核子武器，簡稱核武，乃一種爆炸裝置，屬於大規模殺傷性武器，也是人類至今製造的威力最大的一種武器。其能量是來自原子中核子間的核結合能（主要是強相互作用力），由核反應所釋放。不同於能量來自化學能的常規武器，核武器依靠核反應釋放的核能對目標起到破壞作用，同等質量下，核反應產生的能量比化學反應高數百萬倍。
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現時的核子武器可大致分為威力較弱的裂變炸彈（原子彈）和威力較強的熱核炸彈（氫彈）[1]，裂變炸彈的威力主要來自核裂變鏈式反應，以引爆高能化學品炸藥的方式，壓縮原本處於次臨界的可裂變物質，使其在化學品炸藥爆炸的瞬間達到「超臨界」，從而引發鏈式裂變反應，如果鏈式反應觸發多個分裂反應同時發生，便會激發核爆炸。但是由於在核爆炸的瞬間，鏈式裂變反應往往還沒能趕得及百分百完成，這些可裂變物質就解體了，碎片化的可裂變物質又重新低於臨界質量，中子從空隙中逃逸，鏈式反應中止，因此這類型核武的效率很低。例如胖子原子彈的效率只有17％，而小男孩原子彈的效率就只有1.4％。而熱核炸彈的威力則來自核裂變和核聚變這兩者的多級串聯組合。[2]熱核炸彈的氘氚聚變反應能釋放出大量高能中子流，這些高能中子會加劇可裂變物質的鏈式裂變反應，將炸彈燃料的利用率大幅提高。以往一些裂變炸彈設計也會在能維持核分裂鏈式反應的材料（例如鈽-239）製成的炸彈核心的空心位置充入氚氣，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，使不能維持核分裂鏈式反應的鈾-238干涉層進行核分裂，增加炸彈威力，稱為「加強型分裂炸彈」。現時的熱核炸彈設計可籠統地分為亁浄型和骯髒型，亁浄型熱核炸彈大部分的爆炸能量來自核聚變，而骯髒型熱核炸彈大部分的爆炸能量則來自核裂變，這是由於大多數核裂變會造成大量放射性物質污染，而氘氚核融合不會。不論是乾淨型或骯髒型的熱核炸彈，兩款炸彈設計的爆炸威力可以是同樣巨大。
核武器的發明建基於二十世紀初科學界對各種原子的內部結構及反應機理的研究成果，歷史上的第一個核子武器是一種內爆式鈈裂變炸彈，名為「小工具」，它在1945年7月16日在美國阿拉莫戈多試驗場被引爆，是第二次世界大戰時美國的核武器研發計劃——曼哈頓計畫——的其中一環。同年美國在日本的廣島，長崎分別投放了一顆核彈，這也是世界上唯二的核武器實戰應用。另一種威力更強的核子武器——熱核炸彈——在戰後的1951年5月在太平洋上的恩尼威托克島試驗場首次被引爆，爆炸威力大大超過裂變炸彈。熱核炸彈至今也是世界最大威力的炸彈類型，其威力可達到同等質量的化學品炸藥的數千萬倍以上。熱核炸彈後來由前蘇聯實用化，使用了固體炸彈燃料，體積因此大幅縮小，蘇聯製造的AN602氫彈是目前人類所引爆過的最大當量的炸彈。
理論上核子爆炸裝置和化學品炸藥一樣沒有爆炸威力上限，能投入的炸彈燃料的量越多，威力就越大，然而其質能轉換效率較構想中的反物質武器低。宇宙中和核武器的熱核爆炸原理上相似的自然現象是超新星，例如白矮星的爆炸是由於觸發了失控的碳聚變。
雖然核子武器的原理是公開的，但各種核相關的原材料、特種材料、設計、製造設備、儲存地點，以及各項核武關鍵技術，仍然作為各擁核國家的國家最高機密列入出口管制、禁止轉讓或提供情報。掌握核子武器製造技術或情報的個人或團體的活動，都會受到許多國家和國際原子能機構的嚴密監視。
現況
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。前蘇聯於1990年10月24日進行最後一次核爆炸試驗。蘇聯於1991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鈈的性質。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，至1996年7月29日最後一次地下核爆炸試驗後停止核試。印度最後一次核爆炸試驗是在1998年5月13日。
目前有八個公開宣稱擁有核武器（不論是原子彈或是氫彈）的國家，分別是美國、俄羅斯、英國、中華人民共和國、法國、巴基斯坦、印度、朝鮮民主主義人民共和國，前五個也是聯合國安全理事會的常任理事國。美國、俄羅斯（前蘇聯）、英國、中國、法國五國已完成氫彈試驗。
除此之外，以色列也被部分人認為擁有核武，另外白俄羅斯、烏克蘭與南非因和平原因放棄其核武，屬於曾經擁有核武的國家。朝鮮民主主義人民共和國已於2006年核試驗成功，利比亞卡紮菲迫於美軍壓力已宣布放棄核武計劃，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。[3]
國際原子能機構總幹事埃爾巴拉迪稱「有30個國家擁有迅速生產核武器的能力」[4]，他所指的「迅速」是在三個月內就可以擁有核武器，這已經接近全世界國家總數的1/6了。而且具有生產核武器能力的國家恐怕最少應該在50個國家以上，巴拉迪同時指出聯合國每年的1.5億美元用於防止核子武器擴散的開銷費用，根本不能有效阻止現在越來越多的國家透過擁有大規模殺傷性武器來實現自衛的潮流，核武器也可能會流入恐怖主義組織的手中。
發展史
1939年4月2日，德國物理學家格奧爾格·約斯和威廉·漢勒提出了將核能用在軍事領域的可能性。[5]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，物理學家阿爾伯特·愛因斯坦在信（愛因斯坦-西拉德信，作者為物理學家利奧·西拉德）中簽下名字，希望遞交至時任美國總統富蘭克林·德拉諾·羅斯福處，建議對方為核裂變武器提供研發資金，因為當時的納粹德國可能也在這方面進行研究。[6]10月11日，經濟學家亞歷山大·薩赫斯會面美國總統羅斯福，並遞交了愛因斯坦-西拉德信。羅斯福批准設立鈾顧問團。[7]10月21日：鈾顧問團首次會面，會議由國家標準技術研究所的萊曼·布里格斯主持召開。顧問團劃出6000美元的預算來做中子實驗。[8]
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1英磅（0.45公斤）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，後者將其轉交給了英國化學家亨利·蒂澤德。[9]3月2日，美國物理學家約翰·鄧寧的團隊證實了尼爾斯·玻爾的猜想——慢中子可引發鈾-235的核裂變。[10]4月10日，蒂澤德在英國設立了穆德委員會，用於進行原子彈的可行性研究。[11]5月21日，喬治·基斯佳科夫斯基提出使用氣體擴散法來分離同位素。[12]6月12日，羅斯福設立了美國國防部科研委員會，由萬尼瓦爾·布什領導，並將鈾顧問團併入其中。[13]同年日本也開始了自己的核武研發，時任日本陸軍航空技術研究所所長的安田武雄中將命令部下鈴木辰三郎開始進行製造原子彈的可能性分析。鈴木辰三郎在得到物理學家嵯峨根遼吉的指導下，提交了以「原子彈製造的可能」的研究報告。1941年5月，物理學家大河內正敏提交了「鈾炸彈製造的可能性」的報告。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。[14]
