在世界武器發展史上，核武器的每一點改進都極為巧妙。不少人應該知道，初始的原子彈設計方案是槍式和內爆式， 槍式，把兩塊裂變材料組合在一起，達到臨界質量 注意槍式的設計中“子彈”是管狀，“靶子”是圓柱體，為什麼要這樣設計呢？如果只是把兩塊核材料面對面拼起來實現超臨界，那麼剛開始反應時釋放的能量會把兩塊材料向兩邊推開，結果只能得到一次輕微的爆炸。用管+柱的設計就可以避免這一點。
內爆式
內爆式，用炸藥產生向內的衝擊波，把裂變材料壓縮，密度升高，達到臨界質量 槍式的好處是結構簡單，不需要試驗。而內爆式結構複雜，必須產生球形向內的衝擊波來均勻壓縮核心，有一點不均勻就會失敗，所以必須先試爆一顆看行不行。內爆式每個炸藥透鏡上裝一個雷管，32個雷管要在微秒級時間內同時引爆。
現在看來這太容易了——問題是，那是1945年，別說集成電路，連晶體管都還沒發明出來呢。 美國當年積累的鈾和鈈只夠造出一顆槍式和兩顆內爆式，於是先在新墨西哥的沙漠裡試爆了一顆內爆式，證明可行。然後把槍式的“小男孩”投在了廣島，剩下一顆內爆式“胖子”投在了長崎。
槍式
槍式的缺點是效率太低，裝藥是64kg的高濃縮鈾，含有51kg的鈾235，但是隻有其中1.5%的鈾發生了裂變，剩下的全都浪費了。而內爆式的每顆只用6.2kg的鈈239，核心體積350ml，和一罐可樂差不多，實際有20%的鈈裂變了，效率高多了。所以之後的核武器全部都是內爆式設計。懸浮式裝藥 對“胖子”第一個改進就是在核裝藥和外面的高能炸藥之間留出空隙，這樣在向內爆炸時可以產生一種“錘子敲釘子”的效果，效率更高。
1948年美國的“砂岩”核試驗中用了改為懸浮式裝藥的胖子，得到了4.9萬噸TNT當量，是長崎原子彈(2.1萬噸)的兩倍還多。試驗成功後，美國把之前的胖子存貨全部改裝成懸浮式裝藥，定為胖子四號(MK4)。兩點式內爆和空心核裝藥 胖子的缺點是體積太大，雖然核裝藥的直徑只有9釐米，但外圍的炸藥層有50釐米厚，總直徑就有1米多，重量有3噸。再加上大量的鈾238作為填充層、還有堅固的外殼，胖子的直徑達到了1.5米，長度3.25米，總重4.5噸。似乎比美國胖子小一圈，不過基本結構應該還是一樣的。 如果把外層的32個炸藥透鏡減為兩個，同時把核裝藥改成空心，這樣內爆的效率可以更高，並且減少鈾238填充層的用量，外殼也可以做得更薄。
瑞典的核計劃(60年代中止)裡解密的一張圖顯示了兩點+空心設計的結構。瑞典的兩點+空心設計核彈 聚變增強裂變 有了空心的核裝藥，下一步可以考慮在核心放入少量的氘氚混合氣，在核心開始發生裂變連鎖反應時，氘氚聚變也被點燃，聚變產生的大量自由中子可以增強核裝藥的裂變，效率就進一步提高了。因此可以進一步減小核裝藥的用量，外圍高能炸藥、填充層、外殼也都相應減小了。它仍然是一顆原子彈，氘氚聚變產生的能量相對是微不足道的。
1951年美國的“溫室”核試驗驗證了聚變增強裂變的原理。1956年設計定型，取名為“天鵝”。天鵝的爆炸當量是1.5萬噸，和小男孩、胖子差不多，但是縮小到了長度58釐米，直徑29釐米，重量減少到了48公斤，只有胖子的百分之一多。天鵝是之後美國許多核武器的原型，也成了之後的二階段熱核武器的初級設計。二階段熱核武器 用高能炸藥爆炸產生的壓力可以“點燃”核裝藥，用核爆炸點燃更多的核裝藥就成了二階段熱核武器。
1952年美國“常春藤”核試驗中試爆了當量1040萬噸的氫彈“麥克”。然而麥克並不實用，因為它是一個65噸重的大暖壺，裝滿了液態氘，根本無法運輸。 泰勒和烏拉姆設計了實用化的二階段熱核武器。典型的結構如1956年美國的“紅翼鶇”核試驗中的Mohawk試驗：天鵝作為初級，次級名叫“笛子”，長59釐米，直徑38釐米，和天鵝的大小差不多；但它的重量是天鵝的10倍，產生的能量則是天鵝的大約24倍，總的爆炸當量是36萬噸。
更重要的是，兩者的造價差不多。這是因為笛子只需要很少量珍貴的鈈或濃縮鈾作為火花塞，其餘材料是相對便宜的鈾238和氘化鋰6，其中鋰6會和中子反應生成氚，與氘聚變；產生的大量高能中子可以讓鈾238也有效裂變，最終裂變和聚變釋放的能量大約各佔一半，可能裂變佔的比例還大一些。所以氫彈這個名字其實不太確切。 把二階段熱核武器作為一個整體，引爆一個更大的次級，就成了三階段熱核武器。
1956年美國的“紅翼鶇”核試驗中測試了一顆這樣的武器Zuni，把所有的鈾238用鉛代替，得到了350萬噸當量，其中85%能量來自聚變。另一顆Tewa則相反，87%能量來自裂變，並且減小了當量，最終威力是500萬噸。這兩顆如果按初始設計爆炸，當量是2500萬噸。後來蘇聯的大伊萬也是類似的三階段設計。
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