热核武器、聚变武器或氢弹（H弹）是第二代核武器设计。它的复杂性使其比第一代原子弹具有更大的破坏力、更紧凑的尺寸、更低的质量或这些优点的组合。核聚变反应的特性使得使用非裂变贫化铀作为武器的主要燃料成为可能，从而可以更有效地使用稀缺的裂变材料，例如铀 235（235U）或钚 239（239Pu）。 1952年美国进行了第一次全尺寸热核试验；此后，世界上大多数核大国在其武器设计中都采用了这一概念。现代聚变武器主要由两个主要部分组成：一个核裂变初级阶段（由 235U 或 239Pu 提供燃料）和一个单独的核聚变次级阶段，其中包含热核燃料：重氢同位素氘和氚，或现代武器中的氘化锂。出于这个原因，热核武器通常通俗地称为氢弹或氢弹。聚变爆炸始于裂变初级阶段的爆炸。它的温度飙升至超过约 1 亿开尔文，使其在热 X 射线下发出强烈的光芒。这些 X 射线淹没了放置在称为辐射箱的外壳内的主要组件和辅助组件之间的空隙（“辐射通道”通常填充有聚苯乙烯泡沫），该外壳限制 X 射线能量并抵抗其向外的压力。两个组件之间的距离确保了来自裂变初级的碎片碎片（其移动速度比 X 射线光子慢得多）在聚变爆炸完成之前无法分解次级。

二次聚变阶段——由外部推动器/捣固器、聚变燃料加注器和中央钚火花塞组成——被撞击其推动器/捣固器的 X 射线能量内爆。这会压缩整个二级并提高钚火花塞的密度。钚燃料的密度上升到足以使火花塞进入超临界状态，并开始核裂变链式反应。这种链式反应的裂变产物将火花塞周围的高度压缩、因此超致密的热核燃料加热到大约 3 亿开尔文，从而引发聚变燃料核之间的聚变反应。在以氘化锂为燃料的现代武器中，裂变钚火花塞也会发射自由中子，这些中子与锂原子核碰撞并提供热核燃料的氚成分。

次级的相对较大的捣固器（随着爆炸的进行抵抗向外膨胀）也用作热障，以防止聚变燃料填充物变得太热，这会破坏压缩。如果由铀、浓缩铀或钚制成，篡改器可以捕获快聚变中子并自行进行裂变，从而提高整体爆炸当量。此外，在大多数设计中，辐射箱也由一种易裂变材料构成，该材料在快速热核中子的驱动下发生裂变。这种炸弹被归类为两级武器，目前大多数泰勒-乌拉姆设计都是这种裂变-聚变-裂变武器。篡改和辐射情况的快速裂变是对总产量的主要贡献，并且是产生放射性裂变产物沉降的主要过程。在 Ivy Mike 之前，1951 年的温室行动是美国第一个测试原理的核试验系列，导致了发展热核武器。实现了足够的裂变来促进相关的聚变装置，并且学到了足够的知识在一年内实现全尺寸装置。美国所有现代热核武器的设计都被称为泰勒-乌拉姆构型，其两位主要贡献者爱德华·泰勒和斯坦尼斯瓦夫·乌兰姆于 1951 年为美国开发了该构型，其中某些概念是在物理学家的贡献下发展起来的约翰·冯·诺依曼。苏联、英国、法国和中国也开发了类似的设备。热核沙皇炸弹是有史以来测试过的最强大的炸弹。由于热核武器代表了当量超过 50 千吨 TNT（210 TJ）的武器中最有效的武器能量输出设计，几乎所有这种尺寸的核武器都由五个部署今天，《不扩散核武器条约》下的核武器国家是使用泰勒-乌拉姆设计的热核武器。