1941年2月25日，美國化學家格倫·西奧多·西博格與阿瑟·華爾確定發現了鈈元素。[15]5月17日，阿瑟·康普頓同美國國家科學院撰寫的報告公開發表，指出研發軍用核能源帶來的若干好處。[16]6月28日，羅斯福簽署第8807號行政命令，設立科學研究與開發辦公室，交由萬尼瓦爾·布什管理。[17]科學研究與開發辦公室合併了國防部科研委員會和鈾顧問團。詹姆斯·布萊恩特·科南特接任布什成為科學研究與開發辦公室的新總管。[18]7月2日，穆德委員會任命詹姆斯·查德威克撰寫原子彈的設計與預算報告的第二稿（也是最終稿）。[19]7月15日，穆德委員會分發了制彈的技術細節、預算的最終稿。萬尼瓦爾·布什接獲報告後，決定先等待報告官方版本出來後再進行下一步的行動。[20]9月3日，英國參謀長委員會批准了核武器計劃。[21]10月3日，穆德委員會官方報告（查德威克撰寫）送到了布什手中。[22]10月9日，布什將穆德委員會的報告呈交給羅斯福，後者在了解相關科學細節後准許了研發計劃。羅斯福讓布什起草外交函，以方便英美雙方的高層接洽。[23]12月6日，布什組織了場會議來協調整個研發計劃。該計劃由康普頓主導，哈羅德·尤里負責研究使用氣體擴散法來濃縮鈾，歐內斯特·勞倫斯則負責研究電磁分離法（該方法最後造出了電磁型同位素分離器）。[24][25]康普頓將鈈容器呈給了布什和科南特。[26]12月18日，科學研究與開發辦公室S-1分部的首次會議。該部門專攻核武器製造。[27]
蘇德戰爭爆發後，蘇聯受到前線戰事影響，直到1942年都未以積極的態度去進行核武器的開發。1941年12月下旬至1942年4月，弗廖羅夫寫了一封秘信給庫爾恰托夫、化學家卡夫塔諾夫，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，弗廖羅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，羅斯福總統正式批准原子彈計劃。[28]1月24日，康普頓決定將鈈相關的科研工作放在芝加哥大學進行。[29]2月19日，加拿大和英國協商設立蒙特利爾實驗室，用作英、加兩國在核技術方面的協作（尤其是制鈈）。[30]7月-9月，羅伯特·奧本海默在加利福尼亞大學柏克萊分校召開夏季會議，會議研討了核裂變武器的設計。愛德華·泰勒提出了氫彈的構想，在會議中重點討論。[31]
1942年5月，化學家卡夫塔諾夫和物理學家約費向斯大林呈遞報告，論證了在蘇聯為解決原子武器問題成立科學中心的必要性。蘇聯國防委員會中由莫洛托夫分管這一工作。1942年9月底，斯大林召集約費、卡皮察、物理化學家謝苗諾夫、放射化學家赫洛平、化學家卡夫塔諾夫、庫爾恰托夫等人，討論了德國、美國和英國在研原子彈的情報，聽取了科學家的意見後，斯大林作出結論：「我們也要研製原子彈」。1942年9月28日蘇聯國防委員會授權蘇聯科學院恢復「關於原子能利用的可行性」研究工作，在1943年4月1日前提交製造鈾彈的可行性報告。在蘇聯科學院的戰時疏散地喀山設立實驗室。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這方面工作，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發業務工作。
1942年12月2日：在恩里科·費米的設計、主導研發下，世界上首個核反應堆——芝加哥1號堆在建造後短短一個月成功實現了自持反應。[32]
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1943年2月18日，Y-12國家安全大樓動工。Y-12是橡樹嶺的一個大型電磁分離工廠，用來濃縮鈾。[33]6月2日，氣體擴散工廠K-25動工。[34]7月10日，第一份鈈樣品抵達洛斯阿拉莫斯。[35]8月13日，槍式裂變武器的首次投下試驗，位於達爾格倫演習場，負責人諾曼·拉姆齊。[36]肯尼斯·尼科爾斯取代馬歇爾成為曼哈頓工程區的總工程師。[37]他上任後的首批任務之一是將曼哈頓工程區總部遷移至橡樹嶺（但工程區並未因此更名）。[38]10月10日，漢福德區首個核反應堆動工。[39]11月4日，橡樹嶺的X-10石墨反應堆達到臨界狀態。[40]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學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。他的團隊包含物理學家湯川秀樹。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。[41][42]
1943年2月11日，蘇聯國防委員會將原子能研究特別實驗室從喀山班師回莫斯科。涉鈾研究工作由別爾烏辛和蘇聯國防委員會科學部門全權代表、化學家卡夫塔諾夫領導，研究工作由庫爾恰托夫主持。1943年年中，開始研究生產高純度石墨和反應堆用的金屬鈾、從反應堆生成物中提取鈈的工藝。之後幾年間，蘇聯原子彈的研製仍是相對較低順位的工程。這段時期蘇聯設有八個研究實驗組，分別從事核反應堆物理、氣體擴散法濃縮鈾、後處理化學、重水生產、電磁法濃縮鈾 、新機組生產工藝、快中子物理，以及介子研究，另外設有一個回旋加速器組。涅梅諾夫、傑烈波夫、格拉祖諾夫等從被圍困的列寧格勒運出了戰前建成的加速器，1944年9月8日在莫斯科運行，進行中子束實驗，生產鈈。
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。[43]3月11日，橡樹嶺Beta電磁型同位素分離器啟動。[44]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鈈樣品。十天後，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（因為鈈-240混入到了鈈-239中的緣故）。[45]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。[46]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，並終止了槍式鈈核武器的研發。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。[47]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。[48]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。[49]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，德國人並沒有在核武器、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。[50]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。[51]
