核武器设计方案

核反應

核分裂將重原子核分裂為輕一些的原子核，而核融合則是將輕的原子核聚在一起形成更重的原子核。這兩種反應都可能釋放出超出化學反應數百萬倍的能量。根據一份法國專利提供的數據，核武器的威力比非核武器強大數百萬倍。
從某種意義上說，裂變和聚變是相反的又互補的兩種反應。為了理解核武器是如何設計的，我們首先要明白裂變和聚變的相似之處和不同之處。下面的解釋使用了近似的數字

槍式核彈

在廣島爆炸的核彈小男孩使用了64千克的鈾，其中80%（大約51千克）為鈾-235，已經達到未封裝情況下的臨界質量。如果考慮到外面還要封裝一層中子反射器，64千克已經超出了臨界質量的兩倍。在爆炸前，鈾-235被分成了兩塊低於臨界質量的部分，其中的一塊會被以類似槍械彈丸發射的方式擊中另一塊，從而引發爆炸。大約只有1.5%的鈾發生了裂變，而餘下的部分散布在了地面上，沒有任何用處。而這些鈾-235消耗了橡樹嶺的巨型工廠在整個戰爭期間大部分產量。
這種低效率是由於沒有被壓縮的鈾在裂變時迅速的膨脹，隨後由於密度變低變得低於了臨界質量。由於這個設計需要使用細長的槍管，這種設計被裝在了小直徑的矩形彈殼中。這種核彈在美國一直部署到了1992年，消耗了美國兵工廠中大部分的U-235。由於槍式核彈的低生產量和其危險性，同時為了滿足限制核武器數量的條約，這些核彈被首先拆除。

內爆式核彈

在長崎爆炸的核彈胖子，使用了6.2千克鈽-239，體積大約350毫升。這僅僅是未封裝球形情況下的臨界質量的39%。由於核裝藥由鈾-238包裹並充當中子反射層，核裝藥接近了臨界質量。核裝藥的周圍均勻的放置了常規炸藥，而這些炸藥將在爆炸時同時起爆，引起內爆。內爆使得鈽被強烈壓縮密度增加，達到了臨界質量並開始鏈式反應。內爆由多個起爆電橋線形雷管觸發。根據估計，大約只有20%的鈽發生了裂變，而剩下的近5千克鈽散布在地面上。

內爆時產生的衝擊波僅持續很短的時間，只有一部分的核裝藥在衝擊波經過的一瞬間被壓縮
。為了增強內爆效果，可以將低密度金屬（如鋁、鈹或者是兩種金屬的合金，選用鋁是因為它很容易安全的變形，而選用鈹是因為他的中子反射性）製成中間層，放置在爆炸物和反射層之間。這樣，一部分的衝擊波會被反射回去，而衝擊波的作用時間就加長了。胖子核彈使用了鋁製成的中間層。
胖子核彈的高效率是因為大量的U-238填充物。儘管U-238不發生裂變，在內爆發生後，這層填充物會帶有向內的動量。雖然鈽的鏈式反應會使鈽膨脹並最終停止反應，膨脹首先需要克服內爆產生的動量。雖然僅僅將核裝藥多保持在一起僅僅幾百奈秒，核彈的效率卻因此而增加。

