Arma termonuclear, arma de fusão ou bomba de hidrogénio (português europeu) ou hidrogênio (português brasileiro) (bomba-H) é uma arma nuclear de segunda geração, que utiliza fusão nuclear. Como as armas mais destrutivas já criadas, seu poder explosivo geralmente supera o das armas nucleares de primeira geração em vinte vezes, com requisitos de massa e volume muito menores. As características das reações de fusão podem possibilitar o uso de urânio empobrecido não-físsil como principal combustível da arma, permitindo assim um uso mais eficiente do escasso material físsil. Seu projeto de múltiplos estágios é diferente do uso da fusão em armas de fissão amplificada mais simples. O primeiro teste termonuclear em escala real (Ivy Mike) foi realizado pelos Estados Unidos em 1952 e o conceito desde então foi empregado por pelo menos os cinco estados com armas nucleares reconhecidos pelo TNP: Estados Unidos, Rússia, Reino Unido, China e França.
O projeto de todas as armas termonucleares acredita-se ser a configuração Teller–Ulam (batizado em homenagem aos seus principais colaboradores, Edward Teller e Stanisław Ulam), que se baseia na implosão por radiação, na qual raios X da detonação de um estágio primário de fissão comprimem um estágio secundário de fusão separado, contendo principalmente deutereto de lítio-6; durante a detonação, nêutrons convertem o lítio-6 em hélio-4 e trítio, permitindo a fusão de deutério e trítio, que libera energia e nêutrons, razão pela qual essas armas são frequentemente chamadas de bombas de hidrogênio. Além disso, a maioria das armas utiliza um revestimento e invólucro de urânio natural ou empobrecido, que sofre fissão rápida devido aos nêutrons da fusão e constitui a principal contribuição para o rendimento total e para os produtos radioativos de fissão. Armas termonucleares eram consideradas possíveis desde 1941 e receberam pesquisa básica durante o Projeto Manhattan, tendo sua configuração delineada em 1951, com testes e desenvolvimentos posteriores realizados por várias potências nucleares, enquanto, após o Tratado de Interdição Completa de Ensaios Nucleares de 1996, os países que as possuem passaram a manter seus arsenais por meio de simulações e experimentos.
Hans Albrecht Bethe (1906-2005) foi um dos responsáveis pela descrição de como a fusão nuclear podia produzir a energia que faz as estrelas brilharem. Esta teoria foi publicada no seu artigo A Produção de Energia das Estrelas, publicado em 1939, e que lhe valeu o prêmio Nobel em 1967.
Hans Bethe tomou os melhores dados das reações nucleares existentes e mostrou, em detalhe, como quatro prótons poderiam ser unidos e transformados em um núcleo de hélio, libertando a energia que Eddington havia sugerido. O processo que Bethe elaborou no seu artigo, atualmente conhecido como o Ciclo do carbono, envolve uma cadeia complexa de seis reações nucleares em que átomos de carbono e nitrogênio agem como catalisadores para a fusão nuclear. Naquela época, os astrônomos calculavam que a temperatura no núcleo solar fosse de cerca de 19 milhões de Kelvin, e Bethe demonstrou que, àquela temperatura, o ciclo do carbono seria o modo dominante de produção de energia.
Na mesma época, além de Hans Bethe, o físico alemão Carl Friedrich von Weizsäcker (1912–2007) e Charles Critchfield (1910–1994) identificaram várias das reações de fusão nuclear que mantêm o brilho das estrelas.
A descoberta da fissão nuclear ocorreu a 10 de dezembro de 1938 e foi descrita num artigo submetido ao Naturwissenschaften a 22 de dezembro de 1938, pelos alemães Otto Hahn (1879–1968) e Fritz Strassmann (1902–1980) e pela austríaca Lise Meitner (1878–1968).
O italiano Enrico Fermi (1901–1954) foi uma das pessoas mais importantes no desenvolvimento teórico e experimental da bomba atômica. Quando Benito Mussolini (1883–1945) aprovou o Manifesto della Razza a 14 de Julho de 1938, impondo leis racistas na Itália fascista, Enrico decidiu aceitar o emprego oferecido pela Columbia University, nos Estados Unidos. Ele e a sua família partiram de Roma para a cerimônia de entrega do Prémio Nobel a Fermi em Dezembro de 1938 e nunca retornaram à Itália. O Nobel foi-lhe dado por seu estudo sobre a radioatividade artificial, com as suas experiências de bombardeamento de urânio com neutrões, criando novos elementos mais pesados, e o seu aumento pela redução da velocidade dos neutrões. Fermi havia descoberto que quando ele colocava uma placa de parafina entre a fonte de neutrões e o urânio, aumentava a radioactividade, pois aumentava a chance do neutrão ser absorvido pelo núcleo de urânio.
