由于這種方法的產物五氟化鈾必須重新被氟化成六氟化鈾才能進行下一級提純，這種方法很難以被多極化。這種方法如今正在被改進，以使得僅僅通過一級就可以將鈾-235的濃度提升至95%。這個方法目前仍無法工業化。
**原子蒸氣激光同位素分離（AVLIS）
***濃縮鈾：用可調激光器射擊氯化鈾，分離鈾-235。激光被調整為某一個適當的波長使得核原料中僅僅某一中同位素可以被激發和電離。同位素對光的共振吸收與原子核的質量和某種電子與原子核間超精細作用有關，因此可以通過精確調節激光的波長使其僅與某種特定的同位素發生作用。原子核電離以后，它可以通過施加一個外加的電場從樣品中移除。與其它方法相比，這種方法更容易被隱藏，因此在核擴散領域內引起廣泛關注。這種方法中使用的可調諧激光，包括染料激光和激光二極管。
**激光激發同位素分離（SILEX）：第三代的激光同位素分離技術。由澳大利亞的西勒克斯系統公司（Silex Systems）開發。
***濃縮鈾：使用六氟化鈾作為原料，在同位素被電離以后使用磁場將其分離出去。
**同位素選擇性活化的化學反應同位素分離（CRISLA）
輻照核燃料后處理技術是指把經輻照後的核燃料中的鈈和鈾，從強放射性裂變產物及其他超鈾元素中分離出來的技術工藝。
** 鈈鈾萃取法（普雷克斯過程）：目前的標準輻照核燃料後處理技術。將輻照燃料溶解在硝酸中，接著通過利用磷酸三丁酯與一種有機稀釋劑的混合劑的溶劑萃取法分離鈽和鈾和分裂產物。鈽元素通常是在核子反應爐中生產，以正在進行核分裂的鈾-235所?放出的中子碰撞鈾-238得出鈾-239，經過兩次分別維期23.5分鐘和2.3565天的β衰變後，最終形成鈽-239。此時這些鈽產品和其他超鈾元素混合在一起，要通過普雷克斯流程從反應爐中的鈾中分離出來，才能裝填在炸彈內。鈾-233亦能以相似的方式製作，釷-232在吸收中子後會轉化為鈾-233。
* 焦化處理法：焦化處理是許多高溫再處理方法的縂稱。這些方法也使用溶劑。但與水相萃取不同，本法的溶劑一般是熔鹽，比如氯化鋰-氯化鉀混合鹽或者氟化鋰-氯化鈣混合物；也可以是熔融金屬，諸如鎘、鉍和鎂。工藝中一般會用到電解精煉、蒸餾以及溶劑萃取步驟。焦化處理方法目前應用不多。美國阿貢國家實驗室等研究機構一直在開展這方面的研究。
** 磷酸鉍過程：一種早期的分離技術
** 2,2'-二（正丁基氧基乙基）醚（Butex）萃取法
*從硝酸鈈到氧化鈈：將硝酸鈈溶液轉化成二氧化鈈
*從氧化鈈到金屬鈈：用強腐蝕性氟化氫使二氧化鈈氟化，產生氟化鈈，然後用高純度鈣金屬使氟化鈈還原，產生金屬鈈和氟化鈣渣。
核燃料元件制造技術是指加工核材料的技術工藝。四氟化钚、乙酸鈾酰、硝酸鈾酰、八氧化三鈾等都屬於核材料。
**從粗鈾到重鈾酸鈉的轉化：將瀝青鈾礦粉碎後與硫酸和硝酸混合，其中的鈾溶解後轉化為硫酸鈾醯，加入氫氧化鈉使之沉澱為重鈾酸鈉。
**從粗鈾到六氟化鈾的轉化：將磨碎鈾礦溶於硝酸，產生硝酸鈾醯溶液。萃取純化後，使硝酸鈾醯與氨反應，生成重鈾酸銨。重鈾酸銨加熱至260℃時會分解成三氧化鈾。三氧化鈾加氫還原得到二氧化鈾，再與氫氟酸反應生成四氟化鈾。四氟化鈾與氟進行氧化反應產生六氟化鈾。
**從鈾濃縮物到三氧化鈾的轉化：用硝酸溶解鈾濃縮物，用磷酸三丁酯之類溶劑萃取純化的硝酸鈾酰；然后，通過硝酸鈾酰濃縮和脫硝產生三氧化鈾，或用氣態氨中和產生重鈾酸銨，接著通過過濾，干燥和煅燒轉化為三氧化鈾。
**從三氧化鈾到二氧化鈾的轉化：用裂解的氨氣或氫氣還原三氧化鈾來實現。
**從三氧化鈾到六氟化鈾的轉化：直接通過氟化實現，該過程需要一個氟氣源或三氟化氯源。
