ประสิทธิภาพของการระเบิดสามารถเพิ่มขึ้นได้โดยการเว้นช่องว่างระหว่างตัวดันและหลุม ทำให้คลื่นกระแทกเร่งความเร็วขึ้นอย่างรวดเร็วก่อนที่จะกระทบกับหลุม วิธีนี้เรียกว่าการระเบิดแบบหลุมลอยหลุมลอยได้รับการทดสอบในปี 1948 ด้วยระเบิดแบบ Fat Man ( Mark IV ) อาวุธรุ่นแรกที่มีหลุมลอยมีหลุมที่ถอดได้ เรียกว่าหลุมเปิดมันถูกเก็บแยกต่างหากในแคปซูลพิเศษที่เรียกว่ากรงนก^{[ 9 ]}

ระหว่างการยุบตัวของหลุมกลวง ชั้นพลูโทเนียมจะเร่งตัวเข้าด้านใน ชนกันตรงกลางและก่อตัวเป็นทรงกลมที่มีความหนาแน่นสูงเกินวิกฤต เนื่องจากโมเมนตัมที่เพิ่มขึ้น พลูโทเนียมเองจึงมีบทบาทบางส่วนในการเป็นตัวถ่วง ทำให้ต้องใช้ยูเรเนียมในชั้นถ่วงน้อยลง ลดน้ำหนักและขนาดของหัวรบ หลุมกลวงมีประสิทธิภาพมากกว่าหลุมตัน แต่ต้องใช้การยุบตัวที่แม่นยำกว่า ดังนั้นหลุมตันแบบ "คริสตี้" จึงเป็นที่นิยมสำหรับการออกแบบอาวุธครั้งแรก หลังสงครามสิ้นสุดลงในเดือนสิงหาคม พ.ศ. 2488 ห้องปฏิบัติการได้มุ่งเน้นไปที่ปัญหาของหลุมกลวงอีกครั้ง และตลอดทั้งปีที่เหลือ ห้องปฏิบัติการอยู่ภายใต้การนำของฮันส์ เบเทอหัวหน้ากลุ่มของคริสตี้และผู้สืบทอดตำแหน่งในแผนกทฤษฎี โดยแกนคอมโพสิตกลวงเป็นที่น่าสนใจที่สุด^{[ 10 ]}เนื่องจากต้นทุนของพลูโทเนียมและปัญหาในการเพิ่มกำลังการผลิตของเครื่องปฏิกรณ์แฮนฟอร์ด

ประสิทธิภาพของหลุมกลวงสามารถเพิ่มขึ้นได้อีกโดยการฉีดส่วนผสมของดิวเทอเรียมและทริเทียม ในอัตราส่วน 50%/50% เข้าไปในโพรงทันทีก่อนการระเบิด ซึ่งเรียกว่า"การเพิ่มประสิทธิภาพด้วยฟิวชั่น"วิธีนี้ยังช่วยลดปริมาณพลูโทเนียมขั้นต่ำที่จำเป็นสำหรับการระเบิดที่ประสบความสำเร็จอีกด้วย การควบคุมการจุดระเบิดที่แม่นยำยิ่งขึ้น ทั้งโดยปริมาณการฉีดส่วนผสมของดิวเทอเรียม-ทริเทียม และโดยจังหวะเวลาและความเข้มของพัลส์นิวตรอนจากเครื่องกำเนิดภายนอก ทำให้การออกแบบอาวุธที่มีผลผลิตแปรผัน ทำได้ง่ายขึ้น

ในช่วงแรกของการพัฒนาอาวุธนิวเคลียร์ ปริมาณพลูโทเนียม-239 มีจำกัด เพื่อลดปริมาณที่จำเป็นสำหรับแกนระเบิด จึง มีการพัฒนา แกนผสมขึ้น โดยมีเปลือกพลูโทเนียมกลวงล้อมรอบด้วยเปลือกนอกที่ทำจากยูเรเนียมเสริมสมรรถนะ สูงซึ่งมีอยู่มากมายในขณะนั้น แกนผสมนี้พร้อมใช้งานสำหรับระเบิดนิวเคลียร์ Mark 3ภายในสิ้นปี 1947 ^{[ 11 ]}ตัวอย่างเช่น แกนผสมสำหรับระเบิด Mark 4 ของสหรัฐฯ แกน 49-LCC-C ทำจาก พลูโทเนียม 2.5 กิโลกรัมและ ยูเรเนียม 5 กิโลกรัม การระเบิดของมันปลดปล่อยพลังงานเพียง 35% ของพลูโทเนียมและ 25% ของยูเรเนียม ดังนั้นจึงไม่มีประสิทธิภาพสูงนัก แต่การประหยัดน้ำหนักของพลูโทเนียมนั้นมีนัยสำคัญ^{[ 12 ]}