鈽核裝藥

內爆核武器的核心是裂變物質與周圍包裹的中子反射層，這被稱為核裝藥。在一些20世紀50年代的核測試中，核裝藥分別測試了僅僅使用鈾-235、使用鈾鈽合金等等情況。 但是純鈽的核裝藥是體積最小的，因此從60年代早期開始，使用純鈽作為裂變武器的主要核裝藥成為了製造核彈的標準。但是，也有某些使用高濃縮鈾（HEU）的部件仍在一些裂變裝置中被使用，以從不同的方面來提高核武器的性能或降低成本。
由於鈽有毒，而且還有許多同素異形體（參見鈽的同素異形體，鑄造、加工鈽成為一項艱巨的任務。當鈽冷卻時，相變會使鈽變形甚至裂開。這種變形可以通過添加3-3.5%摩爾分數（0.9-1%質量分數）的鎵以形成鈽鎵合金來解決，使得δ相可以占據一個很寬的溫度範圍。當鈽鎵合金從熔化狀態冷卻時，相變將會從ε相轉變為δ相，而不會經過四個相變。理論上也可以使用其他的三價金屬，但是由於鎵的中子吸收截面很小，同時也能保護鈽不受腐蝕，通常都使用鈽鎵合金。但是鈽鎵合金的缺點是鎵自己會被腐蝕，因此如果如果想將從拆除的核武器中提取的鈽轉化為二氧化鈽用於發電核反應爐時，很難從中去除鎵。
由於鈽的化學性質活潑，通常會將製成的核裝藥鍍上一層薄薄的惰性金屬。這層鍍膜還可避免鈽的毒性危害。第一枚核彈使用了銀鍍膜，隨後，使用蒸汽鎳鍍膜，但是現在，通常使用金。鈽部件的機械加工過程總是需要在惰性氣體的保護下進行。

懸浮核裝藥

對胖子核彈的第一個改進是在填充物與核裝藥之間留下一層空間，這樣可以產生一種類似於錘子敲釘子的效果。核裝藥被放在填充物的空洞中，由一個錐體支撐，被稱為是懸浮的。1948年，三次沙石行動的實驗使用了懸浮核裝藥的胖子核彈設計，最大的一枚達到了4.9萬噸當量，比未懸浮的胖子核彈兩倍還多。
隨後。內爆法被確認為是裂變核武器的最佳設計。它唯一的缺點是直徑太大了。胖子核彈的直徑是1.5米，而小男孩只有60厘米。11年後，在成功的改進了內爆發設計之後，原子彈長僅需60厘米、直徑僅需30厘米。
胖子核彈中的鈽-239核裝藥的直徑僅有9厘米，一個壘球大小。胖子的巨大體積主要是由於它採用了內爆機制，有一層層同心的球面，包括鈾-238、鋁、以及高爆炸藥。降低半徑的關鍵是採用兩點式內爆設計。

兩點線性內爆

一個非常低效的設計是用最小的壓縮簡單的將一個卵形壓縮成球形，在使用線性內爆的核彈中，核裝藥被裝入一個兩端裝有高爆炸藥的圓柱形容器。核裝藥為未填塞的實心的鈽-239，並將其拉伸，其質量需要超過球形時的臨界質量。爆炸將核裝藥的兩端向內推，使其變成球形，從而使得核裝藥達到臨界質量。衝擊波可能還會使鈽從δ相變成α相，即使沒有內爆帶來的向內的動量，鈽的密度就可以增加23%。雖然內爆壓力不足使得這種設計方案效率較低，但是它結構簡單，半徑也非常小，從而可以將它裝在炮彈中或者手提箱核彈中。
不論是槍式的U-235核彈還是線性內爆的鈽-239核彈的當量都很低，而且需要很多裂變物質使得核裝藥的直徑達到15到25厘米。

