Najmniejszą możliwą bombę atomową stanowić będzie masa krytyczna
plutonu (lub uranu U-233) o maksymalnej gęstości w normalnych warunkach. Bez
reflektora, kula plutonu Pu-239 w odmianie alotropowej alfa waży 10.5 kg i ma
średnicę 10.1 cm.
Jednak kula taka nie spowoduje wybuchu, ponieważ nie dojdzie do niekontrolowanej
reakcji rozszczepienia. Potrzebna jest masa większa od krytycznej - wystarczy
już 1.1 masy krytycznej aby spowodować eksplozję o sile wybuchu 10-20 ton. Ładunek
taki wydaje się niewielki w porównaniu z kilo- czy megatonami osiąganymi przez
"normalne" głowice jądrowe, jednak jest wyraźnie większy od siły wybuchu
jaki można uzyskać w wybuchach materiałów konwencjonalnych. Ponadto nawet niewielka
eksplozja atomowa emituje poważną dawkę promieniowania przenikliwego. Dla przykładu,
wybuch nuklearny o sile zaledwie 20 ton wytwarza niebezpieczne promieniowanie
500 rem 400 metrów od miejsca eksplozji, natomiast 300 m to promień 100% śmiertelności
(ekspozycja na 1350 rem).
Kula o masie 1.2 masy krytycznej może wytworzyć 100 tonową eksplozję, a przy
1.35 masy krytycznej osiągnąć można siłę wybuchu 250 ton. W tym momencie, jeżeli
dostępna jest odpowiednio zaawansowana technika, można skonstruować urządzenie
o wzmożonej sile wybuchu (materiał fuzyjny w centrum rozszczepialnej kuli),
dzięki czemu bez konieczności zwiększania ilości materiału rozszczepialnego
wytworzyć można 1 kt eksplozję.
Nie należy zapominać, że ilość materiału wystarczająca do osiągnięcia masy krytycznej
zależy od jego gęstości oraz typu użytego reflektora. System implozji może znacznie
zwiększyć gęstość materiału rozszczepialnego, w ten sposób zmniejszając ilość
materiału potrzebnego do osiągnięcia masy krytycznej (zmniejsza się długość
tzn. średniej swobodnej ścieżki). Także zastosowanie efektywnego reflektora
w znaczny sposób zmniejsza liczbę straconych neutronów, równocześnie redukując
masę konieczną do wywołania niekontrolowanej reakcji rozszczepienia. Należy
przy tym pamiętać, że zastosowanie systemu implozyjnego (składającego się m.in.
z grubej sfery materiału wybuchowego otaczającej rozszczepialny rdzeń) lub reflektora
znacznie zwiększa masę i rozmiary głowicy.
Wyjątkiem jest możliwość zastosowania jako reflektora cienkiej warstwy berylu
(o grubości nie większej niż promień rdzenia). Rozwiązanie takie pozwala na
zredukowanie całkowitej masy bomby, chociaż nieuniknione staje się zwiększenie
średnicy urządzenia. Warstwa berylu o grubości kilku centymetrów pozwala na
zmniejszenie niezbędnej ilości plutonu o 40-60% grubości reflektora, a ponieważ
stosunek gęstości tych materiałów wynosi 10:1, stosując reflektor berylowy można
zmniejszyć masę bomby o kilka kilogramów. W pewnym momencie dalsze zwiększanie
grubości reflektora zaczyna zwiększać masę całkowitą (objętość, a co za tym
idzie masa, zwiększa się z sześcianem promienia) - jest to punkt minimalnej
masy całkowitej dla danego systemu rdzeń/reflektor.
Można więc przyjąć, że najlżejsze rozwiązanie o małej sile wybuchu będzie się
składało z dobrej klasy materiału rozszczepialnego (Pu-239 lub U-233), ograniczonego
systemu implozyjnego (wystarczającego jedynie do zainicjowania reakcji) oraz
cienkiej warstwy reflektora berylowego.
Spróbujmy teraz ocenić minimalną masę takiego urządzenia. Masa krytyczna plutonu
w odmianie alotropowej alfa wynosi 10.5 kg - potrzebne jest jednak dodatkowe
20-30% aby wytworzyć eksplozję o znaczącej sile wybuchu, co razem daje około
13 kg. Warstwa berylu może zredukować masę plutonu o kilka kilogramów, jednak
konieczny materiał wybuchowy, system inicjujący (zapalnik), obudowa itp. podniesie
minimalną masę do około 10-15 kg (bliżej 15 kg).