Cũng giống như đồng minh của mình là Đức và đối thủ là Mĩ, người Nhật đã từ lâu nhắm đến một loại vũ khí hủy diệt hàng loạt dựa trên nguyên tắc phân rã phân tử. Đó chính là bom hạt nhân
Câu chuyện bắt đầu vào năm 1934 khi “lý thuyết vật lý nguyên tử” của giáo sư đại học Tohoku Hikosaka Tadayoshi được phát hành. Hikosaka đã chỉ ra năng lượng khổng lồ chứa trong hạt nhân và khả năng có thể tạo ra cả nguồn năng lượng và vũ khí sử dụng phản ứng hạt nhân. Vào tháng 12 năm 1938, các nhà hóa học người Đức Otto Hahn và Fritz Strassmann đã gửi một bản thảo cho tạp chí Naturwissenschaosystem báo cáo rằng họ đã phát hiện ra nguyên tố Bari sau khi bắn phá Uranium bằng Neutron. Đồng thời họ cũng thông báo những kết quả này cho nhà vật lí học người Áo Lise Meitner. Meitner, và cháu trai của bà là Otto Robert Frisch, đã diễn giải chính xác những kết quả này là sự phân hạch hạt nhân và Frisch đã xác nhận điều này bằng thực nghiệm vào ngày 13 tháng 1 năm 1939. Các nhà vật lý trên thế giới ngay lập tức nhận ra rằng phản ứng dây chuyền có thể được tạo ra và thông báo cho chính phủ của họ về khả năng phát triển vũ khí hạt nhân.
Nhân vật dẫn đầu chương trình nguyên tử của Nhật Bản là Tiến sĩ Yoshio Nishina, một cộng sự thân cận của Niels Bohr và là người cùng học vấn với Albert Einstein. Nishina lúc này là đồng tác giả của công thức Klein-Nishina đã thành lập Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Hạt nhân của riêng mình để nghiên cứu vật lý năng lượng cao vào năm 1931 tại Viện RIKEN (Viện Nghiên cứu Vật lý và Hóa học), được thành lập vào năm 1917 ở Tokyo để thúc đẩy nghiên cứu cơ bản. Nishina đã chế tạo chiếc cyclotron 26 inch (660 mm) đầu tiên của mình vào năm 1936 và một chiếc cyclotron 60 inch (1.500 mm) khác, nặng 220 tấn vào năm 1937. Năm 1938, Nhật Bản cũng mua một chiếc cyclotron từ Đại học California, Berkeley. Năm 1939, ông nhận ra tiềm năng quân sự của quá trình phân hạch hạt nhân, và lo lắng rằng người Mỹ đang nghiên cứu một loại vũ khí hạt nhân có thể được sử dụng để chống lại Nhật Bản. Thật vậy, vào năm 1939, Tổng thống Franklin D. Roosevelt bắt đầu những cuộc khảo sát đầu tiên về vũ khí phân hạch ở Hoa Kỳ, sau đó phát triển thành Dự án Manhattan khổng lồ, và phòng thí nghiệm mà từ đó Nhật Bản mua một chiếc cyclotron đã trở thành một trong những địa điểm chính để nghiên cứu vũ khí (Giờ ai chôm của ai nào
). Vào đầu mùa hè năm 1940, Nishina đã gặp Trung tướng Takeo Yasuda trên một chuyến tàu. Yasuda lúc bấy giờ là giám đốc Viện Nghiên cứu Kỹ thuật của Cục Hàng không Quân đội. Nishina nói với Yasuda về khả năng chế tạo vũ khí hạt nhân. Tuy nhiên, dự án phân hạch của Nhật Bản đã không chính thức bắt đầu cho đến tháng 4 năm 1941 khi Yasuda thực hiện theo lệnh của Bộ trưởng Lục quân Hideki Tōjō để điều tra các khả năng của vũ khí hạt nhân. Yasuda đã chuyển mệnh lệnh cho Tử tước Masatoshi Ōkōchi, Giám đốc Viện RIKEN, người sau đó đã chuyển nó cho Nishina, nơi có Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Hạt nhân vào năm 1941 có hơn 100 nhà nghiên cứu.
Trong khi đó, Viện Nghiên cứu Công nghệ của Hải quân Đế quốc Nhật Bản đã theo đuổi các cuộc điều tra của riêng mình, và đã mời các giáo sư từ Đại học Hoàng gia Tokyo để được tư vấn về vũ khí hạt nhân. Điều này dẫn đến việc thành lập Ủy ban Nghiên cứu Ứng dụng Vật lý Hạt nhân, do Nishina làm chủ tịch, đã họp 10 lần từ tháng 7 năm 1942 đến tháng 3 năm 1943. Trong một báo cáo kết luận rằng mặc dù về lí thuyết, bom nguyên tử vẫn khả thi, “có lẽ ngay cả Hoa Kỳ cũng khó nhận ra việc áp dụng sức mạnh nguyên tử trong chiến tranh ” (US: À thế à). Điều này khiến Hải quân mất hứng thú và thay vào đó tập trung vào nghiên cứu radar.