ปัจจัยอีกประการหนึ่งที่ต้องพิจารณาวัสดุแกนปฏิกรณ์ที่แตกต่างกันคือพฤติกรรมที่แตกต่างกันของพลูโทเนียมและยูเรเนียม^{[ 13 ]}พลูโทเนียมแตกตัวได้เร็วกว่าและผลิตนิวตรอนได้มากกว่า แต่ในขณะนั้นการผลิตมีราคาแพงกว่าและหายากเนื่องจากข้อจำกัดของเครื่องปฏิกรณ์ที่มีอยู่ ยูเรเนียมแตกตัวได้ช้ากว่า ดังนั้นจึงสามารถประกอบเป็นมวลวิกฤตยิ่งยวดได้มากขึ้น ทำให้สามารถผลิตอาวุธได้ในปริมาณที่สูงขึ้น แกนปฏิกรณ์แบบผสมได้รับการพิจารณาตั้งแต่เดือนกรกฎาคม พ.ศ. 2488 และแกนปฏิกรณ์แบบผสมก็เริ่มมีจำหน่ายในปี พ.ศ. 2489 ลำดับความสำคัญของลอสอะลามอสในขณะนั้นคือการออกแบบแกนปฏิกรณ์ที่ทำจากยูเรเนียมทั้งหมด การออกแบบแกนปฏิกรณ์แบบใหม่ได้รับการทดสอบโดยปฏิบัติการแซนด์สโตน

แกนพลูโทเนียมเพียงอย่างเดียว ซึ่งมีอัตราการเกิดนิวตรอนพื้นหลังสูง มีโอกาสสูงที่จะเกิดการระเบิดก่อนกำหนด ส่งผลให้ผลผลิตลดลง^{[ 14 ]}การลดโอกาสนี้ต้องใช้มวลพลูโทเนียมที่น้อยลง ซึ่งจำกัดผลผลิตที่ทำได้ให้เหลือประมาณ 10 กิโลตัน หรือใช้พลูโทเนียม-239 ที่มีความบริสุทธิ์สูง โดยมีการปนเปื้อนของพลูโทเนียม-240 ในระดับต่ำจนไม่สามารถนำไปใช้ได้จริง ข้อดีของแกนผสมคือความเป็นไปได้ที่จะรักษาผลผลิตให้สูงขึ้น ในขณะที่รักษาความเสี่ยงของการระเบิดก่อนกำหนดให้ต่ำ และใช้ประโยชน์จากวัสดุฟิสไซล์ที่มีอยู่ทั้งสองชนิด ข้อจำกัดด้านผลผลิตกลายเป็นสิ่งที่ไม่เกี่ยวข้องในช่วงกลางทศวรรษ 1950 ด้วยการเกิดขึ้นของการเร่งปฏิกิริยาฟิวชั่น และต่อมาด้วยการใช้อาวุธฟิวชั่น^{[ 15 ]}

