اولین آزمایش تسلیحات هسته‌ای با نام رمز «ترینیتی» در ساعت ۵:۳۰ صبح روز ۱۶ ژوئیه‌ی ۱۹۴۵ در صحرای نیومکزیکو انجام شد. این آزمایش، تلاش برای اثبات طرح مفهومی مخفی بمب هسته‌ای بود که در لوس آلاموس به عنوان بخشی از پروژه منهتن ژاپن در طول جنگ جهانی دوم انجام شد و درست به فاصله‌ی چند هفته بعد، به بمباران اتمی هیروشیما و ناگاساکی ژاپن انجامید.
به گزارش زومیت، پس از بمباران ژاپن، ساخت تسلیحات هسته‌ای سرعت گرفت. کشورهای سراسر جهان ذخایر هسته‌ای خود را ساختند که شامل بیش از ۵۰۰۰ کلاهک هسته‌ای در اختیار ایالات متحده است. با این‌حال اگرچه اجزای اصلی این فناوری دیگر مخفی نیست، ساخت سلاح هسته‌ای به عنوان چالشی علمی و مهندسی باقی‌مانده است؛ اما چرا تولید تسلیحات هسته‌ای هنوز تا این اندازه دشوار است؟
بخش عظیمی از این دشواری ناشی از استخراج عناصر شیمیایی مورداستفاده در این سلاح‌ها برای ایجاد انفجار است. هانس کریستنسن، مدیر پروژه اطلاعات هسته‌ای در فدراسیون دانشمندان آمریکایی، به لایوساینس گفت:
ایده اصلی یک انفجار هسته‌ای این است که مواد هسته‌ای شکافت‌پذیر تحریک می‌شوند تا انرژی عظیم خود را آزاد کنند. تولید مواد شکافت‌پذیر با خلوص و مقدار کافی یک چالش است و این تولید نیاز به ظرفیت صنعتی قابل توجهی دارد.
آزادسازی عظیم انرژی با عنوان واکنش شکافت هسته‌ای شناخته می‌شود. هنگامی که این واکنش رخ می‌دهد، یک واکنش زنجیره‌ای شروع می‌شود که در آن اتم‌ها برای آزادکردن انرژی شکافته می‌شوند. این همان نوع واکنشی است که انرژی هسته‌ای را ممکن می‌سازد.
به گفته‌ی متیو زرفی، استاد ذرات مهندسی هسته‌ای، مواد شکافت‌پذیر درون بمب هسته‌ای، عمدتاً ایزوتوپ‌های اورانیوم و پلوتونیم هستند که هر دو عناصر رادیواکتیو هستند. اورانیوم طبیعی از ایزوتوپ‌های مختلفی تشکیل شده است؛ ازجمله رایج‌ترین نوع به نام اورانیوم ۲۳۸ و نوع کمیاب‌تر به نام اورانیوم ۲۳۵ که به راحتی شکافت‌پذیر است.
برای دسترسی به ایزوتوپ شکافت‌پذیرتر اورانیوم، سنگ معدن اورانیوم استخراج می‌شود و سپس چندین فرآیند را برای «غنی‌سازی» پشت سر می‌گذارد. درجریان غنی‌سازی، غلظت اورانیوم ۲۳۵ افزایش می‌یابد تا بتوان از آن برای تسلیحات هسته‌ای استفاده کرد. زرفی گفت:
یکی از روش‌های غنی‌سازی اورانیوم این است که آن را به گاز تبدیل کنید و در سانتریفیوژها با سرعت بسیار بالا بچرخانید. به دلیل تفاوت در جرم بین اورانیوم ۲۳۵ و ۲۳۸، ایزوتوپ‌ها تقسیم می‌شوند و می‌توانید اورانیوم ۲۳۵ را جدا کنید.
