核兵器
この時代で原爆開発を組織的に最も推進できたのはアメリカ合衆国であった。当時のアメリカにはナチス・ドイツのユダヤ人迫害から逃れてアメリカに移民した優秀な科学者が大勢おり、その一人のレオ・シラードが1939年8月にアルベルト・アインシュタインの署名を得て、フランクリン・ルーズベルト大統領に核連鎖反応の実現への協力とアドルフ・ヒトラーの核保有の危険性を訴える手紙を送った。これがアメリカの原爆開発に至る最も早いきっかけとなった。その後、1941年10月にウラン爆弾が実現可能であることを伝える報告書がイギリスのMAUD委員会からもたらされ、1942年6月に原子爆弾の秘密開発プロジェクト、マンハッタン計画が開始された。
ウラン濃縮プラント・プルトニウム生産炉の各巨大工場の建設、そしてロバート・オッペンハイマーが率いるロスアラモス研究所には優秀な科学者を全米から集め、アメリカの軍・産・学の総力を挙げた国家プロジェクトとなった。最初の原爆は1945年7月16日に完成(3個)し、そのうち1個(ガジェット)によりアラモゴードの砂漠で世界最初の原爆実験を実施した。残りの2つの原爆が日本に投下された。
アメリカ合衆国では1990年代から臨界に至らない「臨界前核実験」という核兵器の開発法が導入され、核兵器の能力と精度の向上とすでにある核兵器の信頼性の検証をしている。
ロシアでも20世紀末から臨界前核実験を行っている とされるが、これらは共に数え切れないほどの核爆発実験ときわめて高度な核物理学の知見の元で、コンピュータ・シミュレーション技術の助けがあって初めて実現した成果である。
冷戦時代には、アメリカとソ連の間で核兵器の大量製造、配備が行われた。1952年にイギリス、1960年にフランス、1964年に中国、1974年にインドが原子爆弾を開発・保有した。1952年にアメリカ、1955年にソ連、1958年にイギリス、1967年に中国、1968年にフランスが水素爆弾を開発・保有した。核兵器の量は地球上の全人類を滅ぼすのに必要な量を遥かに上回っていた。核兵器保有国は最盛期には、アメリカは1966年に約32,000発、ソ連は1986年に約45,000発、イギリスは1981年に350発、フランスは1992年に540発、中国は1993年に435発、五か国合計で1986年に約7万発 を保有していた。また、核による先制攻撃を通じて相手国に致命的なダメージを負わせ、戦争に勝利するという戦略を不可能にするべく、相手国の攻撃を早期に探知し、報復するためのシステムが構築された。