ผลผลิตของอาวุธยังสามารถควบคุมได้โดยการเลือกใช้แกนระเบิด ตัวอย่างเช่นระเบิดนิวเคลียร์ Mark 4สามารถติดตั้งแกนระเบิดได้ 3 แบบ ได้แก่ 49-LTC-C (ยูเรเนียม-235 แบบลอยตัว ทดสอบในการทดสอบ Zebra เมื่อวันที่ 14 พฤษภาคม 1948), 49-LCC-C (ยูเรเนียม-พลูโตเนียมคอมโพสิตแบบลอยตัว) และ 50-LCC-C (คอมโพสิตแบบลอยตัว) ^{[ 16 ]}วิธีนี้ไม่เหมาะสมสำหรับการเลือกผลผลิตของอาวุธที่ทันสมัยกว่าซึ่งมีแกนระเบิดแบบถอดไม่ได้ แต่ช่วยให้สามารถผลิตอาวุธย่อยหลายประเภทที่มีผลผลิตแตกต่างกันสำหรับการใช้งานทางยุทธวิธีที่แตกต่างกัน การออกแบบของสหรัฐฯ ในช่วงแรกนั้นใช้ชุดประกอบแกนระเบิด แบบมาตรฐาน Type CและType D ระเบิด Mark 4ใช้แกนระเบิดแบบ Type C และ Type D ซึ่งสามารถใส่ได้ด้วยตนเองในระหว่างการบิน ระเบิด Mark 5ใช้แกนระเบิดแบบ Type D โดยมีการใส่โดยอัตโนมัติในระหว่างการบิน หัวรบ W-5 ก็ใช้แบบเดียวกัน ระเบิด รุ่นต่อมาคือ ระเบิด มาร์ค 6เข้ากันได้กับหลุมระเบิดทุกหลุม ยกเว้นเพียงหลุมเดียว^{[ 17 ]}

แกนกลางสามารถประกอบด้วยพลูโทเนียม-239, พลูโทเนียม-239/ยูเรเนียม-235 แบบผสม หรือยูเรเนียม-235 เพียงอย่างเดียว พลูโทเนียมเป็นตัวเลือกที่พบได้บ่อยที่สุด แต่ระเบิดViolet Club ^{[ 18 ]}และ หัวรบ Orange Heraldใช้แกนกลางกลวงขนาดใหญ่ ซึ่งประกอบด้วยยูเรเนียมเสริมสมรรถนะ  สูง 87 และ 117 กก. (98 และ 125  กก. ตามแหล่งข้อมูลอื่น) แกนกลางฟิสชัน ของGreen Grassประกอบด้วยทรงกลมของยูเรเนียมเสริมสมรรถนะสูง มีเส้นผ่านศูนย์กลางภายใน 560 มม. ความหนาของผนัง 3.6 มม. และมวล 70–86 กก. แกนกลางได้รับการรองรับอย่างสมบูรณ์โดยตัวถ่วงยูเรเนียมธรรมชาติโดยรอบ แกนกลางขนาดใหญ่ดังกล่าว ซึ่งประกอบด้วยมวลวิกฤตมากกว่าหนึ่งของวัสดุฟิสไซล์ ก่อให้เกิดความเสี่ยงด้านความปลอดภัยอย่างมาก เนื่องจากแม้แต่การระเบิดแบบไม่สมมาตรของเปลือกยุบตัวก็อาจทำให้เกิดการระเบิดในระดับกิโลตันได้^{[ 18 ]}อาวุธนิวเคลียร์แบบฟิสชันบริสุทธิ์ที่มีผลผลิตสูงสุดคือระเบิดนิวเคลียร์ Mark 18 ขนาด 500 กิโลตัน ซึ่งใช้หลุมกลวงที่ประกอบด้วยยูเรเนียมเสริมสมรรถนะสูงกว่า 60 กิโลกรัม ประมาณสี่เท่าของมวลวิกฤต การรักษาความปลอดภัยทำได้โดยใช้ โซ่ อะลูมิเนียม- โบรอนที่สอดเข้าไปในหลุม    

แกนกลางผสมของพลูโทเนียมและยูเรเนียม-233ซึ่งดัดแปลงมาจากแกนกลางพลูโทเนียม-U235 ของระเบิดนิวเคลียร์ TX-7E Mark 7ถูกทดสอบในปี 1955 ระหว่างปฏิบัติการ Teapotใน การทดสอบ METผลลัพธ์ที่ได้คือ 22 กิโลตัน แทนที่จะเป็น 33 กิโลตันตามที่คาดไว้