兩點中空核裝藥內爆

更有效的兩點式內爆系統使用了兩塊高爆炸藥和一個中空的核裝藥。
1945年設計胖子核彈時，其實已經考慮了中空核裝藥的設計，但是那時沒有足夠的時間來生產這種內爆系統並進行測試。由於緊迫的時間限制，人們認為簡單的實心核裝藥設計將更為可靠，但是該設計需要大量U-238作為填充物，一個非常厚的鋁殼來延長內爆衝擊波的作用時間，此外還需要三噸重的高爆炸藥。戰後，人們又重新開始考慮中空的核裝藥設計。顯然，中空的鈽可以在內爆發生時發生變形，向內部空洞擠壓，和實心核裝藥設計相比可以帶來更大的向內的動量。中空核裝藥自身就可以完成部分填充物的作用，這樣就不需要那麼多的U-238填充物、不需要鋁殼緩衝，也減少了對高爆炸藥的需求量。
胖子核彈包含有兩層同心的球形高爆炸藥，每層都有25厘米厚。內爆由內層的炸藥驅動，而外層的炸藥包含有32個爆炸透鏡，這些透鏡排成足球形，每一個都可以將他們的爆炸物的衝擊波轉換為凹形的波，以和內層炸藥的輪廓匹配。如果這32個爆炸系統可以用兩個替代，那麼高爆炸藥球可以變成一個橢球形，而半徑也將大大縮小。
對於這兩個特點，1956年瑞典核武器計劃（在能夠進行爆炸測試前就中止了）中的一張圖可以很好的表現出來。這幅圖顯示了兩點式中空核裝藥設計的基本特徵：
在一些從戰後德國核彈計劃中解密的文獻中展示了類似的示意圖，這個計劃也被中止了；此外還有法國的計劃。法國的計劃最終建造了一個核武器軍工廠。
在瑞典武器計劃中並沒有提到他們要使用的爆炸透鏡的原理。胖子核彈上使用的標準的爆炸透鏡使用了快速和慢速的炸藥，如果要能夠產生凹形衝擊波以包住整個半球，這個透鏡要麼非常長，要麼需要將一部分炸藥產生的衝擊波的速度降到很低。如果使用一個金屬盤，讓它在爆炸後變形，並由衝擊波推動它穿過一段空間，他的速度可以被設計得足夠慢。使用了這個技術以後，一個兩點式的的內爆系統可以不超過其直徑的兩倍，如同瑞典示意圖所示。

級間結構

在一個二階段熱核武器中，初級核彈的能量會影響次級核彈，這種在初級和次級之間的基本的能量傳輸調節結構被稱為級間結構。這個結構可以保護因次級聚變燃料加熱過快而導致其在裂變和聚變開始前就因為熱膨脹而爆炸。
在公開文獻中，很少有關於級間結構的信息。在一份美國政府向公眾開放的關於可靠性替換核彈頭計劃的文檔中，這個名詞首先以一個圖片的標題出現。在文檔中指出，新的核彈設計如果成功，將會代替級間結構中有毒的、易碎的材料以及昂貴的專門材料。文檔中的這個表述意味著在以往的級間結構可能使用了鈹來調節初級核彈中的中子流量，也可能使用了一些能夠吸收並重新輻射X射線的材料。關於級間結構使用的材料也有一些推測，據稱這種代號可能為「FOGBANK」的材料可能是一種氣膠，很可能摻入了鈹或其他物質。
級間結構和次級核彈被一起封裝在不鏽鋼薄膜中，以形成罐裝子裝配模塊，對於這個模塊從來沒有任何公開的描繪。
 
對於級間調節最詳細的描述是一枚英國的熱核武器示意圖，在初級和次級核彈之間仍有許多物體。他們被標記為「中子聚焦透鏡和頂蓋」、「反射器/中子槍架」、和「反射器包裝」。最初的這張圖由綠色和平組織放在網際網路上，正確性無法保證，也沒有相應的說明。