Em 1934, o húngaro Leo Szilard (1898–1964) já havia patenteado a ideia da reação em cadeia e, a 2 de dezembro de 1942, Fermi conseguiu construir uma massa crítica de U235/U238 não separados (na natureza somente 0,7% são do U235 que é ativo), usando grafite para reduzir a velocidade dos neutrões e acelerar a produção de neutrões secundários. Na experiência, ele utilizou barras de cádmio como absorventes de neutrões para regular a experiência e produziu um crescimento exponencial do número de neutrões, isto é, uma reação em cadeia.
Em 1939, os físicos já sabiam que água pesada agia como um moderador nuclear, isto é, redutor de velocidade dos neutrões, como a parafina. A água normal (leve) consiste de dois átomos de hidrogênio (H) e um átomo de oxigênio (O). Na água pesada, dois isótopos de hidrogênio, deutério, unem-se com o oxigênio. Água pesada é ainda hoje utilizada como moderador em reatores nucleares de urânio natural.
Em 1939, Szilard convenceu Albert Einstein (1879–1955), um importante físico, com quem ele tinha trabalhado em 1919 em Berlim, a mandar uma carta para o presidente americano Franklin Delano Roosevelt (1933–1945) sobre o desenvolvimento pelos alemães de armas atômicas e pedindo ao presidente que iniciasse um programa americano, que mais tarde se chamaria Projecto Manhattan, chefiado pelo americano Julius Robert Oppenheimer (1904–1967), e levaria ao desenvolvimento do Los Alamos National Laboratory, ao teste Trinity, a 16 de Julho de 1945, com a explosão da primeira bomba atômica em Alamogordo, no Novo México, e à construção das bombas Little Boy (de 20 mil toneladas de T.N.T - 15 KiloTons) e Fat Man, que seriam utilizadas em Hiroshima e Nagasaki em 6 e 9 de Agosto de 1945.
O húngaro Edward Teller (1908–2003), sob protestos de Fermi e Szilard, chefiou o desenvolvimento da bomba de fusão de hidrogênio, que utiliza uma bomba de fissão como gatilho para iniciar a colisão do deutério com o trítio. A bomba de hidrogênio, Ivy Mike (com intensidade equivalente à detonação de 10,4 megatoneladas de T.N.T.) foi testada a 31 de Outubro de 1952, em Eniwetok.
A primeira bomba de hidrogênio explodiu durante uma experiência feita pelos Estados Unidos (Operação Ivy) em 1952. Detonou com uma força de dez megatons, igual à explosão de dez milhões de toneladas de T.N.T., um forte explosivo convencional. A potência desta terrível arma mostrou ser 750 vezes superior à das primeiras bombas atômicas e suficiente para arrasar qualquer grande cidade.
Albert Ghiorso (1915–2010), trabalhando na Universidade da Califórnia em Berkeley, em Dezembro de 1952, descobriu um novo elemento ao analisar resíduos da detonação da Ivy Mike. Como homenagem para Albert Einstein, este novo elemento, de massa atômica 99 na tabela periódica, recebeu o nome Einstênio.
Em 1961, a União Soviética experimentou a bomba mais poderosa até então concebida (apelidada de Tsar Bomba), à qual foi atribuída uma força de 57 megatons. Inicialmente, a Tsar era uma bomba de 100 megatons. Porém, temendo que a explosão resultasse em uma tempestade radioativa que atingiria a Europa ou o próprio território russo, sua potência foi reduzida pela metade.
Já o teste nuclear mais potente realizado pelos Estados Unidos foi o Castle Bravo, realizado no dia 1 de março de 1954. O projeto da bomba previa um rendimento de 6 Megatons, mas devido a um erro de cálculo, explodiu com uma força de 15 MT.
Até os dias de hoje, início do século XXI, ainda não é possível controlar a reação de fusão nuclear para aplicações pacíficas, como já é realizado como a fissão nuclear. Um dos fatores que pesam contra o seu uso é a falta de uma maneira para se controlar temperaturas altíssimas (cerca de 100 milhões de graus Celsius).