Une arme thermonucléaire, une arme à fusion ou une bombe à hydrogène (bombe H) est une conception d'arme nucléaire de deuxième génération. Sa plus grande sophistication lui confère une puissance destructrice bien supérieure à celle des bombes atomiques de première génération, une taille plus compacte, une masse inférieure ou une combinaison de ces avantages. Les caractéristiques des réactions de fusion nucléaire rendent possible l'utilisation d'uranium appauvri non fissile comme combustible principal de l'arme, permettant ainsi une utilisation plus efficace des matières fissiles rares telles que l'uranium-235 (235U) ou le plutonium-239 (239Pu). Le premier essai thermonucléaire à grande échelle a été effectué par les États-Unis en 1952; le concept a depuis été utilisé par la plupart des puissances nucléaires mondiales dans la conception de leurs armes. Les armes à fusion modernes se composent essentiellement de deux composants principaux : un étage primaire de fission nucléaire (alimenté par 235U ou 239Pu) et un étage secondaire de fusion nucléaire séparé contenant combustible thermonucléaire : les isotopes lourds de l'hydrogène, le deutérium et le tritium, ou dans les armes modernes le deutérure de lithium. Pour cette raison, les armes thermonucléaires sont souvent appelées familièrement bombes à hydrogène ou bombes H. Une explosion de fusion commence par la détonation de l'étage primaire de fission. Sa température dépasse environ 100 millions de kelvins, ce qui la fait briller intensément avec les rayons X thermiques. Ces rayons X inondent le vide (le "canal de rayonnement" souvent rempli de mousse de polystyrène) entre les assemblages primaire et secondaire placés dans une enceinte appelée boîtier de rayonnement, qui confine l'énergie des rayons X et résiste à sa pression vers l'extérieur. La distance séparant les deux assemblages garantit que les fragments de débris du primaire de fission (qui se déplacent beaucoup plus lentement que les photons X) ne peuvent pas désassembler le secondaire avant que l'explosion de fusion ne se termine.

L'étage de fusion secondaire - composé d'un poussoir / saboteur extérieur, d'un remplisseur de carburant de fusion et d'une bougie d'allumage centrale en plutonium - est implosé par l'énergie des rayons X frappant son poussoir / saboteur. Cela comprime tout l'étage secondaire et augmente la densité de la bougie d'allumage au plutonium. La densité du combustible au plutonium augmente à un point tel que la bougie d'allumage est entraînée dans un état supercritique et qu'elle commence une réaction en chaîne de fission nucléaire. Les produits de fission de cette réaction en chaîne chauffent le combustible thermonucléaire hautement comprimé, et donc super dense, entourant la bougie d'allumage à environ 300 millions de kelvin, déclenchant des réactions de fusion entre les noyaux de combustible de fusion. Dans les armes modernes alimentées au deutérure de lithium, la bougie d'allumage au plutonium fissionnant émet également des neutrons libres qui entrent en collision avec des noyaux de lithium et fournissent le composant tritium du combustible thermonucléaire.

Le sabotage relativement massif du secondaire (qui résiste à l'expansion vers l'extérieur au fur et à mesure de l'explosion) sert également de barrière thermique pour empêcher la charge de combustible de fusion de devenir trop chaude, ce qui gâcherait la compression. S'il est fait d'uranium, d'uranium enrichi ou de plutonium, le bourreur capture les neutrons de fusion rapide et subit lui-même la fission, augmentant le rendement explosif global. De plus, dans la plupart des conceptions, le boîtier de rayonnement est également constitué d'un matériau fissile qui subit une fission entraînée par des neutrons thermonucléaires rapides. Ces bombes sont classées comme des armes à deux étages, et la plupart des conceptions actuelles de Teller-Ulam sont de telles armes à fission-fusion-fission. La fission rapide du cas d'inviolabilité et de rayonnement est la principale contribution au rendement total et est le processus dominant qui produit des retombées de produits de fission radioactifs. Avant Ivy Mike, l'opération Greenhouse de 1951 a été la première série d'essais nucléaires américains à tester les principes qui ont conduit à la développement d'armes thermonucléaires. Une fission suffisante a été obtenue pour stimuler le dispositif de fusion associé, et suffisamment a été apprise pour réaliser un dispositif à grande échelle en un an. La conception de toutes les armes thermonucléaires modernes aux États-Unis est connue sous le nom de configuration Teller-Ulam pour ses deux principaux contributeurs, Edward Teller et Stanislaw Ulam, qui l'ont développée en 1951 pour les États-Unis, avec certains concepts développés avec la contribution du physicien. John von Neumann. Des dispositifs similaires ont été développés par l'Union soviétique, le Royaume-Uni, la France et la Chine. La Tsar Bomba thermonucléaire était la bombe la plus puissante jamais testée. Comme les armes thermonucléaires représentent la conception la plus efficace pour le rendement énergétique des armes avec des rendements supérieurs à 50 kilotonnes de TNT (210 TJ), pratiquement toutes les armes nucléaires de cette taille déployées par les cinq les États dotés d'armes nucléaires dans le cadre du Traité de non-prolifération sont aujourd'hui des armes thermonucléaires utilisant la conception Teller-Ulam.