Il nocciolo, così chiamato proprio perché ricorda il nocciolo di frutti quali le pesche o le albicocche, è la parte centrale, ossia il nucleo, di un'arma nucleare a implosione, costituita dal materiale fissile. Talvolta nell'indicare il nocciolo si comprende anche il riflettore neutronico, in gergo chiamato "tamper", posto attorno al materiale fissile e che può essere, in alcuni casi, composto anch'esso da materiale fissile o fissionabile. Alcuni ordigni sperimentati durante gli anni 1950 utilizzavano noccioli realizzati in solo uranio-235 (235U) o in composito di 235U e plutonio legato, ma lo standard, sin dall'inizio degli anni 1960, è rappresentato da noccioli in solo plutonio legato (in cui la maggior parte dell'elemento è costituita dall'isotopo 239Pu), piccoli e compatti.
I diversi modelli di nocciolo Noccioli Christy
I noccioli utilizzati nelle prime armi nucleari erano sferici e pieni, con un iniziatore modulare di neutroni di tipo Urchin nel loro centro. Gli ordigni chiamati The Gadget e Fat Man, rispettivamente il primo e il terzo ordigno nucleare mai fatto esplodere e realizzati nel 1945, usavano noccioli da realizzati in una lega di plutonio e gallio (spesso indicata semplicemente come "plutonio" quando si parla di noccioli) e composti da due semisfere pressate a caldo (in stampi d'acciaio, a una temperatura di e una pressione di ), aventi un diametro di e una cavità interna da di diametro atta a ospitare l'iniziatore neutronico. Il nocciolo di The Gadget era stato elettroplaccato con uno strato d'argento dello spessore di 0,13 mm, il quale però iniziò presto a mostrare segni screpolatura e dovette quindi essere levigato e placcato in foglia oro prima del test di detonazione. Il nocciolo di Fat Man, nonché quello dei modelli seguenti, era stato invece placcato con nichel. Al tempo era già noto che un nocciolo cavo si sarebbe rivelato più efficiente, tuttavia una tale soluzione fu accantonata all'ultimo momento a causa della maggiore precisione necessaria al funzionamento del meccanismo a implosione nel caso dell'utilizzo di un nocciolo cavo.
Progetti successivi, risalenti all'inizio degli anni 1950, utilizzarono iniziatori neutronici modello TOM, che avevano un design simile agli Urchin ma dimensioni più ridotte, avendo un diametro di un solo centimetro. Nel tempo, gli iniziatori neutronici interni sono poi stati sostituiti da sorgenti neutroniche pulsate poste all'esterno del nocciolo.
I noccioli solidi e pieni erano conosciuti come noccioli "Christy" dal nome del fisico teorico Robert Christy, che aveva realizzato il progetto di nocciolo pieno inizialmente proposto da Edward Teller. Così come i noccioli, anche l'intero apparato che comprendeva questi ultimi era stato informalmente soprannominato "Christy['s] Gadget".
Noccioli sospesi
L'efficienza del meccanismo a implosione, vale a dire la quantità di materiale fissile che si riesce a fissionare prima che il nucleo si distrugga nell'esplosione, può essere aumentata lasciando uno spazio vuoto tra il tamper e il nocciolo. In questo modo, infatti, il tamper, accelerato dalla detonazione dell'esplosivo convenzionale posto attorno a esso, impatta con altissima velocità contro il nocciolo aumentandone la compressione rispetto ai modelli a nocciolo non sospeso, e di conseguenza l'efficienza dell'ordigno. In questo modo, inoltre, dato che il nocciolo compresso raggiungeva una maggior densità, la massa di materiale fissile necessaria a raggiungere condizioni supercritiche era inferiore rispetto a prima. Questo tipo di ordigno nucleare, chiamato "a implosione e nocciolo sospeso", poiché il nocciolo poggiava sulla cima di un cono cavo posto alla base del tamper, è stato testato per la prima volta nel 1948 all'interno di bombe nucleari Mark 4.