برای اورانیوم در سطح سلاح هسته‌ای، جداسازی تا غلظت بیش از ۹۰ درصد اورانیوم ۲۳۵ ادامه دارد. چالش بزرگ این فرآیند که ممکن است هفته‌ها تا ماه‌ها طول بکشد، تبدیل شیمیایی خود عنصر است که نیاز به انرژی شدید و تجهیزات تخصصی دارد. یکی از خطرات شیمیایی در این فرآیند، احتمال آزادشدن هگزافلورید اورانیوم (UF₆)، یک ماده بسیار سمی است که در صورت استنشاق می‌تواند به کلیه‌ها، کبد، ریه‌ها، مغز، پوست و چشم‌ها آسیب برساند.
فرآیند غنی‌سازی پلوتونیم به مراتب پیچیده‌تر است، زیرا این عنصر به‌طور طبیعی مانند اورانیوم یافت نمی‌شود. بلکه پلوتونیوم محصول جانبی رآکتورهای هسته‌ای است؛ به این معنا که برای استفاده از پلوتونیوم، دانشمندان باید سوخت هسته‌ای رادیواکتیو مصرف‌شده را کنترل و مواد را از طریق پردازش شیمیایی شدید فرآوری کنند. درصورتی‌که جرم بحرانی که حداقل مقدار ماده شکافت‌پذیر مورد نیاز برای حفظ واکنش شکافت خودپایدار است، به‌صورت تصادفی جمع‌آوری شود، فرآوری این ماده می‌تواند خطر ایمنی ایجاد کند.
با اینکه قواعد علمی گردآوری عناصر سلاح هسته‌ای به‌خوبی درک شده است، ساخت و کنترل چنین واکنشی در کسری از ثانیه هنوز به‌صورت چالش باقی مانده است. زرفی می‌گوید:
سلاح‌های هسته‌ای به گونه‌ای طراحی شده‌اند که وقتی منفجر می‌شوند، توده‌ای فرابحرانی از ماده شکافت‌پذیر بسیار سریع در یک فضای بسیار کوچک ایجاد می‌شود. این فرآیند باعث افزایش تصاعدی در تعداد شکافت‌هایی می‌شود که تقریباً بلافاصله در سراسر ماده پخش می‌شوند.
گسترش سریع شکافت اتمی بخش بزرگی از آن چیزی است که یک واکنش هسته‌ای را تا این حد ویرانگر می‌کند. در مورد سلاح‌های گرماهسته‌ای که پس از جنگ جهانی دوم توسعه یافته‌اند و از ترکیب شکافت و همجوشی هسته‌ای برای ایجاد انفجاری قوی‌تر استفاده می‌کنند، واکنش شکافت استاندارد باید یک واکنش همجوشی ثانویه و قوی‌تر را راه‌اندازی کند. این واکنش همجوشی همان نوع انرژی است که در مرکز خورشید وجود دارد.
پس از ساختن سلاح هسته‌ای، دانشمندان و مهندسان باید اطمینان حاصل کنند که سلاح‌ها در صورت استفاده، به درستی عمل خواهند کرد. زمانی که سلاح‌های هسته‌ای برای اولین بار ساخته شدند، دانشمندان خود سلاح‌ها را در سایت‌های آزمایشی آزمایش می‌کردند (این فرآیند باعث نابودی محیط مناطق بیابانی و همچنین مردم و حیواناتی می‌شدند که در آن نزدیکی زندگی می‌کردند). در مقابل، آزمایش‌های سلاح‌های مدرن بر اساس مدل‌های کامپیوتری است. این بخشی از کاری است که توسط اداره امنیت هسته‌ای ملی آمریکا (NNSA) انجام می‌شود. سخنگوی NNSA به لایوساینس گفت:
سازمان NNSA، ابزارهایی را برای تأیید اجزای سلاح‌ها توسعه می‌دهد تا از کارآمدی و اثربخشی آن‌ها در سناریوهای مختلف اطمینان حاصل شود. این شامل شبیه‌سازی‌های پیشرفته با استفاده از سیستم‌های ابررایانه، علم مواد و مهندسی دقیق است تا از عملکرد صحیح سلاح‌ها مطمئن شویم.
در نهایت، پیچیدگی‌ها و چالش‌های ساخت سلاح‌های هسته‌ای ممکن است توضیح دهد که چرا امروزه تعداد کمی ابرقدرت هسته‌ای در جهان وجود دارند.