Tuy nhiên tất cả những lí do đó không khiến lục quân nản lòng, và ngay sau khi ban hành báo cáo của mình, Ủy ban đã thiết lập một dự án thử nghiệm tại RIKEN với tên gọi Dự án Ni-Go. Mục đích của nó là tách uranium-235 bằng cách khuếch tán nhiệt, bỏ qua các phương pháp thay thế như tách điện từ, khuếch tán khí và tách ly tâm. Đến tháng 2 năm 1945, một nhóm nhỏ các nhà khoa học đã thành công trong việc sản xuất một lượng nhỏ vật liệu trong một thiết bị phân tách thô sơ trong khu phức hợp RIKEN – vật liệu mà cyclotron của RIKEN chỉ ra không phải là uranium-235. Dự án phân tách kết thúc hai tháng sau khi tòa nhà chứa nó bị phá hủy vào tháng 3 năm 1945 trong một vụ hỏa hoạn do cuộc không kích của Chiến dịch Meetinghouse made by Không quân Hoa Kỳ vào Tokyo. Không có nỗ lực nào được thực hiện để chế tạo hố Uranium vì nước nặng không có sẵn. Nhưng Takeuchi Masa, người phụ trách bộ phận tách của Nishina, đã tính toán rằng nước nhẹ sẽ đủ nếu uranium có thể được làm giàu lên 5–10% uranium-235.
Trong khi các thí nghiệm này đang được tiến hành, Lục quân và Hải quân đã tiến hành tìm kiếm các quặng uranium, ở các địa điểm từ tỉnh Fukushima đến Hàn Quốc, Trung Quốc và Miến Điện. Người Nhật cũng yêu cầu nguyên liệu từ các đồng minh Đức của họ và 560 kg (1.230 lb) uranium oxit chưa qua xử lý đã được gửi đến Nhật Bản vào tháng 4 năm 1945 trên tàu ngầm U-234, tuy nhiên, lực lượng này đã đầu hàng trước Hải quân Mỹ ở Đại Tây Dương sau khi Đức đầu hàng. Ôxít uranium, được cho là đã ở trên tàu “U-235”, có thể đã bị ghi sai và các đặc điểm chính xác của nó vẫn chưa được biết; một số nguồn tin rằng nó không phải là vật liệu cấp vũ khí và được dùng làm chất xúc tác trong sản xuất metanol tổng hợp để sử dụng cho nhiên liệu hàng không.
Theo nhà sử học Williams, “Việc thiếu uranium chất lượng cao tương tự đã cản trở dự án nguyên tử của Đức cũng đã cản trở nỗ lực chế tạo bom của Nhật Bản.” Đây là kết luận của Nhóm Tình báo Dự án Manhattan, các đơn vị cũng đã cho ra báo cáo rằng các nhà vật lý hạt nhân của Nhật Bản cũng giỏi như những người từ các quốc gia khác.
Nhưng câu chuyện chưa dừng lại ở Ni-Go. Năm 1943, một bộ chỉ huy khác của Hải quân Nhật Bản bắt đầu một chương trình nghiên cứu hạt nhân với tên gọi Dự án F-Go dưới sự điều hành của Bunsaku Arakatsu tại Đại học Hoàng gia Kyoto. Arakatsu đã dành một số năm học tập ở nước ngoài, bao gồm cả tại Phòng thí nghiệm Cavendish tại Cambridge dưới thời Ernest Rutherford và tại Đại học Berlin dưới thời Albert Einstein. Ngoài Nishina ra thì Arakatsu là nhà vật lý hạt nhân nổi tiếng nhất ở Nhật Bản. Nhóm của ông bao gồm Hideki Yukawa, người sẽ trở thành nhà vật lý Nhật Bản đầu tiên nhận giải Nobel vào năm 1949.
Ngay từ đầu trong cuộc chiến, Tư lệnh Kitagawa, người đứng đầu Bộ phận Hóa học của Viện Nghiên cứu Hải quân, đã yêu cầu Arakatsu tiến hành công việc phân tách Uranium-235. Công việc diễn ra chậm chạp, nhưng ngay trước khi chiến tranh kết thúc, ông đã thiết kế một máy siêu ly tâm (quay với tốc độ 60.000 vòng/phút) mà ông hy vọng sẽ đạt được kết quả cần thiết. Chỉ có thiết kế của cỗ máy đó được hoàn thành trước khi Nhật Bản đầu hàng.
Không lâu sau khi Nhật Bản đầu hàng, Phái bộ bom nguyên tử của Dự án Manhattan, đã được triển khai tới Nhật Bản vào tháng 9, báo cáo rằng Dự án F-Go đã thu được 20 gram nước nặng mỗi tháng từ các nhà máy điện phân amoniac ở Hàn Quốc và Kyushu. Trên thực tế, nhà công nghiệp Jun Noguchi đã đưa ra chương trình sản xuất nước nặng từ vài năm trước. Năm 1926, Noguchi thành lập Công ty Thủy điện Hàn Quốc tại Konan (nay là Hungnam) ở phía đông bắc Hàn Quốc: đây trở thành địa điểm của một khu liên hợp công nghiệp sản xuất amoniac để sản xuất phân bón. Tuy nhiên, bất chấp sự sẵn có của một cơ sở sản xuất nước nặng có sản lượng có thể sánh ngang với Norsk Hydro tại Vemork ở Na Uy, có vẻ như người Nhật đã không thực hiện các nghiên cứu nhân neutron bằng cách sử dụng nước nặng làm chất điều tiết tại Kyoto.