**從三氧化鈾到四氯化鈾的轉化：使用氫來把三氧化鈾變成二氧化鈾，再和四氯化碳進行反應，生成四氯化鈾。四氯化鈾較六氟化鈾容易控制，缺點是易潮解，因此操作必須在用五氧化二磷保持乾燥的手套箱中進行。
**從三氧化鈾到四溴化鈾的轉化：用三氧化鈾和四溴化碳在165℃反應得到四溴化鈾。
**從二氧化鈾到四氟化鈾的轉化：用氟化氫氣體在300-500攝氏度與二氧化鈾反應來實現。
**從鈾的氧化物到五氯化鈾的轉化：將氧化鈾和四氯化碳在高溫高壓條件下進行反應，得到的產物是五氯化鈾和光氣。
**從六氟化鈾到二氧化鈾的轉化
***用氫氣和水蒸氣將六氟化鈾還原并水解為二氧化鈾
***通過溶解在水中而將六氟化鈾水解，然后加入氨沉淀出重鈾酸銨，接著可在820攝氏度用氫氣將這種重鈾酸鹽還原為二氧化鈾
***將氣態六氟化鈾、二氧化碳和氨通入水中，結果沉淀出碳酸鈾酰銨。在500-600攝氏度，碳酸鈾酰銨與水蒸氣和氫氣發生反應，生成二氧化鈾。
**從六氟化鈾到四氟化鈾的轉化：用氫還原實現
**從四氟化鈾到六氟化鈾的轉化：用氟氣在塔式反應器中與四氟化鈾發生放熱反應來實現。使流出氣體通過一個冷卻到-10攝氏度的冷阱把熱的流出氣體中的六氟化鈾冷凝下來。該過程需要一個氟氣源。
**從四氟化鈾到金屬鈾的轉化：用大批量的鎂或小批量的鈣還原四氟化鈾來實現。還原反應一般在高于鈾熔點（1130攝氏度）的溫度下進行。
核反應堆的堆芯是一個能承受一次冷卻劑的工作壓力的壓力容器，冷卻劑選用導熱性強的液態金屬鈉，並用專門設計的泵使之循環，泵必須精密密封防止冷卻劑滲漏。其他部件包括控制棒導管、熱屏蔽層、檔板、堆芯柵格板、擴散板等。反應堆設有專門設計的燃料裝卸機，能進行停堆裝料操作。堆中的控制棒能控制反應堆的反應速率，使用能夠吸收中子的物料製成。反應堆用的一次冷卻劑的壓力管工作壓力超過740磅/平方英寸。反應堆鋯管選用鉿與鋯之重量比低於1:500的鋯金屬和合金。反應堆用的石墨純度要高於百萬分之五硼當量，密度要大於1.5克/立方厘米。
鈽最大生產率每年不超過100克的反應堆稱為「零功率反應堆」，由於此類型反應堆遠遠不足以制造核武，因此其出品不受監管。
*重水生產：可以以水-硫化氫交換法或氨-氫交換法生產。
**水-硫化氫交換法：基於在一系列塔內（通過頂部冷和底部熱的方式操作）水和硫化氫之間氫與氘交換的一種方法，在此過程中，水向塔低流動，而硫化氫氣體從塔底向塔頂循環。使用一系列帶孔的塔板促進琉化氫氣體和水之間的混合。在低溫下氘向水中遷移，而在高溫下氘向硫化氫中遷移。氘被濃縮了的硫化氫氣體或水從第一級塔的熱段和冷段的接合處排出，并且在下一級塔中重復這一過程。最後一級的產品是氘濃縮至高達30%的水，會被送入一個蒸餾單元以制備反應堆級的重水（99.75%的氧化氘）。
**氨-氫交換法：在催化劑存在下通過同液態氨的接觸從人造氣中提取氘。人造氣被送進文換塔，而后送至氨轉換器。在交換塔內氣體從塔底向塔頂流動，而液氨從塔頂向塔底流動。氘從人造氣的氫中洗滌下來并在液氨中濃集。液氨然后流入塔底部的裂化器，而氣體流入塔頂部的氨轉換器。在以后的各級中得到進一步濃縮，最后通過蒸餾生產出反應堆級重水。人造氣進料可由氨廠提供。而這個氨廠也可以結合氨-氫交換法重水廠一起建造。氨-氫交換法也可以用普通水作為氘的供料源。
*氘化鋰生產：可通過鋰金屬與氫反應製備，由700攝氏度高溫燃燒鋰-6和氘氣（重氫）提取：: 2 鋰 + 氫2 → 2 氘化鋰。
設計核武器需要考慮物理上、化學上以及工程上的各種因素。
**薩哈羅夫千層餅構型（Sloika）
絲蘭平地上的彈坑，美國內華達試驗場。