1945年1月7日，首次使用電橋式電雷管進行放射性鑭測試。[51]1月20日，K-25工廠進行到第一階段，使用了六氟化鈾氣體。[52]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。[53]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。[51]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——使用了一種內爆式鈈核武器（被稱為「小工具」）；[54]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。[55]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用來製作複合堆芯。[56]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）。[57]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」。[58][59]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。[60]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。[61]8月9日，博克斯卡號B-29型轟炸機將胖子原子彈（內爆式鈈彈）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。[62]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。[63]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，專門負責研製圖-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訊息。該消息被公之於眾，引發了公眾對「原子間諜」的擔憂，導致美國國會對於戰後核能法律法規的討論趨向保守化。[64]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。[65]7月25日，比基尼環礁進行了代號「Baker」的核試。[65]8月1日，杜魯門批准了《1946年原子能法案》（也稱《麥克馬洪法案》）。[66]
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併為科學技術委員會，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，如哈里頓和雅可夫·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。石墨反應堆採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。赫洛平領導的蘇聯科學院鐳研究所則承擔鈈分離的研究。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、採掘、礦冶、鈈提取技術的研究。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葉爾紹娃領導下，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製，早在1944年5月便研製出灰分低於萬分之四，硼低於百萬分之1.7的石墨。
冷戰初期的1948年，蘇聯的鈾-235工廠（817廠）在車里雅賓斯克附近建成[67]。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。石墨反應堆建於地下混凝土深井中，井壁厚3米，外包鋼製水箱，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噸金屬鈾後達到1000千瓦鏈式反應。6月22日達到滿功率100百萬瓦。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日首批鈈濃縮液從Б廠出廠送入В廠，首先由第九車間生產出硝酸鈈，然後由第四車間還原生產金屬鈈，最後送入第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鈈半球。
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，總設計師哈里頓。1949年8月8日兩顆鍍鎳的鈈半球從車里雅賓斯克-40的В廠起運往第11研究所最後組裝。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）[67]。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。
前蘇聯成功研製出原子彈後，在1950年1月，美國總統杜魯門決定研製氫彈。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餘米的鋼架上，裝置以液態氘作為核融合原料，並有冷卻系統使氘處於極低溫。「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。[68]
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。相當於廣島型原子彈的500倍。「常春藤麥克」體積比一輛載重汽車還大，它必須裝有笨重的製冷系統，這樣的裝置飛機、導彈都無法運載，沒有什麼實戰價值。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，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。其方案是採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，製作成本低、體積小、重量輕、便於運載。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。
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[69]。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。[70][71]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。這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的骯髒版本。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。
