right|miniatura|300px|As primeiras armas nucleares, embora grandes, pesadas e ineficientes, forneceram os blocos de desenho básicos de todas as armas futuras. Nesta imagem, a Engenhoca é preparada para o primeiro teste nuclear: Trinity.

Desenhos de armas nucleares são arranjos ou combinações de natureza física, química e de engenharia que permitem que o pacote físicoO pacote físico é o módulo nuclear explosivo dentro do invólucro da bomba, ogiva de míssil, projéctil de artilharia, etc., o qual transporta a bomba até ao seu alvo. Enquanto que fotografias de tais invólucros são comuns, fotografias de pacotes físicos são muito raros, mesmo para as mais antigas e primitivas armas nucleares. de uma arma nuclear exploda. Há três tipos básicos de desenho. Em todos, a energia explosiva de engenhos activados é derivada essencialmente de fissão nuclear, não de fusão.

Armas de fissão puras foram as primeiras armas nucleares construídas e foram as únicas, até ao momento, a serem usadas em tempo de guerra. O material activo é urânio (U-235) ou plutónio (Pu-239), montado explosivamente numa massa crítica de reacção em cadeia por um de dois métodos: Montagem balística, na qual uma massa de urânio físsil é disparada contra um alvo de urânio (também físsil) no extremo da arma, similar ao disparo de uma bala pelo cano de uma arma (plutónio pode ser, teoricamente, usado neste desenho; no entanto, provou-se ser impraticável). Montagem implosiva, na qual uma massa físsil de um dos materiais referidos (U-235, Pu-239, ou uma combinação de ambos) é rodeada por uma carga explosiva modelada que comprime a massa, resultando em criticidade. Arma de fissão intensificada constitui um melhoramento do desenho implosivo. O ambiente de altas pressões e temperaturas no centro da explosão de uma bomba de fissão comprime e aquece uma mistura de gases de trítio e deutério (isótopos pesados de hidrogénio). O hidrogénio funde-se, formando hélio e neutrões livres. A energia liberada pelas reacções de fusão é relativamente negligenciável, mas cada neutrão liberado inicia, por sua vez, uma nova reacção de fusão em cadeia, reduzindo substancialmente a quantidade de material físsil que, de outra forma, seria gasto. Este mecanismo de intensificação pode representar uma duplicação da energia liberada por fissão. Armas termonucleares bifásicas são, essencialmente, uma cadeia de armas de fissão intensificada, normalmente com apenas duas fases na referida cadeia. A segunda fase, denominada "secundário", é implodida por energia de raios X a partir da primeira fase, denominada "primário". Esta implosão por radiação é muito mais eficaz que a implosão do primário, de alta potência. Consequentemente, o secundário pode ser várias vezes mais potente do que primário sem, no entanto, ser maior. O secundário pode ser desenhada para maximizar a liberação de energia de fusão mas, na maioria dos desenhos, é apenas utilizada para conduzir ou melhorar a fissão, como no caso do primário. Mais fases podem ser adicionadas, embora o resultado seja uma arma de megatoneladas, potente demais para ser utilizada.Os EUA mantiveram nos seus arsenais, durante um curto período a partir de 1961, uma bomba trifásica de 25 megatoneladas denominada B41. Também em 1961 foi testada (mas não instalada em arsenal), pela URSS, a Tsar Bomba, uma arma trifásica de 50-100 megatoneladas.

Armas de fissão puras constituíram, historicamente, o primeiro tipo a ser construído por uma nação. Países com elevados níveis de industrialização e com arsenais nucleares desenvolvidos, possuem armas termonucleares bifásicas, as quais são as mais compactas, escaláveis e com melhor relação resultado/preço, assim que esteja disponível a infraestrutura industrial necessária para as construir.