หลุมปิดผนึกหมายถึงการสร้างกำแพงโลหะแข็งรอบหลุมภายในอาวุธนิวเคลียร์โดยไม่มีช่องเปิดใดๆ ซึ่งจะช่วยปกป้องวัสดุนิวเคลียร์จากการเสื่อมสภาพจากสิ่งแวดล้อมและช่วยลดโอกาสการรั่วไหลในกรณีที่เกิดเพลิงไหม้หรือการระเบิดเล็กน้อยโดยอุบัติเหตุ อาวุธนิวเคลียร์ชิ้นแรกของสหรัฐฯ ที่ใช้หลุมปิดผนึกคือ หัวรบ W25โลหะที่ใช้มักจะเป็นเหล็กกล้าไร้สนิมแต่ ก็มีการใช้ เบริลเลียมอะลูมิเนียมและอาจรวม ถึง วาเนเดียมด้วยเบริลเลียมนั้นเปราะ เป็นพิษ และมีราคาแพง แต่เป็นตัวเลือกที่น่าสนใจเนื่องจากมีบทบาทเป็นตัวสะท้อนนิวตรอนซึ่งช่วยลดมวลวิกฤตที่จำเป็นของหลุม อาจมีชั้นโลหะคั่นระหว่างพลูโทเนียมและเบริลเลียม คอยดักจับอนุภาคอัลฟาจากการสลายตัวของพลูโทเนียม (และอะเมริเซียมและสารปนเปื้อนอื่นๆ) ซึ่งหากไม่มีชั้นนี้ อนุภาคอัลฟาจะทำปฏิกิริยากับเบริลเลียมและผลิตนิวตรอน ตัวกั้น/ตัวสะท้อนเบริลเลียมเริ่มนำมาใช้ในช่วงกลางทศวรรษ 1950 ชิ้นส่วนเหล่านี้ถูกกลึงจากแผ่นเบริลเลียมผงที่อัดขึ้นรูปในโรงงานร็อคกี้แฟลตส์^{[ 19 ]}

หลุมพลูโทเนียมที่ทันสมัยกว่านั้นมีลักษณะกลวง ข้อกำหนดที่มักถูกอ้างถึงซึ่งใช้ได้กับหลุมพลูโทเนียมสมัยใหม่บางชนิด อธิบายถึงทรงกลมกลวงที่ทำจากโลหะโครงสร้างที่เหมาะสม มีขนาดและน้ำหนักโดยประมาณเท่าลูกโบว์ลิ่งมีช่องสำหรับฉีดทริเทียม (ในกรณีของอาวุธฟิสชันเสริมแรง ) โดยมีพื้นผิวด้านในบุด้วยพลูโทเนียม ปัจจัยหลักที่มีผลต่อคุณสมบัติของอาวุธ ได้แก่ ขนาดของหลุม (โดยปกติอยู่ระหว่างลูกโบว์ลิ่งกับลูกเทนนิส ) ความแม่นยำของทรงกลม น้ำหนัก และองค์ประกอบไอโซโทปของวัสดุฟิสไซล์ ซึ่งมักเป็นความลับ หลุมกลวงสามารถทำจากเปลือกครึ่งซีกที่มีรอยเชื่อมสามจุดรอบเส้นศูนย์สูตร และท่อ ที่ เชื่อมด้วยการบัดกรี (กับเปลือกเบริลเลียมหรืออะลูมิเนียม) หรือ การเชื่อม ด้วยลำแสงอิเล็กตรอนหรือการเชื่อม TIG (กับเปลือกสแตนเลส) สำหรับฉีดก๊าซเสริมแรง^{[ 20 ]}หลุมที่หุ้มด้วยเบริลเลียมมีความเสี่ยงต่อการแตกหักมากกว่า ไวต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิมากกว่า มีแนวโน้มที่จะต้องทำความสะอาดมากกว่า ไวต่อการกัดกร่อนจากคลอไรด์และความชื้น และอาจทำให้คนงานสัมผัสกับเบริลเลียมที่เป็นพิษได้

หลุมรุ่นใหม่มีพลูโทเนียมประมาณ 3 กิโลกรัม หลุมรุ่นเก่าใช้ประมาณ 4–5 กิโลกรัม^{[ 21 ]}

