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核軍備競賽（美語：Nuclear arms race、Ядерная гонка）是冷戰時期美國和蘇聯及它們的盟友為了在核戰爭[1] 上稱霸的一場軍備競賽。冷戰時，除了美蘇兩個超級大國之外，其他國家亦發展出核武技術，但這些國家的核彈頭數目都不足以和此二國相比。
第二次世界大戰
為了對付軸心國，美國的曼哈頓計劃於第二次世界大戰期間完成史上第一件核武器當時與美國結盟的蘇聯，開始向開發核武的可行性進行了初步研究。
美國並未告知蘇聯其實驗結果。直至1945年的波茨坦會議上，史達林才被知會美國不相信蘇聯能夠把實驗保持機密，而不泄露給德國間諜；更不相信和蘇聯的用心。即使於戰爭時，很多政界人士和軍中領導均指出蘇聯將會是一個潛在的對手。
除此之外，蘇聯的間諜亦一連串滲透美國核計劃。這些核間諜（包括克勞斯·富克斯和西奧多·霍爾使史太林得以清楚知道美國的發展。時任美國總統的杜魯門在通知史達林關於核武的事的時候，他對史達林的冷靜驚訝萬分，認為史達林甚至不知道他在說什麼。但史達林對美國的計劃已經有了長時間的了解。
1945年8月，在杜魯門的授權下，美軍向日本投放原子彈。兩架B-29軍炸機分別於廣島和長崎投下小男孩原子彈和胖子原子彈。
冷戰早期
二戰結束後的頭幾年，美國一直在核武的知識和至為重要的原料上稱霸。起初，科學家認為鈾元素的蘊藏量十分低，但後來卻發現了並不如此，當美國以為可以透過這樣的獨特優勢來屈服蘇聯，但失敗。蘇聯默默的大力研發核武器。戰時蘇聯因為缺乏鈾而令核武器發展受阻。但隨著東歐的穩定供應，他們獲得了本土的來源。當美國的智囊認為蘇聯直到1950年代的中期也不可能發展出核武器的時候，蘇聯於1949年的8月29日引爆第一枚試爆，震驚全世界。核彈的設計（西方稱這個核彈為"Joe One"）大概是從胖子原子彈中抄襲過來的。
各國政府投放大量資源去增加核武的數量和質量，而且研究氫彈，由美國首先於1952年11月1日試爆。同樣的蘇聯對於美國的能引爆可服役的熱核武器感到驚訝，他們要到翌年8月才成功，而且直到1955年才能成功研發多階段式氫彈。蘇聯的氫彈差不多全是自主研究結果，因為當時蘇諜取得的常為基本，甚至是錯誤的氫彈版本。
1950年在投射方面最重要的發展是ICBM的投入使用。飛彈一直被認為是核武理想的平台，也是潛在地比冷戰初期主要投射手段的戰略轟炸機更有效的投射系統。隨著1957年10月4日史普尼克計畫的開始，蘇聯向世界展示了他們有能夠擊中世界任何地方的飛彈。美國則在1959年10月31日發射了他們自己的。太空競賽展示了對核子武器投射（ICBM助推火箭）相當重要的科技，儘管他們保持著為了科學與探索的良善面貌。
這段時期同時也顯現出兩國想要對抗核子武器攻擊的意圖，兩方強權建造了大型的雷達天線來偵測來襲的轟炸機與飛彈。用於對抗轟炸機的戰鬥機以及對ICBM的反彈道飛彈也發展了。大型地下碉堡被建築出來以保全這些超級強權領導人的性命，而大眾則被告知要建造輻射塵避難所，並被教導在遭遇核子攻擊時該如何反應（民防）。這些炸彈在任一方的一次攻擊中就能奪去上百萬人的性命。
相互保證毀滅
所有的這些防禦措施都不夠堅固。在20世紀50年代，美國和蘇聯都有足以消滅對方的力量。各方發展了自己的二次打擊能力，也就是說，他們即使在受到對方的全面襲擊（特別是受到潛水艇的攻擊）之後，仍然可以發動毀滅性打擊。這個政策就是後來著名的相互保證毀滅的一部分：各方知道任何對對方的攻擊對自己而言也是毀滅性的，從而會（按理）避免攻擊對方。
蘇聯和美國的知識分子希望使用核武器來爭取對方或其他勢力（如中國）的讓步，但任何使用這些武器的方法都伴隨着巨大風險，各方都避免出現約翰·福斯特·杜勒斯所指的像邊緣政策一樣的情況。一些人如麥克阿瑟認為核武器應該在朝鮮戰爭時使用，而杜魯門和艾森豪威爾不同意。
各方也不知道應如何比較他們的兵械庫的強弱，從而大規模製造核武器以確保自身遭受到核打擊後仍有足夠力量進行反擊，雙方因此各生產了數萬枚核彈頭，雖然有報告聲稱只要有 200 枚核武器能夠在第一次核打擊中生存下來，就足夠維持必要的反擊能力。美國往往缺乏信心。在20世紀50年代，他們相信了實際上不存在的轟炸機差距（航空攝影後來發現蘇聯在閱兵時用他們的轟炸機玩了一種「表面遊戲」，讓轟炸機繞著大圓圈飛，讓他們看起來有比實際多得多的轟炸機）；在1960年美國總統選舉中，出現了因實際上是完全假造的蘇聯與美國之間的導彈差距對政府的譴責。蘇聯政府機構往往對領導和赫魯雪夫誇大自己的武器力量。
20世紀60年代早期，在美國產生了另外一個爭論：他們的武器能不能在關鍵時刻起效。核導彈的各部分（彈頭、導航系統、火箭等）都已經單獨測試過了，但把他們作為整體進行測試是不可行的。評論家批評說，並不清楚彈頭在上層大氣和外太空遇到重力和溫度突變時能否運行，甘迺迪也不希望使用一個真正的彈頭對洲際彈道導彈進行一次危險的測試。最接近真實的一次測試是1962年的軍艦鳥測試，伊森·艾倫號潛艇發射了一枚北極星導彈到超過1000英里遠的聖誕島上的核測試場。這次測試被評論家（包括柯蒂斯·勒邁，他曾經懷疑導彈的精確度，以鼓勵新轟炸機的發展）質疑，因為這是一次單一的測試（有可能是一次異常），也是一次低空的潛射彈道導彈發射（與洲際彈道導彈發射的條件不同），這個重大的修改在測試前已經對彈頭實施了。