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Anstelle der Verwendung von Energie, die im Ergebnis einer Kettenreaktion in spaltbarem Material freigesetzt wurde, konnte bei anderen Atomwaffen jene Energie verwendet werden, die bei der Verschmelzung leichter Elemente erzeugt wird. Die Verschmelzung der Isotopenkerne leichter Atome (z. B. Wasserstoff) bildet das Gegenstück zur Spaltung. Diese Waffen bezeichnet man als Wasserstoffbomben oder H-Bomben. Von den drei Wasserstoffisotopen verbinden sich die zwei schwersten Isotope, Deuterium und Tritium, sehr leicht Wasserstoffbombe zu Helium. Die freigesetzte Energiemenge pro nuklearer Reaktion ist zwar geringer als bei der Kernspaltung, jedoch enthalten 0,5 Kilogramm des leichteren Materials deutlich mehr Atome. Dadurch ist die Energie, die aus 0,5 Kilogramm Brennstoff aus Wasserstoffisotopen freigesetzt wird (etwa 29 Kilotonnen TNT), fast dreimal so viel wie bei der gleichen Menge Uran. Dieser Schätzwert setzt jedoch eine vollständige Verschmelzung aller Wasserstoffatome voraus. Verschmelzungsreaktionen laufen nur bei Temperaturen von mehreren Millionen Grad ab, wobei sich mit steigender Temperatur der Wirkungsgrad erhöht. Deshalb werden diese Reaktionen als thermonukleare (durch Wärme hervorgerufene) Reaktionen bezeichnet. Streng genommen besagt der Begriff thermonuklear, dass die Atomkerne einen Energiebereich (oder eine Energieverteilung) haben, der im Verhältnis zur Temperatur steht. Das spielt eine wichtige Rolle, wenn schnelle Verschmelzungsreaktionen durch eine Erhöhung der Temperatur ermöglicht werden sollen.

Die Entwicklung war vor der Fertigstellung der A-Bomben gar nicht möglich, da man nur mit Hilfe einer A-Bombe diese gewaltigen Temperaturen erreichen konnte.