公式には一切公表されていないが、以下のようであろうと推測されている。
一端が丸い円筒形や回転楕円体をした弾殻内の丸い側や焦点に核分裂爆弾、つまり原子爆弾が置かれる。円筒部分か、もう一方の焦点には、外層に圧縮材としてのウラン238、中間層に主役の核融合物質としての重水素化リチウム、中心に更なる熱源としてのプルトニウム239よりなる3層の物質が置かれる。弾殻は放射線の反射材として機能させるために、ベリリウム、ウラン、タングステンなどが使用され、特にこの部分にウラン238やウラン235をぶ厚く使用したものが3F爆弾と呼ばれるさらに発生エネルギーを高めた核爆弾である。核融合部分と弾殻の間はスチレン重合体等が詰められる。
原子爆弾が起爆されると、その核反応により放出された強力なX線とガンマ線、中性子線が直接や弾殻の球面に反射してもう一方の核融合部分に照射される。照射されたX線は核融合物質周辺のスチレン重合体などを瞬時にプラズマ化させ、高温高圧となって円筒部の中心に位置する3層の核融合部分を圧縮する。ウラン238が推進効果で核融合物質としての重水素化リチウムを中心へ圧縮すると同時に中心軸のプルトニウム239がガンマ線と中性子線の照射を受ける。プルトニウム239が核分裂反応を起こすことで中心部からも重水素化リチウムを圧縮する。
超高温超高密度に圧縮された重水素化リチウムはやがてローソン条件を満たし、核融合反応を起こす。
核融合によって放たれた高速中性子がウラン合金製のタンパーに到達し、核分裂を開始させる。このプロセスを最後にケーシングは完全に消滅し、核爆発となる。通常水爆の核出力の大部分はこの核分裂のエネルギーによって得られる。
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核融合爆弾の主なエネルギー源となるのは重水素と三重水素である。重水素は自然界の水の中に5000分の1の割合で含まれており抽出が比較的容易であり、三重水素の原料となるリチウムも入手が容易である。水爆では、まず起爆薬としての原爆により高温高圧の環境を作り、中性子によるウランの反応も関与して、重水素とトリチウムの混合物の核融合を導くという2段階の方法をとる。この水素爆弾で使われる核融合物質は熱核材料と呼ばれる。
重水素と共に用いられるリチウムが、原爆から発生する中性子により三重水素に核種変化するので、重水素化リチウムを使用した水爆では三重水素は不要になる。リチウムの原子核に中性子を当てるとヘリウム4と三重水素の原子核が形成される。
原爆から発したX線は光速度で熱核材料に達して加熱圧縮するので、中性子の到達までに核融合が始まってしまってリチウムが三重水素に変化する時間がないのではないかという考えがある。加熱圧縮の材料に密度の極めて低いスチレン重合体を使う点に答えがあるかもしれない。あるいは、原爆からの中性子ではなく融合燃料の慣性圧縮から生じるD-D反応より生成した中性子を元にD-T反応が誘発するので、融合燃料の点火自体には三重水素は不要ではないかという意見もあり真相ははっきりしていない。