Todas as inovações em desenho de armas nucleares foram originadas nos EUA, embora alguns desenhos tenham sido desenvolvidos, mais tarde, por outros Estados;Os Estados Unidos e a União Soviética foram as únicas nações a construírem grandes arsenais nucleares com todos os tipos possíveis de armas nucleares. Os EUA tiveram um avanço de quatro anos e foram os primeiros a produzir material físsil e armas de fissão, tudo em 1945. A única reivindicação soviética de precedência de um desenho aconteceu relativamente à detonação Joe 4, em 12 de Agosto de 1953, dita a primeira bomba de hidrogénio. No entanto, como revelado por Herbert York em The Advisors: Oppenheimer, Teller and the Superbomb (W.H. Freeman, 1976), esta não foi uma verdadeira bomba de hidrogénio (termonuclear bifásica), mas sim uma arma de fissão intensificada de tipo Sloika/Alarm Clock. Não está disponível na literatura qualquer calendário soviético para os elementos essenciais de miniaturização de ogivas. as descrições seguintes dizem respeito a desenhos norte-americanos.

Nos primeiros serviços noticiosos, as armas de fissão puras eram chamadas de "bombas atómicas" ou "bombas-A", um termo desadequado já que a energia vem unicamente do núcleo do átomo. Armas que envolviam fusão eram chamadas de "bombas de hidrogénio" ou "bombas-H", denominações igualmente desadequadas já que a sua energia destrutiva provinha principalmente da fissão nuclear. Conhecedores da tecnologia favoreceram os termos "nuclear" e "termonuclear", respectivamente.

O termo "termonuclear" refere-se às altas temperaturas necessárias ao início da fusão, ignorando o igualmente importante factor da pressão, considerado secreto na época em que o termo se tornou corrente. Muitos termos relacionados com tecnologia de armas nucleares são inexactos devido a terem tido origem em ambientes confidenciais. Alguns são termos em código absurdos, tais como "alarme de relógio".

Reacções nucleares A fissão nuclear divide átomos mais pesados, formando átomos mais leves. A fusão nuclear liga átomos mais leves, formando átomos mais pesados. Ambas a reacções geram, aproximadamente, um milhão de vezes mais energia do que as reacções químicas comparáveis, tornado as bombas nucleares um milhão de vezes mais poderosas que as bombas não-nucleares, facto reclamado por uma patente francesaPatente referida no texto principal em Maio de 1939.

Em alguns aspectos, fissão e fusão são reacções opostas e complementares, mas os seus detalhes são únicos em cada uma. Para entender como as armas nucleares são desenhadas, é útil conhecer as importantes similaridades e diferenças entre fissão e fusão. A explicação seguinte emprega valores arredondados.A principal fonte para esta secção provém de Samuel Glasstone e Philip Dolan, The Effects of Nuclear Weapons, Third Edition, 1977, U.S. Dept of Defense and U.S. Dept of Energy, com a mesma informação mais detalhada em Samuel Glasstone, Sourcebook on Atomic Energy, Third Edition, 1979, U.S. Atomic Energy Commission, Krieger Publishing.

Fissão Quando um neutron livre atinge o núcleo de um átomo fissionável como o urânio-235 (235U), este divide-se em dois átomos menores chamados fragmentos de fissão, bem como em mais neutrões. As fissões podem ser auto-sustentadas porque cada colisão produz mais neutrões com as velocidades requeridas para causar novas fissões.

O átomo de urânio pode dividir-se em várias dezenas de maneiras distintas, a única condição na reacção será a de a soma dos pesos atómicos totalizar 236 (massa atómica do urânio mais a do neutrão). A seguinte equação mostra uma possível divisão em estrôncio-95 (95Sr), xénon-139 (139Xe), dois neutrões (n), e energia (unidade: MeV):Glasstone e Dolan, Effects, p. 12.