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准核試驗基地建設。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，原子彈運到了中國核試驗基地。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，炸彈在新疆維吾爾自治區羅布泊當日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，中華人民共和國最後一次大氣核爆炸。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1950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》。[72]全世界大多數國家都陸續簽署《核不擴散條約》。
蘇聯於1990年10月24日進行最後一次核爆炸試驗。蘇聯於1991年底解體後，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鈈的性質。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。[73]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。[74]
2003年，利比亞領導人卡紮菲迫於美軍壓力宣布放棄核武計劃。
朝鮮民主主義人民共和國在2003年退出了《核不擴散條約》。[75]2006年10月9日，朝鮮政府發表公告稱成功進行核試驗。[76]。2007年1月6日，朝鮮政府進一步證實擁有核武器[77]2009年4月，有報告稱朝鮮已成為「完全核國家」，並得到國際原子能機構總幹事穆罕默德·巴拉迪的贊同[78]。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[79]。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[80]。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[81]。2013年2月11日，美國地質調查局監測到里氏5.1級地震波[82]，據信為第三次地下核試驗[83]。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[84]。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。[3]
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。[85]
2023年3月，非政府組織挪威人民援助表示，全球或明或暗擁有核武的9個國家，2023年共有9576枚可隨時發射的核彈頭。[86]
原理
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。[87][88]
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，並導致了質譜儀的發展。1898年，蘇格蘭物理學家詹姆斯·杜瓦用再生冷卻法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。[89][90]:22-23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着原子核。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半太郎模型。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·阿斯頓製成第一台質譜儀。阿斯頓用這台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·林德曼於同年提出利用離心機來分離同位素[91]。
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」，後來的核電磁脈衝彈應用了這一原理。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」。[92]
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年在理化學研究所製成。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阿爾弗雷德·尼爾採用的提煉程序。歐內斯特·盧瑟福、馬克·奧利芬特和保羅·哈特克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[93]。
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，並在該年1月13日通過實驗驗證了這一點[94][95]。蘇聯科學院化學物理研究所的尤里·波里索維奇·哈里頓和雅可夫·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》雜誌上，系統闡明了鈾-238隻能用重水做減速劑才能鏈式裂變；鈾-235在濃縮含量大於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》雜誌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、核能製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1英磅（0.45公斤）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，後者將其轉交給了英國化學家亨利·蒂澤德。[9]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。[96]1940年4月，為驗證玻爾的說法，阿爾弗雷德·尼爾用質譜儀製造出微量的濃縮鈾-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。[10][15]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月弗廖羅夫與康斯坦丁·彼得扎克為屏蔽宇宙射線影響在莫斯科迪納摩地鐵站的位於地下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》。[97][98][99]
自1940年開始，美國化學家格倫·西奧多·西博格與埃德溫·麥克米倫等人開始製備超鈾元素。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·華爾發現了鈈（94），鈈-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。包括鈈（94）、鎇（95）、鋦（96）、錇（97）、鐦（98）、鎄（99）、鐨（100）、鍆（101）和鍩（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於同一個系列，現稱錒系元素。西博格還發現了易裂變的同位素：鈈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。[100]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。[101]