Noccioli cavi Durante l'implosione di un nocciolo cavo (benché anche i noccioli Christy fossero sfere cave, essi vengono definiti "pieni" poiché contenevano al loro interno un iniziatore neutronico; con l'espressione "nocciolo cavo", invece si intende non solo una sfera cava ma anche vuota), il guscio di materiale fissile (solitamente plutonio) accelera verso l'interno, collidendo al centro della cavità e formando una densissima sfera supercritica. A causa della velocità, e quindi della quantità di moto, acquisita, è dunque lo stesso materiale fissile del nocciolo a concorrere alla propria compressione e di conseguenza il tamper, spesso realizzato in uranio, può essere meno massiccio rispetto al caso in cui nocciolo sia pieno, con la conseguente possibilità di realizzare testate nucleari più piccole e meno pesanti. Benché i noccioli cavi siano più efficienti di quelli pieni, essi richiedono che l'implosione sia più accurata perché la fissione avvenga in modo soddisfacente, di conseguenza, in piena seconda guerra mondiale, quando ciò che contava era il successo sicuro e in tempi rapidi, i noccioli "Christy" risultarono i favoriti all'utilizzo. A partire dall'agosto 1945, ossia dopo la fine della guerra, però, gli scienziati dei laboratori di Los Alamos poterono tornare a concentrarsi sui noccioli cavi, i quali divennero di elevato interesse anche perché consentivano di risparmiare il costoso plutonio (con una maggior compressione, come già ricordato, è necessaria meno massa per raggiungere valori supercritici) e perché il Reattore B dell'impianto di Hanford, ossia li primo reattore nucleare del mondo per la produzione del 239Pu da usare nelle bombe, aveva cominciato a dare i primi problemi.
L'efficienza dei noccioli cavi poteva essere ulteriormente aumentata iniettando nella loro cavità, negli istanti immediatamente precedenti all'implosione, una miscela gassosa composta da deuterio e trizio in rapporto 1:1. In questo tipo di armi, chiamate "a fissione amplificata", la quantità di plutonio necessaria a raggiungere condizioni supercritiche poteva poi essere ulteriormente diminuita rispetto al design che non prevedeva l'uso della miscela gassosa e, inoltre, il controllo della quantità di miscela iniettata e dell'intensità del flusso di neutroni emesso dalla sorgente esterna consentivano di realizzare ordigni atomici dalla potenza variabile.
Noccioli compositi e noccioli di uranio Nella seconda metà degli anni 1940, la quantità di 239Pu disponibile era decisamente scarsa. Per diminuire il plutonio presente in un nocciolo nucleare si pensò quindi di realizzare un nocciolo in materiale composito, dove la sfera cava, ossia il guscio, di plutonio era circondato da un altro guscio di uranio altamente arricchito, ossia in cui la percentuale dell'isotopo U-235 è maggiore del 20%, al tempo decisamente più abbondante. Un altro fatto che fece considerare l'utilizzo di altri materiali nella realizzazione del nocciolo fu il diverso comportamento di plutonio e uranio. Il plutonio, infatti, si fissiona più velocemente dell'uranio e la sua reazione di fissione produce più neutroni, il che porta però ad avere un più alto rischio di predetonazione e quindi di una bassa potenza finale. Per limitare questo rischio in un nocciolo di solo plutonio, gli unici modi erano utilizzare piccole masse di plutonio, il che riduceva però la massima potenza raggiungibile a soli 10 chilotoni, o utilizzare 239Pu altamente puro, ossia quasi del tutto privo di 240Pu, a livelli di purezza del tutto irraggiungibili per l'epoca. Naturalmente, il problema della potenza limitata divenne irrilevante con la messa a punto, negli anni 1950, delle armi termonucleari o "a fissione", ma al tempo si optò per l'utilizzo dell'uranio arricchito, il quale si fissiona più lentamente, per formare un nocciolo composito di uranio e plutonio. Tali noccioli compositi furono prodotti a partire dalla fine del 1947 e sperimentati all'interno di bombe nucleari modello Mark 3, lo stesso di Fat Man, già nel corso dell'Operazione Sandstone, condotta nella primavera del 1948. Uno di questi noccioli fu ad esempio il 49-LCC-C, un nocciolo sospeso e composito realizzato con 2,38 kg di plutonio e 4,77 kg di uranio. Utilizzato in una bomba Mark 3 fatta esplodere nel corso del test X-ray il 15 aprile 1948, la sua detonazione rilasciò il 35% dell'energia ricavabile dal plutonio e il 25% di quella ricavabile dall'uranio, rivelandosi quindi di efficienza non elevata ma garantendo un significativo risparmio di plutonio a parità di potenza espressa.
