在美国曼哈顿计划之前，世界各大强国就对基于核裂变产生巨大威力的武器有过研究。在太平洋战争爆发之前，日本空军参谋长安田武雄就对原子弹十分的感兴趣。他毕业与日本东京大学曾担任陆军航空技术研究所所长，由于受过高等教育他对国外军事方面的科技尽展情况特别关注，自然也注意到了核裂变的发现。1940年4月在得知核裂变具有极大的军事潜力后，安田武雄向东条英机提出了书面意见。在得到东条英机的肯定后，安田武雄在1941年5月指令日本物理化学研究所讨论核武器的可行性，由日本著名核物理学家仁科芳雄教授负责。
在日本陆军开展核研究的同时，日本海军也开始了原子弹的研究工作，1942年初日本海军开始了原子动力能的研制开发。为此海军技术研究所成立了一个核物理成就利用委员会，追踪国外的研究进展情况。委员会有日本第一流的核物理学家组成，至1943年3月，委员会相继召开10此物理讨论会，他们得出结论是造出一颗原子弹从理论上是可行的，但需要十年时间左右。他们还认为德国和美国都没有多余的工业能力可以及时的生产出原子弹用于战争。在确信核物理研究所在短期内不能取得任何成果后，海军便解散了这个委员会。
但日本陆军（日本空军归陆军部管辖）依然进行原子弹的研发，1943年负责原子弹研发的仁科芳雄向空军司令部提交了一份确认原子弹在技术上可行的研究报告。东条英机在审阅了报告后，马上指示凡是计划所需要的资金、材料、人力，都要优先拨放。但是原子弹的基本材料铀日本根本就没有。于是日本向德国求助，1943年底德国派出了一艘潜艇将一吨铀矿运往日本，但却在马六甲海峡被美军击沉。德国此时已是泥菩萨过江自身难保，再也没法顾及日本的请求。
1945年春天，日本分离铀235的实验出现成功的迹象，但为了得到一枚原子弹所需的铀远远不够。1945年4月13日160架B29轰炸机轰炸东京，航空技术研究所49号楼被炸毁，里面有同位素分离器，至此日本妄想制造原子弹的美梦彻底破灭了。
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