核試驗主要目的是鑒定核爆炸裝置的威力及其他性能，驗證理論計算和結構設計是否合理，為改進核武器設計或定型生產提供依據；在核爆炸環境下研究核爆炸現象學和各種殺傷破壞因素的變化規律；研究核爆炸的和平利用等。1996年9月全面禁止核試驗條約在聯合國大會通過后，僅印度、巴基斯坦和朝鮮三國進行過核試驗。
據統計，地球上已記錄到約2095次核試驗。美國1093次，其中200次為大氣層核試驗（72次地面、11次高空、81次中空、36次水面）、5次水下、888次地下核試驗。蘇聯進行715次核試驗，其中大氣層212次、水下3次、地下核試驗500次。法188次、中45次、英43次、印6次、巴基斯坦6次、朝鮮6次。
1962年7月9日（UTC-11），美國在強斯頓環礁上空引爆的核彈「海星總理」，當量140萬噸，是魚缸行動高層大氣核試的一環。爆炸的強光可從美國夏威夷州檀香山望見。
由于低當量的核彈頭也擁有毀滅性的破壞能力，武器設計人員永遠需要考慮到需要使用某種方式和操作流程以避免偶然地爆炸。核子武器在引爆以前必須維持在次臨界。以鈾核彈為例，可以把鈾分成數大塊，每塊質量維持在臨界以下。引爆時把鈾塊迅速結合。投擲在廣島的「小男孩」原子彈是把一小塊的鈾透過鎗管射向另一大塊鈾上，造成足夠的質量。這種設計稱為「鎗式」。鈽核彈不能以這種方法引爆。第一枚鈽原子彈「胖子」的鈽是造成一個在次臨界以下的中空球狀。引爆時使用包圍在四周的炸藥把鈽擠壓，增加密度及減少空間，造成即發臨界。這種設計稱為「內爆式」。
另外在研發期間也有其他安全問題需要注意，曼哈頓計劃期間的1944年9月2日，兩名化學家便因被高腐蝕性氫氟酸濺到而死亡，阿諾德·克拉米什重傷瀕死。當時他們正在清理一個濃縮鈾的裝置，該裝置是位于費城海軍船塢的熱泳試驗工廠的一部分。是次事件是曼哈頓計劃首次有人員傷亡的事故。此外，美國物理學家哈里·K·達格利恩在洛斯阿拉莫斯國家實驗室一次臨界質量實驗中意外地輻射了他自己，導致他在25天之後死亡。
主要包括核分裂武器（第一代核武，通常稱為原子彈）和熱核武器（亦稱為氫彈，分為兩級及三級式）。亦有些還在武器內部放入具有感生放射的輕元素，以增大輻射強度擴散汙染，或加強中子放射以殺傷人員（如中子彈）。
除此以外，核武器還可以根據用途而細分為戰略核武器及戰術核武器，前者是一般意義上的核武器範疇，為大當量的核武器和遠射程，後者則屬於小當量和近射程。其中，後者可用於戰爭前線。戰術核武器的概念以及發展相對戰略核武器為遲緩，是在第二次世界大戰以後多年才逐步形成的，而戰術核武器需要對核能技術的要求亦較高以及複雜，其前提是要擁有戰略核武器。
裂變核武透過單純的核分裂釋放能量。重核子如鈾或鈈在中子衝擊下發生核分裂，分裂成為較輕的核子，同時釋放更多的中子，造成連鎖反應。傳統上裂變核武稱為原子彈。和中子彈的用途一般，現在純粹的核裂變武器，通常僅用來制造低當量和小型的戰術核武器，如大衛克羅無後座力砲等。
*鈾彈：使用化學炸藥，把在臨界質量以下的鈾-235或鈾-233擠壓成超越臨界質量的一塊，然後在中子照射下產生連鎖反應，最後達致即發臨界，引發核爆炸。起爆的方式可分為鎗式和內爆式。美國第一枚投擲在日本廣島的核武小男孩為鎗式起爆的鈾彈。每一磅的鈾-235分裂時可放出大約3,700百億焦耳的能量，約為82太焦耳／公斤（TJ/kg）。一般的連鎖反應只維持一微秒（μs），功率約為82艾瓦／公斤（EW/kg），或每原子200兆電子伏／秒。
*鈈彈：使用鈈代替鈾彈中鈾-235，投擲在長崎的胖子為內爆式起爆的鈈彈。
