La bomba all'idrogeno (più propriamente bomba termonucleare o Bomba - H), è una bomba a fissione-fusione-fissione in cui una normale bomba a fissione che serve da innesco viene posta all'interno di un contenitore di materiale fissile insieme a degli atomi leggeri. Quando la bomba fissile esplode innesca la fusione nei nuclei degli atomi leggeri dopo di che questo processo provoca la fissione del materiale fissile che la circonda.
In questo tipo di bomba dunque l'energia liberata deriva oltre che dalla fissione anche dalla fusione fra nuclei di isotopi diversi dell'idrogeno: il deuterio (D) e il trizio (T). Nel caso della bomba H al deuterio e litio tale processo avviene secondo una reazione del tipo:
T + D − > 4He + n + 17,6MeV
il trizio non è di per sé presente nella composizione iniziale della bomba ma viene prodotto dall'urto veloce di neutroni contro nuclei dell'isotopo del litio avente peso atomico 6 e nuclei di deuterio secondo queste due reazioni:
6Li + n − > T + 4He + 4,8MeV
e
D + n - > T + 6,2MeV
la temperatura di innesco molto elevata della fusione nucleare e i neutroni accelerati necessari per generare l'isotopo T vengono forniti da una bomba atomica.
A differenza della bomba atomica non vi è quindi alcuna limitazione teorica di potenza. Tale potenza è una funzione a scalino di un certo numero di variabili; non trattandosi di una funzione continua non necessariamente possiede un massimo teorico (non vale il teorema di Weierstrass). Inoltre la bomba termonucleare non necessita di una massa critica a differenza della bomba atomica. In realtà, però, essendo necessaria una bomba atomica per attivare il processo di fusione nucleare, rimane la necessità a monte di una massa critica.
Nel 1961 in una serie di esperimenti termonucleari l'URSS fece esplodere la più grossa bomba H mai realizzata (la bomba Zar) che liberò energia pari a 57 megatoni, ovvero 4000 volte più potente della bomba lanciata su Hiroshima (Little Boy).
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