特定設計

儘管每種核武器都可以歸為以上三種類型之一，在新聞中和公眾討論中也經常會提到下面的一些特別的設計，但是這些設計的名字不一定能正確地描述它們的工作原理和用途。例如：

氫彈

現代核武器都需要在某種程度上使用了D-T聚變反應。即使是純裂變核彈，其中的中子源仍然是一個包含有微量氚和氘的高電壓真空管。然而，在大眾觀念中，氫彈是一種數百萬噸當量的核彈，要比在廣島投下的小男孩核彈威力大上千倍。實際上，這樣高當量的核彈是一種二階段熱核武器，需要通過使用鈾裂變來達到所需要的當量，而其能量的主要來源是裂變。
氫彈的設想最早於1949年為公眾所注意，此時，一些卓越的科學家們公開的表示反對製造比純裂變核彈威力更大的核武器。他們的反對意見出於道德和實踐的考慮。而另一些科學家認為，裂變核彈的體積受到臨界質量的限制，無法做得更小，而聚變則沒有任何臨界質量的限制。1949年，蘇聯進行了第一次核試驗，爆炸了第一顆原子彈，隨後，總統杜魯門要求洛斯阿拉莫斯的科學家製造一枚威力更大的核彈，從而結束了對是否製造氫彈的爭論。1952年，在常春藤行動中，代號為Mike的核試驗爆炸了一顆10.2兆噸的氫彈，這被認為是第一次氫彈的測試，也加強了公眾認為氫彈比原子彈（純裂變核彈）威力強上千倍的想法。
1954年，奧本海默 被認為是氫彈的反對者。公眾不知道其實有兩種類型的所謂氫彈（其實沒有任何一種可以用氫彈來準確的描述）。5月23日，當他的安全許可被撤銷時，在四個公眾調查中有三個結果都認為他「領導了氫彈計劃」。實際上在1949年，奧本海默領導了單階段的聚變增強裂變彈的設計，以在鈽和氚的生產中取得平衡，同時最大化核彈的威力。而他在1951年以前一直反對二階段熱核武器的想法，直到輻射內爆使得這個想法變得可行。他的職位的複雜性使得這些內幕一直到1976年才為公眾所知，此時他已經去世9年。
二十世紀六十年代，在洲際飛彈替換了戰略轟炸機以後，大多數的百萬噸級核彈都被飛彈核彈頭所代替。這些核彈頭依然是二階段核彈設計，當量降至最多一百萬噸。

鬧鐘

對於裂變和聚變的共生關係的共生關係的探索始於二十世紀四十年代的一個核武器設計。在這個設計中，裂變燃料和聚變燃料分成薄層交替的混合起來。作為一個單階段核武器，它應該是一個聚變增強裂變的一個不甚合理的設計。在開發二階段熱核武器的次級核彈時，這個設計方案才變得可行。
而這個設計在美國被命名為鬧鐘，其實這僅僅是一個沒有任何意義的代號。蘇聯的名字略有描述性，Sloika，是一種層狀的蛋糕，在相關蘇聯核武器發展史的中文文獻中通常被翻譯成「千層餅」。1953年8月12日，蘇聯測試了一顆單階段的蘇聯Sloika核彈。而在美國，這個設計的單階段核彈從未測試過，但是在城堡行動的核武器測試中，於1954年4月26日代號為Union的核實驗爆炸了一顆二階段熱核武器，武器代號為鬧鐘。試驗在比基尼環礁舉行，當量為6.9兆噸。
由於蘇聯的Sloika試驗中最早使用了氘化鋰-6，而美國在8個月後的1954年3月1日的Bravo核試驗才第一次測試這種材料，有人聲稱蘇聯最先製造了氫彈（1952年，美國的Mike核試驗使用了液態的氘作為次級核彈的聚變燃料，同時採用了D-D聚變反應）。然而，第一次蘇聯使用輻射內爆來爆炸次級核彈已經是1955年11月23日的事了，比Mike核試驗晚了3年，而輻射內爆才是所謂的氫彈的本質特徵。