การลดขนาดลงไปอีกนั้นทำได้โดยการระเบิดแบบเชิงเส้น โดยใช้หลุมแข็งรูปทรงยาวที่อยู่ในสภาวะวิกฤตย่อย ซึ่งถูกปรับรูปทรงให้เป็นรูปทรงกลมที่อยู่ในสภาวะวิกฤตยิ่งยวดโดยคลื่นกระแทกสองลูกที่อยู่ตรงข้ามกัน และต่อมาใช้หลุมกลวงที่มีคลื่นกระแทกรูปทรงที่แม่นยำกว่า ทำให้สามารถสร้างหัวรบนิวเคลียร์ที่มีขนาดเล็กมากได้ อย่างไรก็ตาม การออกแบบเช่นนี้ถือว่ามีความเสี่ยงต่อการระเบิดที่มีอานุภาพสูงโดยไม่ตั้งใจ หากวัตถุระเบิดถูกจุดชนวนโดยไม่ได้ตั้งใจ ซึ่งแตกต่างจากชุดประกอบการระเบิดแบบทรงกลมที่การระเบิดแบบไม่สมมาตรจะทำลายอาวุธโดยไม่ทำให้เกิดการระเบิดนิวเคลียร์ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีข้อควรระวังในการออกแบบเป็นพิเศษ และชุดการทดสอบความปลอดภัยหลายชุด รวมถึงการทดสอบ ความปลอดภัย แบบจุดเดียว

ชิ้นส่วนแกนกลาง (Pites) สามารถใช้ร่วมกันได้ระหว่างการออกแบบอาวุธ ตัวอย่างเช่น หัวรบ W89กล่าวกันว่านำชิ้นส่วนแกนกลางจากหัวรบ W68 มาใช้ซ้ำ การออกแบบชิ้นส่วนแกนกลางหลายแบบได้รับการกำหนดมาตรฐานและใช้ร่วมกันในชุดโปรแกรมทางฟิสิกส์ที่แตกต่างกัน ชุดโปรแกรมทางฟิสิกส์เดียวกันมักถูกใช้ในหัวรบที่แตกต่างกัน ชิ้นส่วนแกนกลางยังสามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ ชิ้นส่วนแกนกลางที่ปิดผนึกซึ่งสกัดจากอาวุธที่แยกชิ้นส่วนแล้วมักถูกเก็บสะสมไว้เพื่อนำกลับมาใช้ใหม่โดยตรง เนื่องจากอัตราการเสื่อมสภาพต่ำของโลหะผสมพลูโทเนียม-แกลเลียม อายุการใช้งานของชิ้นส่วนแกนกลางจึงคาดว่าจะอยู่ที่หนึ่งศตวรรษหรือมากกว่านั้น ชิ้นส่วนแกนกลางที่เก่าที่สุดในคลังแสงของสหรัฐฯ ยังมีอายุไม่ถึง 50 ปี

หลุมปิดผนึกสามารถจำแนกได้เป็นแบบยึดติดหรือไม่ยึดติด หลุมที่ไม่ยึดติดสามารถแยกชิ้นส่วนได้ด้วยวิธีทางกล เครื่องกลึงก็เพียงพอสำหรับการแยกพลูโทเนียม การรีไซเคิลหลุมที่ยึดติดต้องใช้กระบวนการทางเคมี^{[ 20 ]}

กล่าวกันว่าหลุมของอาวุธสมัยใหม่มีรัศมีประมาณ5 เซนติเมตร (2.0 นิ้ว ) ^{[ 22 ]} 

ทั้งยูเรเนียมและพลูโทเนียมมีความไวต่อการกัดกร่อน มาก หัวรบ W47 UGM-27 Polaris ที่ มีปัญหาจำนวนมากต้องถูกเปลี่ยนใหม่หลังจากพบการกัดกร่อนของวัสดุฟิสไซล์ระหว่างการบำรุงรักษาตามปกติ หลุม W58ก็ประสบปัญหาการกัดกร่อนเช่นกัน^{[ 41 ]}หลุมW45มีแนวโน้มที่จะเกิดการกัดกร่อนซึ่งอาจเปลี่ยนแปลงรูปทรง เรขาคณิตได้ ^{[ 42 ]}หลุมGreen Grassก็มีแนวโน้มที่จะเกิดการกัดกร่อนเช่นกัน กัมมันตภาพรังสีของวัสดุที่ใช้ยังสามารถทำให้เกิดการกัดกร่อนจากรังสีในวัสดุโดยรอบได้ พลูโทเนียมมีความไวต่อความชื้นสูง อากาศชื้นจะเพิ่มอัตราการกัดกร่อนประมาณ 200 เท่า ไฮโดรเจนมีผลเร่งปฏิกิริยาการกัดกร่อนอย่างมาก การมีอยู่ของมันสามารถเร่งอัตราการกัดกร่อนได้ถึง 13 อันดับ ไฮโดรเจนสามารถสร้างขึ้นจากความชื้นและวัสดุอินทรีย์ใกล้เคียง (เช่น พลาสติก) โดยการสลายตัวด้วยรังสี ปัจจัยเหล่านี้ก่อให้เกิดปัญหาเกี่ยวกับพลูโทเนียมที่เก็บไว้ เนื่องจากปริมาตรที่เพิ่มขึ้นระหว่างการออกซิเดชันอาจทำให้ภาชนะเก็บแตกหรือเกิดการเสียรูปของหลุม^{[ 43 ]}