當一個自由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，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（重子數守恆），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：[102]
反應中釋放了180百萬電子伏特的能量，其中90%的能量為分裂後的原子核的動能。由於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。由於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，於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衝擊波和高溫，形成核武器通常的主要危害。
在裂變反應慢下來以後，裂變材料的放射性仍然存在。由於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[103]。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並使它們也發生裂變。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麼多，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儘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和鈈-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。由於鈾-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。
由於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[104]。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：
注意，反應中釋放出的總能量僅僅是裂變反應的十分之一。但是由於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。然而由於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衝擊波和火焰的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、鈈等等。如果14百萬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180百萬電子伏特的能量，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，並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製造氚，因此同樣非常重要。氚是使用了聚變的核武器的核心，並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，氘核於中子結合生成氚核。而在人工製造的過程中，一般通過用一個中子轟擊鋰-6原子核，從而產生一個氦-4原子核於一個氚原子核，同時釋放出能量，
中子由一個核反應堆提供。工業化的將鋰-6轉為氚的過程於將鈾-238轉化為鈈-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，生產氚和生產鈈互為競爭關係。核武器中使用的每一個氚原子都是本應用來生產鈈原子的。一個鈈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，於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。鈈則為10公斤左右。
各種可行的炸彈裝填物
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。[105]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，[106]特別是純同位素鈾-233難以取得。[105]鋂-242m1的熱中子吸收截面最大，為5,700靶恩[107]，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。[108]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於核武器中的可裂變物質[109]。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鎿-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）
- 氦聚變
- 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）
- 氫硼融合
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製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14.1百萬電子伏特，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。
製作流程
本章節簡要説明鈾彈的其中一種可能的製作流程。
- 萃取純化
- 硝酸鈾醯溶液在地面工廠萃取純化。
- 轉化（濃縮前）
- 鈾濃縮
- 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）
- 切割
- 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）
- 組裝
各項生產技術
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採出來的礦石數量。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採手段通過露天或者地下的方式開採。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採價值。