*加強型裂變武器（或稱加強型原子彈或聚變助爆原子彈，為熱核武器的雛型）：雖然名為「原子彈」實和中子彈同為為廣義熱核武器一種，指雖然像典型氫彈般有聚變材料作為核爆增強劑，但聚變的主要作用是提供足夠中子，給裂變材料的分裂反應更為完全，意味所需的聚變材料較少，所以較一般氫彈小巧。本類的原意是作為氫彈的技術驗證，後來通常此設計是用於小型的戰略級核彈和可調節威力的核彈，因威力雖然遜於典型氫彈卻勝在較緊湊。有人認為印度和朝鮮所說自己的氫彈，只是加強型原子彈。
*氫彈：聚變核武透過核聚變釋放能量。輕核子如氫或氦結合成較重的元素，同時釋放大量的能量。使用聚變過程的武器亦常被稱為氫彈，因為氫是聚變的常用材料。聚變核武有時亦稱熱核武器，因為它們的連鎖反應需要更高的NANI溫度啟動。一般的氫彈會先引爆作為前級的裂變彈，造成足夠的溫度及壓力，之後的後級聚變才會開始。後級可以無限制地連鎖起來，製成比普通裂變強力很多的核武。目前只有美、俄、英、中、法五國承認擁有使用與生產氫彈的能力。印度在1998年5月進行的核試驗中試爆了帶熱核裝置的核彈，目前可能擁有氫彈。朝鮮亦在2016年1月6日宣佈氫彈試爆成功，但未獲承認。2017年9月3日，朝鮮可能成功製造出氫彈核試驗。現代的核武通常結合兩種核反應：聚變需要先以裂變產生足夠的溫度及壓力啟動；同時裂變在聚變開始後效率會得到提高。故此部分核武是三級設計：最先在外圍第一級先用核裂變，造成聚變條件。中部第二級聚變發生後，再引起彈頭中心的第三級的第二次裂變反應，造成裂－聚－裂反應的三級核彈，是現在最大破壞性的武器。此核彈稱為三相彈、氫鈾彈、三級效應超級炸彈或骯臟的氫彈。
*中子彈：一種小型的熱核武器。武器內的X射線反射鏡及彈殼以鉻或鎳製成，讓聚變中產生的中子離開彈體。高能量的中子流比其他放射更具穿透能力。一般能阻隔伽傌射線的物料要很厚（如一公尺厚的鋼板）才可以抵擋中子流，所以不適用機動兵器，唯一可以反射的鈹又有毒。因為只有水和電解質才能吸收中子，而生物中含大量水份，所以中子流對生物產生的傷害比伽傌射線更大。原先製造中子彈的目的，是希望可以殺人而不毀物（被戲稱為「業主炸彈」或「房貸積欠款炸彈」：能殺死屋內的人，但房子無損），而理論上最有效的是對付坦克，因為當時前蘇聯的坦克不只是數量遠比美國和全西歐總和還多，更大部分已經改裝了防止吸入放射塵空氣過-{zh-hant:瀘;zh-hans:濾}-設備，故美國放棄了以放射塵而是中子流作為對蘇軍的主要威脅手段。中子彈所產生的熱能及衝擊波被故意減低，而中子流則被加強。但中子彈的熱及火仍然會對建築物造成嚴重的損毀。所謂「殺人不毀物」只是相對其他熱核武器。中子彈所加強的放射，只限於引爆的一刻，與感生放射核彈的長期放射有所不同。特徵是致命的放射線的範圍對於人來說比爆風和熱光大，而在肉眼看來各種效應非常像小型的原子彈，難以分別離爆心的安全距離，所以對人來說非常危險的。其實蘇聯已經發明了一種坦克裝備的複合反射層，能大大減輕中子流的效果，但因為不可能全車都有同等的厚度，所以中子彈仍然有很大的威脅性。
*衝擊波彈：一種小型氫彈，採用了慢化吸收中子技術，減少中子活化，削弱其爆炸後輻射的作用，部隊可以迅速進入爆炸區投入戰鬥，是一種戰術核彈。
*髒彈：指具有放射性、非核武器的武器。它裝填著放射性材料，爆炸的時候將放射性物質拋射散布，造成相當於核放射性塵埃的汙染，造成災難性的生態破壞。自九一一事件之後，西方政府最主要擔心的一個就是恐怖分子可能利用髒彈襲擊人口稠密區，作為區域封鎖武器，就像其他更高級、更復雜的放射性武器，可以將這個地區在以後的數年或十幾年中，退化為不適合人類居住的放射性地區。然而大多數的分析人士認為，骯髒彈的作用更主要體現在心理方面，而它所造成的汙染雖然可以以有效的凈化措施來治理，但所需要付出很大的代價。