การปนเปื้อนของหลุมด้วยดิวเทอเรียมและทริเทียม ไม่ว่าจะโดยบังเอิญหรือโดยเจตนา ก็สามารถทำให้เกิดการกัดกร่อนของไฮไดรด์ ซึ่งแสดงออกมาในรูปของการกัดกร่อนแบบเป็นหลุมและการเติบโตของสารเคลือบผิวของพลูโทเนียมไฮไดรด์ที่ติดไฟได้ง่าย นอกจากนี้ยังเร่งอัตราการกัดกร่อนโดยออกซิเจนในบรรยากาศอย่างมาก^{[ 20 ]}ดิวเทอเรียมและทริเทียมยังทำให้เกิดการเปราะของไฮโดรเจนในวัสดุหลายชนิด

การจัดเก็บที่ไม่เหมาะสมอาจส่งเสริมการกัดกร่อนของหลุมได้ ภาชนะ AL-R8 ที่ใช้ใน โรงงาน Pantexสำหรับการจัดเก็บหลุมนั้นกล่าวกันว่าส่งเสริมการกัดกร่อนแทนที่จะยับยั้ง และมีแนวโน้มที่จะเกิดการกัดกร่อนเอง ความร้อนจากการสลายตัวที่ปล่อยออกมาจากหลุมก็เป็นปัญหาเช่นกัน หลุมบางส่วนที่จัดเก็บอาจมีอุณหภูมิสูงถึง 150  °C และสถานที่จัดเก็บสำหรับหลุมจำนวนมากอาจต้องใช้ระบบระบายความร้อนแบบแอคทีฟ การควบคุมความชื้นก็อาจเป็นปัญหาสำหรับการจัดเก็บหลุมได้ เช่นกัน ^{[ 44 ]}

การเคลือบเบริลเลียมอาจเกิดการกัดกร่อนได้จากตัวทำละลายบางชนิดที่ใช้ในการทำความสะอาดหลุม งานวิจัยแสดงให้เห็นว่าไตรคลอโรเอทิลีน (TCE) ทำให้เกิดการกัดกร่อนของเบริลเลียม ในขณะที่ไตรคลอโรอีเทน (TCA) ไม่ทำให้เกิดการกัดกร่อน^{[ 45 ]}การกัดกร่อนแบบเป็นหลุมของการเคลือบเบริลเลียมเป็นปัญหาสำคัญในระหว่างการเก็บรักษาหลุมเป็นเวลานานในโรงงานPantex

การมีอยู่ของพลูโทเนียม-240ในวัสดุแกนกลางทำให้เกิดความร้อนและนิวตรอนเพิ่มขึ้น ลดประสิทธิภาพการแตกตัว และเพิ่มความเสี่ยงต่อการระเบิดก่อนกำหนดและการล้มเหลวดังนั้น พลูโทเนียม เกรดอาวุธจึงมีปริมาณพลูโทเนียม-240 จำกัดไว้ที่น้อยกว่า 7% ส่วนพลูโทเนียมเกรดพิเศษมีไอโซโทป 240 น้อยกว่า 4% และใช้ในระบบที่ความเสี่ยงจากกัมมันตภาพรังสีเป็นเรื่องที่น่ากังวล เช่น ใน อาวุธ ของกองทัพเรือสหรัฐฯซึ่งต้องใช้งานในพื้นที่จำกัดบนเรือและเรือดำน้ำร่วมกับลูกเรือ