- 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，隨後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。
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於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需要被提純以應用於熱核武器中。
- 激光分離法
- 分子激光同位素分離（MLIS）
- 原子蒸氣激光同位素分離（AVLIS）
- 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，在同位素被電離以後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）
- 有機溶劑水相萃取
- 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所䆁放出的中子碰撞鈾-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。
- 鈾萃取法
- 超鈾元素萃取法
- 二酰胺萃取法
- 選擇性錒系元素萃取法
- 通用萃取法
- 電化學方法
- 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所䆁放出的中子碰撞鈾-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總稱。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。
- 電解法
- 焦化-A和焦化-B法
- 氧化揮發法
- 熱揮發
- 氟化揮發法
- 氯化揮發法
- 電解法
- 已不再使用的分離方法
- 磷酸鉍過程：一種早期的分離技術
- 氧化-還原法
- 2,2'-二（正丁基氧基乙基）醚（Butex）萃取法
- 轉化粗鈾、鈾濃縮物
- 轉化鈾的氧化物
- 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。
- 轉化鈾的氟化物
- 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並水解為二氧化鈾。
- 通過溶解在水中而將六氟化鈾水解，然後加入氨沉澱出重鈾酸銨，接着可在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，結果沉澱出碳酸鈾酰銨。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。還原反應一般在高於鈾熔點（1130攝氏度）的溫度下進行。
- 從六氟化鈾到二氧化鈾的轉化
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製造核武，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，並且在下一級塔中重複這一過程。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製備反應堆級的重水（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，而後送至氨轉換器。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並在液氨中濃集。液氨然後流入塔底部的裂化器，而氣體流入塔頂部的氨轉換器。在以後的各級中得到進一步濃縮，最後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。
武器設計和構造
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。
- 裂變武器
- 槍式
- 內爆式
- 聚變增強裂變武器
- 多階段熱核武器
- 泰勒-烏拉姆構型
- 于敏構型
- 薩哈羅夫千層餅構型（Sloika）
- 湯姆-迪克-哈利構型
試驗
核試驗主要目的是鑑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後，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。
引爆前的安全性
由於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，該裝置是位於費城海軍船塢的熱泳試驗工廠的一部分。[116]是次事件是曼哈頓計劃首次有人員傷亡的事故。[117]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的受中子輻射照射，導致他在25天之後死亡。
種類
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，通常僅用來製造低當量和小型的戰術核武器，如大衛克羅無後座力砲等。
- 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瀘設備，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。
- 鈷彈：利用感生放射性的核武，原理是在彈殼使用鈷元素。如下反應式聚變釋放的中子會令鈷變成鈷60外加強烈輻射。[118]59
27Co
+ n → 60
27Co
→ 60
28Ni
+ e− + 伽瑪射線。約五年內在當地釋放強烈伽瑪射線，除了使用鈷外，亦可使用金造成維持數天汙染，或用鋅及鉈造成維持數月的汙染，戰術上讓人無法進入該地區，並造成民眾恐慌，已知的核武國沒有承認有生產鈷核彈。[119]
- 伽瑪射線彈：原理類似一座無防護層的裂變反應堆，所以不會發生一般意義上的爆炸，只放出大量伽瑪射線；儘管各種效應不大，也不會使人立刻死去，雖然能造成持久的放射線，但不一定會汙染土地，能有效迫使敵人離開。
當量比較
以下是核武器當量和傳統炸藥當量的比較。常用同等爆炸威力的三硝基甲苯（TNT）的質量來衡量核武器的威力
| 代碼 / 名稱 | 國家 | 類型 | 當量（千噸） | 備註 |
|---|---|---|---|---|
| W54 |  美國 |
核分裂彈 | 0.02 | 可變當量。質量僅23kg，美國投放的最輕量級的核彈 |
| Mark 1 （小男孩） | 美國 |
槍式鈾235核分裂彈 | 13 | |
| Trinity （小工具） | 美國 |
內爆式鈽239核分裂彈 | 20 | 史上第一枚核子裝置 |
| Mark 3 （胖子） | 美國 |
內爆式鈽239核分裂彈 | 22 | |
| РДС-1（第一閃電） |  蘇聯 |
內爆式鈽239核分裂彈 | 22 | 蘇聯第一枚核試驗武器 |
| 596（邱小姐） |  中華人民共和國 |
核分裂彈 | 22 | 中華人民共和國第一枚核試驗武器 |
| Mark 90 | 美國 |
核分裂彈 | 32 | 內爆式鈽239核分裂彈 |
