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Elles utilisent la fission d'atomes lourds tels que l'uranium 235 ou le plutonium 239 qui se "cassent" en formant des "produits de fission" en dégageant une quantité importante d'énergie (de quelques kilotonnes à quelques centaines de kilotonnes, sachant qu'une explosion nucléaire de un kilotonne dégage autant d'énergie que l'explosion de 1000 tonnes de TNT).
Elles utilisent la fusion de deux atomes d'hydrogéne lourd (deutérium ou tritium ou deutérium et lithium). Cette fusion ne peut avoir lieu qu'à plusieurs millions de degrés et seule l'explosion d'une bombe à fission est capable, dans l'état des connaissances actuelles, de "chauffer" suffisament l'hydrogéne pour amorcer la réaction thermonucléaire. Les scientifiques envisagent l'amorçage par un laser. L'énergie dégagée est de l'ordre de quelques kilotonnes à quelques dizaines de mégatonnes.