乾淨炸彈

在1954年3月1日，美國進行了當時最大的核爆測試。這次測試屬於城堡行動，代號為Bravo。當時，在比基尼環礁引爆了一顆當量為一千五百萬噸的核彈。核彈引起的放射性塵埃可以迅速致死，這些塵埃散布在6000平方英里的太平洋海面上。 馬紹爾群島的居民和日本漁民因輻射而受傷甚至死亡（參見第五福龍丸事件）使得氫彈中使用了裂變材料這個秘密為公眾所知。
為了應對公眾對放射性塵降的恐慌，美國政府決定設計一種乾淨的核彈。這種核彈的威力仍然十分巨大，能夠達到數百萬噸當量，而釋放的能量幾乎僅僅依靠聚變。由於以前的大當量熱核武器使用了裂變材料製成反射層，其裂變作為主要的能量來源，這種乾淨的核彈為了達到同樣的當量就需要非常巨大的體積。在這種情況下，以次級核彈做為初級的第三個階段被加入到核彈中。這枚核彈被命名為低音管。在紅翼鶇行動中，代號Zuni的核試驗測試了這枚核彈。這次核試驗於1956年5月28日在比基尼環礁舉行。在這枚核彈中，所有的鈾都用鉛來代替，當量為三百五十萬噸。85%的能量都來自聚變，另外的15%的能量來自裂變。在公開的核試驗結果中，聚變能量提供能量的比例最高的幾次是紅翼鶇行動中代號為Navajo的核試驗，95%的能量都來自核融合，壓縮餅乾行動中代號為Poplar的核試驗，95.2%的能量來自核融合，以及沙皇炸彈，97%的能量來自核融合。
7月19日，原子能委員會主席Lewis Strauss說，乾淨的核彈「從人道主義的角度來說...非常重要」。然而，在兩天以後，低音管核彈的輻射版本在紅翼鶇行動中的Tewa核試驗中引爆。這枚核彈的當量是5百萬噸，87%的能量來自裂變。這枚核彈的威力被刻意的降低了，以使放射性塵埃降落在一個很小的區域內。這枚核彈後來列裝，稱為Mk-41核彈。這枚核彈有三個階段，當量兩千五百萬噸，由空軍的轟炸機攜帶，但是從來沒有滿當量測試過。
因此，大當量的乾淨核彈其實僅僅是出於對公共關係的考慮。實際部署的核彈仍然是放射性的，以使同樣大小的核彈擁有最大的威力。

鈷彈

這是一種幻想出來的末日炸彈，來自內爾·舒特的小說海灘上。這本小說1959年改編成電影海灘上。在小說中，鈷彈是一種使用鈷作為外殼的氫彈。被中子激活的鈷可以通過放射性塵埃最大化對環境的破壞。這些炸彈的想像在1964年的電影奇愛博士以後變得更為流行。在電影中，加入核彈的元素被稱為「鈷-釷 G」。
這種「加料」核彈曾經應美國空軍的要求被嚴肅的研究過，很可能曾經製造並測試，但是最終沒有列裝。在1964版的國防部原子能委員會的《核武器的影響》一書中，一個題目為「放射學戰爭」的章節澄清了這個問題 。裂變產物和中子激活的鈷一樣具有致命的效果，因此標準的高裂變熱核武器實際上已經是一种放射性的核武器，不需要添加鈷。
在爆炸開始時，一枚同樣大小裂變-聚變-裂變核武器中聚變產物中的γ射線要遠遠比鈷-60強；一小時後，要強15000倍；一周後，要強35倍；一個月後要強5倍；而六個月時才大致相等。隨後，裂變塵埃的放射性迅速下降，在一年後，鈷的放射性是放射性塵埃的8倍，5年後是150倍。裂變產物中長壽命的放射性同位素會使得塵埃的放射性在75年以後再次超過鈷-60。

裂變-聚變-裂變彈

1954年，為了解釋氫彈中產生的大量的裂變產物放射性塵埃，Ralph Lapp使用名詞裂變-聚變-裂變來描述它所謂的三階段熱核武器。他的描述是正確的，但是他所選用的名詞在公開文獻中造成了誤解。核武器中所謂的階段並不是裂變、聚變、裂變，而是初級核彈、次級核彈、甚至第三極核彈。每一級都使用了裂變、聚變、裂變。

可靠的替換核彈頭

1989年，位於科羅拉多州的生產核裝藥的洛基平地工廠由於環境原因而被關閉。自此以後，美國沒有生產過任何核彈頭。兩年以後，冷戰結束，核彈的生產線除了檢修就被閒置了。
美國國家核安全局提出了一個建造新的核裝藥工廠並開通生產線，以生產一種新的可靠的替換核彈頭。這種核彈頭採用了如下的兩個改進使其更為安全：重新使用不敏感高爆炸藥以防止偶然地爆炸；不使用有毒的材料，如鈹等等，以減少對人和環境的危害。由於這種核彈不能使用任何核試驗，它無法使用新的未經測試的設計。

