La bombe H (aussi appelée bombe à hydrogène, bombe à fusion ou bombe thermonucléaire) est une bombe nucléaire dont l'énergie principale provient de la fusion de noyaux légers.
Plus puissante et plus complexe qu'une bombe à fission nucléaire, dite bombe A, une bombe H est divisée en deux étages :
le fonctionnement du premier étage est celui d'une bombe A à fission au plutonium ou à l'uranium enrichi ;
le deuxième étage est constitué des combustibles de fusion, deutérium et tritium ou deutérure de lithium ; c'est son fonctionnement qui constitue l'explosion thermonucléaire proprement dite.
Dès 1940, le physicien nucléaire hongro-américain Edward Teller entrevoit la possibilité d'utiliser l'énorme puissance thermique (permettant d'atteindre une température de 108 K, soit cent millions de kelvins, ou de degrés Celsius) produite par l'explosion d'une bombe A pour déclencher le processus de fusion nucléaire. En 1941, Teller rejoint le projet Manhattan, qui a pour objectif de développer la bombe à fission.
Après des travaux préliminaires à Chicago avec Enrico Fermi et à Berkeley avec Robert Oppenheimer, Teller se rend au laboratoire national de Los Alamos pour travailler sur la bombe atomique sous la direction d'Oppenheimer. Mais au vu de la difficulté à réaliser une bombe à fusion, la piste de la bombe H n'est pas suivie, à la grande déception de Teller.
En 1949, après que les Soviétiques ont fait exploser leur propre bombe à fission le 29 août, les analyses des services de renseignement américains démontrent que cette bombe utilisait du plutonium. Le monopole des États-Unis n'existe alors plus et la nouvelle cause un choc psychologique considérable. En effet, les Américains pensaient conserver le monopole de l'arme nucléaire durant une dizaine d'années. Ils s'engagent alors dans une nouvelle aventure, celle de la recherche d'une bombe encore plus puissante que la bombe à fission : la bombe à fusion.
Le président des États-Unis Harry S. Truman demande ainsi au laboratoire national de Los Alamos de développer une bombe fonctionnant grâce à la fusion des noyaux. Oppenheimer est contre cette décision, considérant qu'elle n'est qu'un autre instrument de génocide. Teller est alors nommé responsable du programme. Cependant, son modèle, bien que raisonnable, ne permet pas d'atteindre le but visé.
Le mathématicien polono-américain Stanislaw Marcin Ulam, en collaboration avec C. J. Everett, réalise des calculs détaillés qui montrent que le modèle de Teller est inefficace. Ulam suggère alors une méthode qui sera retenue. En plaçant une bombe à fission à une extrémité et le matériel thermonucléaire à l'autre extrémité d'une enceinte, il est possible de diriger les ondes de choc produites par la bombe à fission. Ces ondes compressent et « allument » le combustible thermonucléaire.
Au début, Teller infirme l'idée, puis il en comprend tout le mérite. Il suggère alors l'utilisation des radiations plutôt que des ondes de choc pour comprimer le matériel thermonucléaire. La première bombe H, Ivy Mike, explose sur l'atoll de Eniwetok (près de l'atoll de Bikini, dans l'océan Pacifique) le 1er novembre 1952, et ce à la satisfaction de Teller, malgré le désaccord d'une majeure partie de la communauté scientifique. Cette bombe était d'une puissance de 10,4 Mt.
L'« implosion par radiation » est maintenant la méthode standard pour créer les bombes à fusion. Les deux créateurs, Ulam et Teller, ont d'ailleurs breveté leur bombe H.
Bombe H de type « Teller-Ulam »
Un engin thermonucléaire typique comprend un étage primaire, où l'explosion est initiée (la primaire, de type bombe A à fission), et un secondaire, lieu de l'explosion thermonucléaire principale (la secondaire, bombe H proprement dite, généralement du deutérure de lithium dopé au plutonium).
L'explosion opère par fission-fusion-fission et implosion par rayonnement, selon l'architecture dite de Teller-Ulam. La fusion est déclenchée non par la chaleur, mais par l'énorme quantité de rayons X très intense dégagée par l’explosion de la primaire. Ce rayonnement est canalisés vers une cavité métallique entourant la secondaire, dont la surface extérieure chauffe alors à des millions de degrés en une fraction de microseconde, provoquant une compression violente du combustible de fusion vers l’intérieur (l'implosion par rayonnement). En outre, au centre de la secondaire se trouve un petit cylindre de plutonium entouré d’uranium 238 (allumage, spark plug), qui fissionne sous la pression et fournit la température finale nécessaire pour allumer la fusion, soit plus de 100 millions de degrés.
La secondaire est entourée d'une mousse en polystyrène qui, en maintenant le positionnement optimal des composants, permet une montée très haute en température. Il est possible d'utiliser un troisième étage, du même type que le deuxième, pour produire une bombe à hydrogène beaucoup plus puissante. Cet étage supplémentaire est beaucoup plus volumineux (en moyenne dix fois plus) et sa fusion est amorcée par l'énergie dégagée par la fusion du deuxième étage. On peut donc fabriquer des bombes H de très grande puissance en ajoutant plusieurs étages.
La puissance de l'étage primaire, donc sa capacité à provoquer l'explosion du secondaire, peut-être augmentée (dopée) par un mélange de tritium, qui subit une réaction de fusion nucléaire avec du deutérium. La fusion émet une grande quantité de neutrons, qui augmentent substantiellement la fission du plutonium ou de l'uranium hautement enrichi présent dans les étages. Cette approche est utilisée dans les armes modernes pour assurer une puissance suffisante malgré une diminution importante de la taille et du poids.
Les réactions impliquant la fusion peuvent être les suivantes (21D étant un noyau de deutérium 2H, 31T un noyau de tritium 3H, n un neutron et p un proton, 32He et 42He indiquant des noyaux d'hélium 3 et d'hélium 4 respectivement) :
21D + 31T ⟶ 42He + 10n + 17,6 MeV ;