| Mk 101 Lulu | 美國 |
加強核分裂彈 | 23 | |
| W76-0 | 美國 |
熱核彈 | 100 | 8枚裝備在三叉戟一型飛彈上 |
| B61 | 美國 |
熱核彈 | 0.3-340 | 可變當量 |
| W87 | 美國 |
熱核彈 | 300 | 10枚裝備在和平衛士飛彈上 |
| РДС-6с （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） | 蘇聯
|
熱核彈 | 400 | 蘇聯第一枚氫彈。世界上第一顆適合實際軍事使用的氫彈[120] |
| W88 | 美國 |
熱核彈 | 475 | 8枚裝備在三叉戟II型彈道飛彈上 |
| 639 | 中華人民共和國 |
熱核彈 | 3,310 | 中國第一枚氫彈 |
| IVY MIKE（常春藤麥克） | 美國
|
熱核彈 | 10,400 | 世界上第一枚氫彈，是美國常春藤行動核試驗中試爆的第一顆氫彈。 |
| Mark 21 | 美國 |
熱核彈 | 15,000 | 美國最大當量的測試彈頭，設計為5,000千噸當量，因技術出錯而超出預期當量。 |
| B41 | 美國 |
熱核彈 | 25,000 | 美國裝備部隊的最大當量彈頭，由B-36攜帶，1957年退役 |
| АН602（沙皇炸彈） | 蘇聯 |
熱核彈 | 50,000 | 蘇聯最大當量的測試彈頭，設計當量最大可達100,000千噸 |
能量釋放的形式
| 普通 | 中子彈 | |
|---|---|---|
| 衝擊波 | 50% | 40% |
| 熱效應 | 35% | 25% |
| 核輻射 | 5% | 30% |
| 殘留輻射 | 10% | 5% |
一個核子武器的能量主要透過五種形式放射出來：衝擊波、熱輻射、原始粒子輻射、核電磁脈衝和殘留放射性（放射性塵埃）能量以何種形式被釋放還要仰賴武器的設計以及爆炸時的環境。放射性塵埃的能量釋放是持續的，而其他四種都是立即的短暫的爆發。
這最初四種形式釋放的能量根據炸彈的尺寸而有區別。熱輻射形式相對於距離衰減最緩慢，所以越是大當量的核彈，這種形式就越顯得重要。粒子輻射被大氣強烈吸收，所以他只在小威力的爆炸中體現出重要性。而沖擊波效應的衰減，是介於上述二者之間的。 在爆發的一瞬間，核裝藥在一微秒內達到平衡溫度。在這一時刻，大約75%的能量都以熱輻射形式，特別是以軟X射線的形式存在，而其他的殘余能量則都表現為武器碎片的動能。接下來，這些軟X射線和碎片怎樣與周圍媒質作用就成為沖擊波和光以及粒子之間怎樣分攤能量的決定因素。總的來說，若是在爆心周圍物質很密集，那麽它們將非常有效的吸收能量，沖擊波的強度將會被加強。 當爆發在接近海平面的大氣中進行時，絕大多數的軟X射線將在數英尺內被吸收。一些能量轉而形成紫外線、可見光和紅外波段的輻射，但更多的被用來加熱空氣，形成火球。 在高空的爆發中，由於空氣密度的降低，軟X射線更趨向於行走更長的距離，在它們終究被吸收後，只有更少量的能量用來推動沖擊波（海平面的50%或更少），而剩餘的都轉化為其他形式的熱輻射。
核彈的主要的破壞力來自於沖擊波效應。絕大多數的建築（除特別加固和抗沖擊結構的工事），將受到致命的摧毀。沖擊波的速度將超過超音速的傳播，而他肆虐的範圍會隨著核武器當量的增加而增加。兩種相似又不同的現象將隨沖擊波的到來而產生：
大多數核武器空爆造成的破壞就是由靜態超壓和動態的疾風合成的效果。較長時間的超壓拉動建築結構使其變得脆弱，這時吹來的疾風再一舉將其摧毀。壓縮、真空和拉扯效應總共會持續若干秒鐘，或者更長。而這裏的疾風比世界上任何可能出現過的颶風都要更加兇猛。
核武器的爆炸會伴隨有大量的電磁波輻射爆發，分布在可見光波段，及紅外的和紫外的波段上。主要的傷害機制是造成灼傷及對肉眼的傷害。在晴朗的天氣下，作用範圍可超過沖擊波。輻射光的能量是如此之強，它可以在沖擊波留下的廢墟中再製造一場大火。而熱輻射所作用的範圍，隨武器當量的增加而顯著地增長。
由於熱輻射線是以直線傳播的，所以任何不透明的物體都可以成為有效的壁壘阻止其傳播。但是，如果空氣中有霧氣，這些小水珠可以散射輻射線使其向四面八方傳播，於是所有的壁壘都會顯著地喪失作用。
當熱輻射線作用於一個物體時，部分的能量會被反射，部分被傳導和轉化掉，而剩下的會被吸收。吸收的比率取決於物體的特性和顏色。一個薄片狀的物體可以將大部分的能量傳導掉，同時淺顏色的物體可以反射許多輻射，它們受到的傷害都會小一些。對輻射線的吸收造成溫度在表面的迅速升高，例如木材、紙張、織物等都會被點燃和烤焦。如果恰好這種物質是不良導體，那麽加熱現象只會在表面產生。
事實上，物質是否被點燃還仰賴於熱輻射持續的長短，物質的厚度和包含的水分。在近距離上，所有的物質都會被加熱蒸發，而在最遠的距離上，只有最容易點燃和最脆弱的物質才會受到傷害。火災並不一定只是熱輻射線產生的，沖擊波造成的混亂氣流，也可能誘發大火。在廣島原爆中，就有一場空前巨大的火災，持續了20分鐘。火焰加熱空氣使其上升，周圍的空氣填補這一真空，造成持續的指向爆心的強風。然而這種現象並不是核爆炸所特有的，在二戰的大轟炸中，大量的燃燒彈或經常發生的森林火災中的烈焰也能造成大風。
γ射線透過康普頓散射效應將電子反沖加速，得到高能的電子。這些電子被地磁場捕捉，在地表以上20到40公裏的高度上產生共振。周期性振動的電子即可產生連續的電磁脈沖（EMP），持續大約1毫秒。下一個持續大約1秒數量級的效應是，大量的長條形的金屬物體（如電纜），在電磁波通過時會像天線一樣工作並產生高壓。這些強大的短暫的高壓，可以摧毀未經屏蔽保護的電子設備甚至是電線本身。但這種可怕的電磁脈沖對生物的影響人們卻不甚了了。另外灼熱的空氣破壞了電離層，也會使無線電通訊受到影響。
唯一能夠保護電子設備不受脈沖摧毀的措施是將其完全包裹在良導體內，或別的形式的法拉第籠內。當然，對於無線電通訊設備來說這是不可能的，因為它將收不到任何訊號。最大當量的核彈被用來實現大面積的，甚至是洲際範圍的電磁轟炸。
核彈空爆中，以最原始的粒子和γ射線形式輻射掉了。裂變彈和聚變彈的中子輻射有很大不同。然而γ輻射的結構，無論是在這類爆炸式的核反應中，還是短半衰期的物質衰變中都是類似的。核反應粒子輻射隨距離衰減快的原因，一個是它們的散布面積正比半徑立方，強度即正比半徑立方的倒數，一個是它們被大氣強烈地吸收和散射。
粒子輻射的結構也與距離有關，在近爆心的地點，中子輻射強於γ輻射，但隨著距離的增加，中子-伽瑪比將減小。最終，中子成分與γ成分相比即可忽略。要注意的是，上述的這些距離，並不隨爆炸當量的增加而有十分顯著的變化。因此，越大當量的爆炸中，原始粒子輻射的效果就越不顯著。在大塊頭的核彈中，譬如大於50kt，沖擊波和熱輻射的威力使得粒子輻射機制相形見絀，以至於被忽略。
剩餘的放射性物質透過兩種效應造成殺傷力：輻射塵和中子感應機制，剩餘粒子放射線從下列物質中產生：
- 裂變產物。裂變產物是由鈾或鈈在裂變反應中產生的中等質量的同位素。在裂變反應中，實際上產生的產物有超過300種。大多數是放射性的，且半衰期的長短不一，區別很大。短則幾分之一秒，長則在數年內都有致命的放射性。它們衰變的經典機制是釋放β和γ射線。1千噸的當量中，有大約60克的放射性裂變產物。引爆一分鐘之後，裂變產物的放射性等同於3千萬公斤的鐳同時衰變，也就是大約1.1澤它貝可。