爆炸測試

核武器在很大程度上是通過試錯法設計出來的。實驗經常需要試爆原型設計。
核武器爆炸的過程中，在很短的時間內就會有數量巨大的事件以不同的概率在核彈的封裝內發生，聚集成一股短期的混沌的能量流。為了近似的模擬這種情況，需要使用非常複雜的數學模型，而在二十世紀五十年代，計算機的能量還不夠強大，無法模擬這些數學模型，即使當今的計算機和仿真的軟體的能力也不夠。
適合庫存可靠的核武器很容易設計出來。只要試驗原型工作正常，它就可以武器化並大量地生產。但是理解實驗的原型為什麼能夠工作正常或者失敗就是一個困難的問題了。在核彈引爆到爆炸以前的短短時間內，設計人員會得到儘可能多的數據，並用這些數據來校正他們的模型。通常需要向模型的方程式內添加虛變量，以使仿真與實驗數據吻合。他們也需要分析放射性塵埃中的核武器殘渣，以看出發生了多少可能的核反應。

光導管

診斷用光導管是測試分析核武器的重要工具。測試設備中的探針可以通過加熱一個金屬盤至白熾化來傳輸信息，而事件可以在一個很長、很直的導管的遠端記錄下來。下面這張圖片展示了於1954年3月1日在比基尼環礁引爆的核彈Srhimp。這次核試驗的代號為Bravo，是城堡行動中的一環。核彈的當量為1500萬噸，是美國當時的最大的一枚核彈。圖片中一個人的剪影用以顯示核彈的大小。核彈在底部的兩端支撐。看起來像是支撐的光導管從爆炸室的天花板插入。右端的8根光導管（1）送出了初級核彈爆炸的信息，中間的兩根光導管（2）記錄了初級核彈產生的X射線到達次級核彈附近的輻射通道的時間。最後的兩根導管（3）顯示了輻射到達輻射通道遠端的時間，而（2）和（3）的時間差就是通道的輻射傳輸時間。通過爆炸室以後，光導管變成水平的，並沿著比基尼暗礁上修建的通路傳遞了2.3千米，到達一個在Namu島上修建的遙控數據數據掩體
 。
X-射線在低密度材料中一般一光速傳播，而圖中所示（2）（3）之間的傳輸通道中填充的泡沫塑料就是這種低密度材料。而在引爆初級核彈時的強大輻射會在傳輸通道中造成一種相對的不透明的輻射波陣面，會像水面上慢慢移動的木頭一樣延緩輻射能量的傳遞。在次級核彈被輻射導致的燒蝕所壓縮的時候，初級核彈的中子就會追上X-射線，射入次級核彈，通過前面介紹的生產氚的核反應為聚變提供氚。這種鋰-6和中子的反應會釋放出5兆電子伏特的能量，然而此時火花塞還沒有被壓縮，也因此沒有達到臨界質量，因此不會發生明顯地裂變和聚變。但是如果足夠的中子在次級核彈內爆完成前到達，會產生很關鍵的溫度區別。這被認為是Livermore的第一個熱核武器設計失敗的原因。這個設計的名字是Morgernster，在城堡行動中代號為Koon的核試驗中引爆，試驗時間是1954年4月7日。
這些時間上的問題都是通過對光導管的數據分析所得的。通過這些數據修正的數學仿真被稱作輻射流體力學代碼，或者是通道代碼。他們可以用來預測以後修改設計所產生的效果。
在已經公開的記錄中還不知道Shrimp核彈中使用的光導管有多麼成功。數據掩體處於一英里寬的彈坑之外，但是爆炸的當量達到了1500萬噸，是估計的2.5倍，爆炸的衝擊波吹飛了掩體20噸重的門，穿越了掩體的內部。最近的人處在32英里之外的掩體中，掩體沒有被破壞。

