핵융합
핵융합을 이용하는 핵무기는 핵분열만을 이용하는 핵무기에 비해 엄청나게 큰 핵출력을 얻을 수 있다. 이는 핵융합이 매 반응마다 핵분열에 비해 더욱 더 거대한 에너지를 발생시키기 때문이며, 핵융합 자체가 추가 중성자원으로서 사용될 수도 있기 때문이다. 에너지 방출이 높다는 것 이외에도 핵융합 연로로 사용되는 원소가 가볍다는 점 역시도 장점으로 작용해서, 매우 높은 핵출력을 지니면서도 여전히 운반이 용이한 핵무기 설계를 가능하게 해준다. 핵융합은 주로 수소의 동위원소인 두 가벼운 원소의 결합이며, 보다 안정된 무거운 원소를 형성하면서 잉여 에너지를 방출한다. 핵융합 반응은 높은 열에너지를 필요로 하며, 이러한 이유로 핵융합 폭탄은 열핵폭탄으로도 불린다. 핵융합 반응에 필요한 극히 높은 온도와 밀도는 핵분열 폭발을 통해 쉽게 만들 수 있다. 순수 핵융합 폭탄은 초기에 핵분열을 필요로 하지 않는 가설상의 설계이며, 이러한 종류는 이제까지 제작된 적이 없다.