พลูโทเนียม-241ซึ่งโดยทั่วไปประกอบด้วยพลูโทเนียมเกรดอาวุธประมาณ 0.5% จะสลายตัวเป็นอะเมริเซียม-241ซึ่งเป็นตัวปล่อยรังสีแกมมา ที่มีพลังงานสูง หลังจากหลายปี อะเมริเซียมจะสะสมอยู่ในโลหะพลูโทเนียม ทำให้กิจกรรมของรังสีแกมมาเพิ่มขึ้น ซึ่งเป็นอันตรายต่อสุขภาพของคนงาน ดังนั้นจึงควรแยกอะเมริเซียมออกจากพลูโทเนียมที่ผลิตใหม่และแปรรูปใหม่ โดยปกติจะใช้วิธีการทางเคมี^{[ 21 ]}อย่างไรก็ตาม ในช่วงประมาณปี 1967 โรงงาน Rocky Flatsได้หยุดการแยกนี้ โดยนำหลุมที่มีอะเมริเซียมมากถึง 80% ไปผสมในโรงหล่อโดยตรงแทน เพื่อลดต้นทุนและเพิ่มผลผลิต ซึ่งนำไปสู่การที่คนงานได้รับรังสีแกมมามากขึ้น^{[ 29 ]}

พลูโทเนียมโลหะ โดยเฉพาะในรูปของโลหะผสมพลูโทเนียม-แกลเลียม จะเสื่อมสภาพลงหลักๆ ด้วยสองกลไก คือ การกัดกร่อน และการแผ่รังสีด้วยตัวเอง

ในอากาศแห้งมาก พลูโทเนียมแม้จะมีปฏิกิริยาทางเคมีสูง แต่ก็สร้างชั้นป้องกันการกัดกร่อนของพลูโทเนียม(IV) ออกไซด์ซึ่งช่วยชะลอการกัดกร่อนลงเหลือประมาณ 200 นาโนเมตรต่อปี อย่างไรก็ตาม ในอากาศชื้น ชั้นป้องกันการกัดกร่อนนี้จะถูกทำลาย และการกัดกร่อนจะเกิดขึ้นในอัตราที่เร็วกว่าถึง 200 เท่า (0.04  มม./ปี) ที่อุณหภูมิห้อง และเร็วกว่าถึง 100,000 เท่า (20  มม./ปี) ที่ 100  °C พลูโทเนียมจะดึงออกซิเจนจากน้ำ ดูดซับไฮโดรเจนที่ปลดปล่อยออกมา และก่อตัวเป็นพลูโทเนียมไฮไดรด์ชั้นไฮไดรด์สามารถเติบโตได้ถึง 20  ซม./ชั่วโมง สำหรับเปลือกที่บางกว่า การก่อตัวของมันอาจถือได้ว่าเกิดขึ้นเกือบจะในทันที ในสภาวะที่มีน้ำ พลูโทเนียมไดออกไซด์จะกลายเป็นสารประกอบที่มีสัดส่วนเกิน (hyperstoichiometric) จนถึง PuO ชิปพลูโทเนียมสามารถติดไฟได้เอง กลไกนี้เกี่ยวข้องกับการก่อตัวของชั้น Pu2O3 ซึ่งถูกออกซิไดซ์อย่างรวดเร็วกลายเป็น PuO2 เพียงพอที่จะทำให้อนุภาคขนาดเล็กที่มีมวลความร้อนต่ำมีอุณหภูมิถึงจุดติดไฟเอง (ประมาณ 500 °C) 

การแผ่รังสีด้วยตนเองเกิดขึ้นเมื่อพลูโทเนียมเกิดการสลายตัวแบบอัลฟาอะตอมของพลูโทเนียม-239 ที่สลายตัว จะปลดปล่อยอนุภาคอัลฟาและ นิวเคลียส ของยูเรเนียม-235อนุภาคอัลฟามีพลังงานมากกว่า 5 MeVและมีระยะการเคลื่อนที่ในโครงผลึกโลหะประมาณ 10 ไมโครเมตร จากนั้นมันจะหยุด รับอิเล็กตรอนสองตัวจากอะตอมใกล้เคียง และกลายเป็น อะตอม ของฮีเลียม ส่วน พลูโทเนียม-241 ที่ปนเปื้อนจะสลายตัวแบบเบตาเป็นอะเมริเซียม-241ซึ่งจากนั้นจะสลายตัวแบบอัลฟาเป็นเนปทูเนียม-237

