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핵폭탄이 완성되기도 전에 로스앨러모스에 있는 일부 물리학자들은 핵융합을 기반으로 하는 ‘슈퍼’ 무기에 대한 연구를 시작했다. 전쟁이 끝난 후, 과학자들과 정치가들 사이에서 새롭고 더 파괴적인 무기를 개발하는 것에 대해 아주 뜨거운 논쟁이 있었다. 냉전 시대의 긴장감 때문에 미국과 소련은 이 무기를 만들기 위한 프로그램에 착수했으며, 비공식적으로 이를 수소 폭탄이라 불렀다. 미국은 1952년, 소련은 1955년에 이 폭탄을 시험했다. 영국, 중국, 프랑스 역시 이 핵융합 폭탄을 시험한 것으로 알려져 있다.

핵융합 무기에 대한 정보는 여전히 기밀로 남아 있지만, 그중 일부는 밝혀졌다. 밝혀진 것은 수소 폭탄은 중수소와 삼중 수소 기체를 중심부에 놓고 우라늄이나 플루토늄 폭탄을 폭발시킬 때 발생하는 고압과 고온을 이용하여 핵융합을 일으킨다는 것이다. 핵융합 과정에서 방출된 중성자들은 플루토늄이나 우라늄의 분열을 촉진시켜 핵분열 폭탄의 효율을 극대화한다. 이때 방출된 에너지는 여전히 기밀로 남아 있는 과정을 통해 리튬과 중수소가 핵융합을 일으키도록 한다(중성자가 리튬에 충돌하여 리튬을 헬륨과 삼중 수소로 분열시키고, 이때 나온 삼중 수소가 중수소와 융합하여 헬륨을 만든다). 이때 방출된 에너지는 바깥층에 있는 우라늄을 분열시켜 더 많은 에너지를 방출한다. 소련은 TNT 5000만 톤과 맞먹는 폭발력을 가진 핵융합 폭탄을 폭파시켰다. 최근에는 무기의 크기를 줄이려는 노력이 진행되고 있으며, 무기의 크기가 줄어든다면 더 작은 로켓에도 설치할 수 있을 것이다.