Центральный металлический узел ядерного заряда, состоит из концентрически установленных (от центра к периферии) импульсного источника нейтронов, ядра из делящихся материалов и отражателя нейтронов из природного урана. После войны, центральный узел усовершенствовали — между внутренним слоем отражателя нейтронов и ядром из плутония оставили некоторый зазор. Ядро оказывается как бы висящим, левитирующим внутри заряда. При взрыве (имплозии) отражатель, в этом зазоре, успевает набрать дополнительную скорость до удара в ядро. Это позволяет существенно увеличить степень сжатия ядра и, соответственно, коэффициент использования делящихся материалов. Левитирующее ядро использовалось в зарядах послевоенных бомб Мк.4, Мк.5, Мк.6, Мк.7 и др.
Из сказанного выше вытекает один из способов обеспечения безопасности при хранении ядерных боеприпасов: нужно извлечь делящееся ядро из взрывающейся сферы, и хранить его отдельно. Тогда в случае аварии взорвётся обыкновенная взрывчатка, но ядерного взрыва не будет. Вводить ядро в боеприпас нужно непосредственно перед применением.
Отработка имплозивного заряда требовала большого объёма взрывных экспериментов с инертным веществом вместо плутониевого ядра. Конечной целью было добиться правильного сферического обжатия центрального ядра. После интенсивных работ, 7 февраля 1945 г. был испытан имплозивный заряд (без делящихся материалов) давший удовлетворительные результаты. Это открыло путь к созданию «Толстяка».
Принцип действия бомбы имплозивного типа и само слово имплозия оставались в США секретными даже после опубликования в 1946 г. известного официального отчета «Атомная энергия для военных целей». Впервые краткое описание имплозивной бомбы появилось только в 1951 г. в материалах судебного расследования по делу советского агента Дэвида Грингласса, работавшего механиком в Лос-Аламосе.
Вершиной второго, плутониевого, направления Манхэттенского проекта стала бомба Mk.III «Fat Man» («Толстяк»).
В центре заряда помещён источник нейтронов (инициатор), за характерный внешний вид получивший прозвище шарик для гольфа.
Активным материалом атомной бомбы является легированный плутоний-239, с плотностью 15,8 г/см³. Заряд изготовлен в виде полого шара, состоящего из двух половинок. Внешний диаметр шара 80–90 мм, масса — 6,1 кг. Это значение массы плутониевого ядра приведено в рассекреченном ныне докладе генерала Гровса от 18 июня 1945 г. о результатах первого ядерного испытания.
Плутониевое ядро установлено внутри полого шара из металлического природного урана с внешним диаметром 460 мм (18 дюймов). Урановая оболочка играет роль отражателя нейтронов и также состоит из двух полусфер. Снаружи урановый шар окружен тонким слоем боросодержащего материала, уменьшающего вероятность преждевременного начала цепной реакции. Масса уранового отражателя — 960 кг.
Вокруг центрального металлического узла размещается составной заряд взрывчатого вещества. Заряд ВВ состоит из двух слоёв. Внутренний формируется двумя полусферическими блоками, изготовленными из мощной взрывчатки. Внешний слой ВВ образован линзовыми блоками, схема которых описана выше. Детали блоков изготовлены из ВВ с точными (машиностроительными) допусками размеров. Всего во внешнем слое составного заряда 60 блоков ВВ с 32 взрывными линзами.
Детонация составного заряда инициируется одновременно (±0,2 мкс) в 32 точках 64 высоковольтными электродетонаторами (для большей надёжности детонаторы дублированы). Профиль взрывных линз обеспечивает превращение расходящейся волны детонации в сходящуюся к центру заряда. К моменту окончания детонации линзовых блоков на поверхности внутреннего сплошного слоя ВВ формируется сферически симметричная сходящаяся детонационная волна с давлением во фронте несколько тысяч атмосфер. При прохождении её через ВВ давление возрастает ещё почти вдвое. Затем ударная волна проходит через урановый отражатель, сжимает плутониевый заряд и переводит его в надкритическое состояние, а поток нейтронов, возникающий при разрушении нейтронного инициатора, вызывает цепную ядерную реакцию. Степень сжатия ядра в первой имплозивной бомбе была относительно небольшой — порядка 10 %.
Общая масса химического взрывчатого вещества составляла около 2300 кг, то есть примерно половину полной массы бомбы. Наружный диаметр составного заряда 1320 мм (52 дюйма).
Заряд взрывчатого вещества вместе с центральным металлическим узлом размещался в дюралевом корпусе сферической формы диаметром 1365 мм (54 дюйма), на наружной поверхности которого установлены 64 разъёма для крепления электродетонаторов. Корпус заряда собирался на болтах из двух полусферических оснований и пяти центральных сегментов. К фланцам корпуса крепились передний и задний конусы. На переднем конусе установлен блок автоматики подрыва (блок X), на заднем — радиодальномеры, барометрический и временной предохранители. Эта сборка (без заднего конуса со всем его содержимым) и была, собственно, ядерным зарядом, взорванным в Аламогордо 16 июля 1945 г.
Тротиловый эквивалент заряда составлял 22+2 кт.
Ядерный заряд установлен в баллистическом корпусе эллиптической формы, напоминавшем дыню, отсюда и прозвище — «Толстяк». Чтобы противостоять осколкам зенитных снарядов, он выполнен из