อนุภาคอัลฟาจะสูญเสียพลังงานส่วนใหญ่ให้กับอิเล็กตรอน ซึ่งแสดงออกมาในรูปของการเกิดความร้อนในวัสดุ นิวเคลียสของยูเรเนียมที่มีมวลมากจะมีพลังงานประมาณ 85 keV และประมาณสามในสี่ของพลังงานนี้จะสลายตัวไปในรูปแบบของการเคลื่อนที่ของอะตอมเป็นลำดับ นิวเคลียสของยูเรเนียมเองมีระยะการเคลื่อนที่ประมาณ 12 นาโนเมตรในโครงสร้างผลึก การสลายตัวแต่ละครั้งจะส่งผลกระทบต่ออะตอมอื่นๆ ประมาณ 20,000 อะตอม โดย 90% ของอะตอมเหล่านั้นจะยังคงอยู่ในตำแหน่งเดิมในโครงสร้างผลึกและได้รับเพียงความร้อน ส่วนที่เหลือจะเคลื่อนที่ออกไป ส่งผลให้เกิดคู่เฟรนเคล ประมาณ 2500 คู่ และเกิดความร้อนสูงขึ้นเฉพาะที่ในระยะเวลาไม่กี่พิโควินาที ในช่วงเวลานั้น ข้อบกพร่องที่เกิดขึ้นใหม่จะรวมตัวกันใหม่หรือเคลื่อนย้ายไป ในวัสดุเกรดอาวุธทั่วไป อะตอมแต่ละตัวจะเคลื่อนที่โดยเฉลี่ยหนึ่งครั้งทุกๆ 10 ปี

ที่อุณหภูมิเยือกแข็ง ซึ่งแทบไม่มีการอบคืนสภาพเกิดขึ้นเลย เฟสอัลฟาของพลูโทเนียมจะขยายตัว (บวม) ระหว่างการฉายรังสีตัวเอง เฟสเดลต้าจะหดตัวอย่างเห็นได้ชัด และเฟสเบตาจะหดตัวเล็กน้อย ความต้านทานไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้น ซึ่งบ่งชี้ถึงการเพิ่มขึ้นของข้อบกพร่องในโครงสร้างผลึก ทั้งสามเฟสจะรวมตัวกันเป็นสถานะคล้ายอสัณฐานเมื่อเวลาผ่านไปนานพอ โดยมีความหนาแน่นเฉลี่ยอยู่ที่ 18.4 กรัม/ซม^³อย่างไรก็ตาม ที่อุณหภูมิปกติ ความเสียหายส่วนใหญ่จะถูกอบคืนสภาพไป ที่อุณหภูมิสูงกว่า 200K ช่องว่างจะเคลื่อนที่ได้ และที่ประมาณ 400K กลุ่มของอะตอมแทรกและช่องว่างจะรวมตัวกันใหม่ ทำให้ความเสียหายหายไป พลูโทเนียมที่เก็บไว้ที่อุณหภูมิที่ไม่ใช่เยือกแข็งจะไม่แสดงสัญญาณของการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างระดับมหภาคที่สำคัญหลังจากผ่านไปมากกว่า 40 ปี

หลังจากเก็บรักษาไว้ 50 ปี ตัวอย่างทั่วไปจะมีฮีเลียม 2000 ppm, อเมริเซียม 3700 ppm, ยูเรเนียม 1700 ppm และเนปทูเนียม 300 ppm วัสดุหนึ่งกิโลกรัมมีฮีเลียม 200 ^cm³ ซึ่งเท่ากับความดันสามบรรยากาศในปริมาตรว่างเดียวกัน ฮีเลียมเคลื่อนที่ผ่านโครงตาข่ายคล้ายกับช่องว่าง และสามารถถูกดักจับในช่องว่างเหล่านั้นได้ ช่องว่างที่ถูกครอบครองโดยฮีเลียมสามารถรวมตัวกัน ก่อให้เกิดฟองอากาศและทำให้เกิดการบวม อย่างไรก็ตาม การบวมจากช่องว่างมีแนวโน้มที่จะเกิดขึ้นมากกว่าการบวมจากฟองอากาศ^{[ 46 ]}