A libertação imediata de energia por átomo é de 180 milhões de electrão-volt (MeV), ou seja, 74 TJ/kg, sendo 90% desse valor energia cinética dos fragmentos de fissão, os quais se afastam uns dos outros por repulsão causada pela carga positiva dos seus protões (38 para o estrôncio e 54 para o xénon). Assim, a sua energia cinética inicial é de cerca de 67 TJ/kg (correspondendo a uma velocidade inicial de 12.000 km/s), mas a sua elevada carga eléctrica provoca inúmeras colisões inelásticas com núcleos vizinhos. Os fragmentos mantêm-se capturados no fosso de urânio até que o seu movimento é convertido em raios X, um processo que demora cerca de um milionésimo de segundo (um microsegundo). Esta energia de raios X produz a explosão e o fogo que são o propósito da explosão nuclear.

Após o abrandamento dos produtos de fissão, estes continuam radioactivos. Sendo novos elementos com neutrões a mais, eventualmente tornar-se-ão estáveis por decaimento beta, convertendo neutrões em protões com emissão de electrões e raios gama. Cada núcleo dos produtos de fissão decai entre uma e seis vezes (três vezes, em média), produzindo uma variedade de isótopos de diferentes elementos, alguns estáveis, alguns altamente radioactivos, e outros radioactivos com tempos de vida média de até 200.000 anos.Glasstone, Sourcebook, p. 503. Em reactores, os produtos radioactivos são os resíduos nucleares do combustível consumido. Nas bombas, tornam-se cinza nuclear, depositando-se na superfície terrestre tanto localmente como globalmente.

Entretanto, dentro da bomba em explosão, os neutrões livres libertados pela fissão atingem os núcleos vizinhos de 235U, provocando a sua fissão numa reacção em cadeia de crescimento exponencial (1, 2, 4, 8, 16, 32,...). Iniciando-se com apenas uma, o número de fissões pode, teoricamente, duplicar-se uma centena de vezes em apenas um microsegundo, o que poderia consumir uma massa de urânio com centenas de toneladas quando fosse atingido o centésimo passo da reacção. Na prática, as bombas não contêm tanto urânio e, de qualquer das formas, apenas alguns quilogramas sofrem fissão antes de toda a massa explodir em pedaços.

Manter a coesão de uma bomba em explosão é o maior desafio no desenho de armas de fissão. O calor da fissão expande rapidamente o fosso de urânio, espalhando e afastando entre si os núcleos-alvo e, consequentemente, criando espaços inter-nucleares pelos quais os neutrões se podem escapar sem serem capturados. A reacção em cadeia pára.

Os materiais que conseguem suster uma reacção em cadeia denominam-se físseis. Os dois materiais físseis usados em armas nucleares são: U-235, também conhecido por urânio enriquecido ou por 25 (resultante da combinação do último dígito do seu número atómico (92) e do último dígito da sua massa atómica (235)); Pu-239, também conhecido por plutónio ou por 49 (combinação de 94 com 239).

O isótopo mais comum do urânio, U-238, é fissionável mas não físsil, o que significa que pode ser fissionado por neutrões (emitidos por um reactor de fusão, por exemplo) mas não é capaz de suster uma reacção em cadeia per se. É também conhecido por urânio empobrecido ou natural, tuballoy (Tu), e 28 (ver explicação no parágrafo anterior). Não consegue suster uma reacção em cadeia devido aos seus próprios neutrões de fissão não serem suficientemente energéticos para provocar mais fissão de U-238. No entanto, os neutrões libertados por fusão fissionarão o U-238. Esta reacção de fissão de U-238 provoca a maior parte da energia destrutiva numa arma termonuclear bifásica típica.

Fusão É pouco provável que a fusão seja auto-sustentada pois não produz o calor e pressão necessários a mais fusão. Produz, sim, neutrões que dispersam a energia."neutrons carry off most of the reaction energy," Glasstone e Dolan, Effects, p. 21. Em armas, a mais importante reacção de fusão é chamada de reacção D-T. Usando o calor e pressão da fissão, hidrogénio-2 (²D) funde-se com hidrogénio-3 (³T), formando hélio-4 (4He), um neutrão (n) e energia:Glasstone e Dolan, Effects, p. 21.

right|200 px