塵降分析

城堡行動中的Bravo核試驗中最有趣的數據是對放射性塵中的核武器殘骸的放射性化學分析。由於缺少濃縮的鋰-6，Shrimp的次級核彈中60%的鋰是普通的鋰-7，不會像鋰-6那樣容易地提供氚。但是鋰-7也確實可以像鋰-6那樣提供氚，射進去一個中子，射出兩個中子。這個事情為人所知，只是不知道事件的概率。根據對塵埃的分析，這個概率還是相當大的。
塵降分析告訴核武器設計人員通過這種核反應，Shrimp的次級核彈提供的氚要比可以提供比預計僅僅通過鋰-6生成氚多2.5倍。氚增多了，導致聚變的當量、中子量、以及裂變的當量都相應的增加了。
如上所述，Bravo的塵降分析第一次告訴世界，熱核炸彈的主要能量來源仍然是裂變而不是聚變，一艘日本漁船第五福龍丸號上在返航途中甲板上覆蓋了許多放射性塵埃，從而使得日本和其它敵方的科學家可以檢測到大多數放射性塵埃都來自U-238的裂變，裂變由聚變產生的14兆電子伏特的中子觸發。他們隨後公布了檢測的結果。

地下測試

城堡行動中Bravo核試驗使得全球對放射性塵埃產生了警惕性，最終導致核武器測試轉入地下。美國最後一次的地面核武器測試於1962年11月4日在強斯頓環礁上舉行。在以後的30年，直到1992年9月23日，美國平均每個月在進行2.4次地下核試驗，幾乎所有都在拉斯維加斯西北的內華達測試場舉行。
由於核武器爆炸導致的放射性的地下彈坑會使地表的土地塌陷，內華達測試場的絲蘭平地部分布滿了這種彈坑。
在1974年簽署核武器測試限制條約以後，地下爆炸的當量被限制在15萬噸以下。因此像W88這種50萬噸級的核彈頭無法在滿當量的情況下測試。由於初級核彈必須滿當量爆炸以產生次級核彈內爆的數據，只能通過減少次級核彈的當量來達到這一目的。通過將氘化鋰-6替換為氫化鋰-7，聚變需要的氚大量減少了，因此總當量在內爆動力沒有改變的情況下減小了。設備的工作情況可以通過光導管、其他的傳感器以及分析核武器殘骸來得出。裝備的核武器的總當量可以通過外插法得出。

生產工廠

二階段熱核武器在二十世紀五十年代已經成為標準設計，這種武器設計決定了美國核武器生產工廠的廣泛的布局。
由於初級核彈直徑可能非常巨大，鈽因其有更小的臨界質量，它成為製造核裝藥的裂變材料，而鈹作為中子反射鏡。1952年，科羅拉多州的洛基平地工廠建成，以生產核裝藥，也因此稱為鈽和鈹的製造工廠。
田納西州橡樹嶺的Y-12工廠曾經為曼哈頓工程生產提純鈾，它被重新設計以生產次級核彈。由於U-235的臨界質量較大，它被用來生產火花塞，而且火花塞在早期的核彈中被製成了圓柱形。早期實驗使用了兩種裂變材料，鈽鈾合金製成核裝藥和火花塞，而為了降低重量，最後使用鈽做初級核彈裝藥，鈾製作次級核彈的火花塞和推動層。Y-12工廠也生產氫化鋰-6聚變燃料和U-238零件，次級核彈的其它兩種成分。
1952年建成的南卡羅來那州塞芬拿河工廠通過核反應爐將U-238轉換為核裝藥需要使用的鈽-239，也將Y-12工廠生產的鋰-6轉化為聚變增強彈中使用的氚。由於核反應爐使用重水做減速劑，它也製作Y-12工廠製造氘化鋰-6所使用的氘。

核彈頭安全設計

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。