- 未裂變的裝藥。裂變物質的利用，在核武器中可謂是很不充分，大量的鈾和鈈在裂變前就被炸得四分五裂。這些核裝藥，以α衰變的形式緩慢地輻射，而它們的重要性也相對較小。
- 中子感應效應。當一個原子核在中子爆發的時候捕獲了中子，作為一種已知的必然機制，它將變為放射性並在較長的周期內放射β和γ射線。中子爆發作為最原始的核放射線，必將引起殘留的中子感應效應。另外，環境物質，如土壤、空氣和水，也將被感應激發，這取決於它們的化學成分和距爆心的距離。舉例來說，在近爆心的地區，土壤中的礦物質由於中子爆發會變成有致命放射性的同位素。這是由於多種元素具有中子俘獲能力，像鈉、錳、鋁和矽這樣的元素，都存在於土壤中且參與了中子感應效應。但這種效應並不重要，因為它只限於很有限的一塊區域內。
在近地面的爆炸中，大量的土壤或水分將被火球加熱蒸發，上升成為放射雲。這些物質凝結後，由於混合了裂變產物和中子感應產物，將變得具有放射性。較大的顆粒將在24小時內沈降到爆心附近（也與風速和天氣有關），而較小的顆粒有可能會在全球大氣系統中漂流數周以至數月。一些當地沈降物覆蓋的面積會遠遠大於熱輻射和沖擊波的範圍，特別是在大量的核爆中。在水面附近的核爆中，輻射塵顆粒將較小，下落的比例將較小，而分布的面積就會比較廣大。大量海水中的鹽和一些水分，可以作為凝結核，引起當地的降雨從而使當地的核沈降大大增加。
全球放射性沈降的生物學破壞作用是由長半衰期的同位素在生物體內的富集主導的。像鍶-90或銫-137這類元素，通過食物等進入人體。化學上，這些同位素和鈣很像，他們會被誤認為鈣，而被吸收並沈積在骨骼中。這些高放射性的物質將會造成例如像白血病一類的放射性疾病。全球沈降的個體傷害效果毋庸置疑是小於當地的輻射塵。
在普遍的情況下，沖擊波和熱輻射的殺傷將遠大於放射線的傷害。但是，放射線的輻射傷害比沖擊波和熱輻射更加覆雜，人們對它也存在誤解。各式各樣的生物變異將在輻射區內的動物中發生。全身攝入高劑量放射性元素的個體將會立即死亡，其他攝入劑量較少的個體將會茍活，但也會隨後來的並發癥而死去。
投送
戰略核武器常指用來摧毀戰略目標的大當量核武器；戰術核武器是指用於摧毀小型的特定目標（如軍事、通訊或永備工事等目標）的較小的類型。
核武器的基本投放方式有：
- 轟炸機：早期核武器體積較大，只能被B-29等飛機運載和投放，但在1950年代中期，可由戰鬥轟炸機搭載的較小型的核武器被研製出來。這種新型空基的自由落體炸彈運用了多種新技術，包括翻滾轟炸，傘降投擲，臥倒模式，以保證給予載機足夠的逃離時間。
- 彈道導彈：彈道導彈採用拋射物彈道飛行，通常用於超視距的彈頭投送，因為初始高速和火焰對發射架威脅所限制，使到只適合在陸地或大型軍艦發射，而現實唯一搭載的軍艦是專用的特大型潛艇（彈道導彈潛艇）。機動彈道導彈具有十到上百公裏的射程，洲際彈道導彈和潛射彈道飛彈，每顆導彈可攜帶一打彈頭，而每個彈頭的當量下降到數萬到數十萬噸級。這樣一次發射就可威脅多個目標，或對一個目標造成更有效的打擊。
- 巡航導彈：這種導彈使用噴氣發動機或火箭發動機提供動力，以低空巡航的方式飛行，使用自動導航系統（基本上是慣導，但也有GPS導航和雷達中繼制導作為輔助），雖然只是低速和大氣中飛行，但新式巡航導彈以低飛進入普通陸基雷達的盲區所以突防能力比早年的前輩V-1火箭更強。巡航導彈的射程較之彈道導彈要近，且攜載能力也要差一些，當今也沒有服役的多彈頭巡航導彈。導彈可從地面基地、潛艇、艦船及飛機上發射。
其他可能的投送方式包括榴彈砲的核砲彈、核地雷（藍孔雀）、核深水炸彈、核魚雷（例如波塞冬核魚類）、核迫擊砲彈。50年代，美國研製了用於空中截擊的無控空-空火箭箭載小型核彈頭，裝備於F-106截擊機，但其在1960年代就基本退役，而核深水炸彈也在1990年代退役。可由兩人攜帶的小型戰術核彈也已研製成功，被一些媒體誇張為所謂的手提箱炸彈，它被稱為「特別打擊核武庫」。儘管如此，人們還在追求當量與便攜性的最佳整合，以達到最大的軍事效用。
傳統上一個國家具備戰略轟炸機、陸基核彈道飛彈、彈道飛彈潛艇的三棲投放方式，稱為核三位一體，目前嚴格來看只有美國、俄羅斯。中國、印度有潛力成為下一個具備此能力的國家。
武器儲存及維護
核子武器的維護保養工作是要令武器裝備維持在理想狀態。雖然核武器常見的成分，如鈾235和鈈239，這兩種物質的壽命都非常長，它們的半衰期分別為7億年和2.4萬年。但是，核武器的另一個重要成分—氚—的有效期只有12年，另外裝載核燃料的金屬器具及炸彈零部件也會逐漸氧化，需要定期更換及維護。核子武器的平均保質期約為20年，有些核武的設計能使保質期延長至超過30年。
防核武碉堡能夠在高強度核子戰爭下，維持人員存活，並保護核武儲存倉及發射載體，確保二次核打擊能力。
核材料的銷毀
最常見的銷毀方法是將廢棄核武中的核裂變材料轉化成粉末狀氧化物，成為供核電站使用的混合氧化物燃料。另外美國能源部曾提議把廢棄核彈中的鈈裝入容器，用玻璃溶液凝固後深埋地下，但這種做法存在安全隱患。
監管和制約
| 附件2, 簽署並批准 附件2, 僅簽署未批准 附件2, 未簽署 | 其他國家, 簽署並批准 其他國家, 僅簽署未批准 其他國家, 未簽署 |
| 簽約國 加入條約國 非簽約國但受其限制 | 退出 非簽約國 |
在第一顆核武器被發明出來之前，參與馬特蘭計劃的科學家們就針對該種武器的使用持不同看法。[121]在英國，第一次由核裁軍運動組織的奧爾德瑪斯頓遊行於1958年的復活節舉行。根據核裁軍運動組織的統計，幾千名民眾參與了持續4天的遊行，從倫敦的特拉法加廣場一直到靠近伯克希爾的奧爾德瑪斯頓的核武器研究基地，以表達他們對核武器的反對[122]。奧爾德瑪斯頓遊行一直舉辦到20世紀60年代晚期，上萬名民眾參加了為期4天的遊行。1959年，發布在《原子科學家公報》上的一封信成為一場成功停止原子能委員會在離波士頓19公裏的海中傾倒放射性垃圾運動的開始。1962年，鮑林因在阻止核武器大氣實驗和推動「禁止原子彈」運動方面的努力，被授予諾貝爾和平獎。
1963年，許多國家加入限制核武器大氣實驗的《部分禁止核試驗條約》。1968年首次簽署《不擴散核武器條約》。[123]放射性垃圾的議題變得不再那麽重要，反核武運動在數年內逐漸消弱。1980年代，對核武器戰爭的恐懼重新在美國和歐洲興起。
雖然國際社會對核武器的消減作出許多努力，但核武器的威脅始終存在。2000年不擴散條約審議大會上與會代表認為，目前「關於核武器能力應增加更多的透明度，減少核武器對安全政策的作用。」2003年，朝鮮民主主義人民共和國退出《不擴散核武器條約》，引起國際社會關注。[123]
紅十字國際委員會認為，需要「在有關核武器的討論中，重點突出核武器給人類造成的慘痛代價以及國際人道法的基本規則。這就意味著要提醒每個人註意到核武器給人類造成的極大風險，促使人們意識到眼前的機遇，並對那些明顯有助於消除核武器的措施提供支持。」[124]
參見
參考文獻
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