Da quanto precedentemente detto si evince che la potenza di uno stesso modello di bomba nucleare può quindi variare a seconda del nocciolo utilizzato. Così, ad esempio, una bomba nucleare Mark 4, che faceva parte delle cosiddette armi "open pit", in cui nocciolo veniva conservato separatamente dal resto dell'ordigno, in una speciale capsula chiamata "birdcage" (in inglese: "gabbietta per uccelli"), poteva essere dotata di noccioli modello 49-LCC-C (il già citato nocciolo sospeso e composito sperimentato nel test X-ray e che rilasciò una potenza di 37 kt), modello 49-LTC-C (sospeso e realizzato in 235U, sperimentato nel test Zebra rilasciò una potenza di 18 kt) e modello 50-LCC-C (anch'esso sospeso e composito, sperimentato nel test Fox dell'Operazione Ranger rilasciò una potenza di 22 kt). Un simile approccio, non più applicabile nelle moderne armi nucleari, dotate di noccioli non removibili, permise la produzione di diversi sottotipi di armi con potenze diverse e quindi con differenti impieghi tattici.
Per quanto riguarda la struttura esterna del nocciolo, i primi design di armi statunitensi erano basati su strutture di noccioli standard chiamate "Type C" e "Type D". Così, le bombe Mark 4 utilizzavano noccioli Type C e Type D, che venivano inseriti manualmente in volo prima di sganciare la bomba. Le bombe Mark 5, invece, usavano i Type D con un inserimento automatico a partire dal muso della bomba, dove inizialmente veniva conservato il nocciolo, e lo stesso dicasi per le testate nucleari W5.
Come citato nel caso di nocciolo 49-LTC-C, oltre che di 239Pu o di un composito 239Pu / 235U, un nocciolo poteva essere costituito anche da solo 235U, il che comporta, a parità di potenza, un peso maggiore ma anche la possibilità di raggiungere potenze più elevate. Casi noti sono quello delle bombe nucleari britanniche Violet Club e Orange Herald, le quali utilizzarono grossi noccioli cavi, realizzati rispettivamente con 87 e 117 kg (98 e 125 kg secondo altre fonti) di uranio altamente arricchito (HEU), e della testata nucleare Green Grass, anch'essa britannica, il cui nocciolo sferico aveva un guscio del diametro interno di 560 mm, spesso 3,6 mm e pesante 70-86 kg; il tutto completamente circondato da un tamper di uranio naturale. Noccioli così grandi, la cui massa ha un valore pari a diverse volte quello della massa critica anche in condizioni di non compressione, presentano un significativo rischio per la sicurezza, poiché anche un'implosione asimmetrica, dovuta a una detonazione accidentale di alcune delle lenti esplosive poste attorno al tamper, potrebbe innescare un'esplosione nucleare della potenza di diversi chilotoni, per questo i loro sistemi di sicurezza devono essere incredibilmente efficienti. La più potente arma nucleare a fissione pura, la bomba Mark 18 sperimentata nel test King dell'Operazione Ivy, rilasciò una potenza di 500 kt usando un nocciolo cavo realizzato con 60 kg di uranio altamente arricchito, un valore pari a circa quattro masse critiche in situazione di non compressione. Nei casi sopraccitati i sistemi di sicurezza erano costituiti da palline d'acciaio, come nel caso di Green Grass e Orange Herald, o di una catena di alluminio e boro, nel caso del test Ivy King, poste a riempire la cavità del nocciolo in modo da impedirne quindi l'implosione in seguito a un'esplosione accidentale dell'esplosivo convenzionale.
Il 15 aprile 1955, nel test MET, svolto nell'ambito dell'Operazione Teapot, fu testato anche nocciolo composito di plutonio e 233U, il quale però non diede l'esito sperato, rilasciando una potenza di 22 chilotoni in luogo dei 33 attesi.
Noccioli sigillati