1952年11月1日美國試驗的第一顆三相彈就是利用氘氚聚變反應製成的，其爆炸力相當於1000萬噸梯恩梯炸藥。這顆三相彈的威力雖比投在廣島的那顆原子彈大700倍，但它並不構成軍事威脅，無實戰價值，因為它的體積比載重汽車還大，重達65噸，根本無法用飛機或導彈運載。這顆三相彈如此龐大的主要原因是：為了在極短的時間（百萬分之幾秒）內有足夠多的輕核燃料參加聚變反應，必須增大物質的密度，即增大原子核相互碰撞的機會、縮小原子核之間的距離。為此要把氘氚變成攝氏零下200多度的液體，因而裝置了笨重的冷藏設備。
把輕核聚變釋放的巨大能量真正用於軍事領域。這既是軍事家們的需要，也為物理學家們提供了研究課題。經過人們的努力探求，終於用固態的氘化鋰取代液態的氘和氚作熱核裝料。氘化鋰是氘和鋰的化合物。鋰核受中子轟擊進行核反應生成氚和氦：生成的氚又與氘化鋰中的氘起聚變反應放出巨大能量該反應生成的中子又與鋰核反應生成氚。以上兩個反應互相結合，反應所消耗的氚從鋰核的分裂反應中獲得，而鋰的分裂反應所需的中子可由氘氚反應提供。如此反複循環，在極短時間內即引起爆炸。這種改進後的三相彈無需冷卻設備，因而體積小，重量輕、便於運輸、成本低。從此，氫彈有了實戰價值。
輕核聚變放出的能量比重核裂變多，但是輕核聚變的條件是相當苛刻的。因為原子核都帶正電，它們之間總有電性排斥力存在。為了使它們克服這種排斥力而結合起來，必須使它們以極高的速度運動、相互碰撞。提高原子核運動速度的最簡單方法就是把核聚變材料的溫度升到足夠高。據計算，若使聚變反應時氘核的平均速度為每秒300公裏，所需的溫度至少在1000萬度以上。因此氫核聚變也稱熱核反應。熱核反應所要求的這種超高溫在自然界中隻存在於太陽和恒星內部，在氫彈中必須人為地製造這種超高溫條件。為此，人們利用核裂變產生的熱量來提高溫度。
例如，第一顆三相彈就是首先使雷管引爆普通炸藥，將分開著的核裝藥（鈾或鈈）迅速壓攏而產生裂變反應，裂變反應產生了超高溫，使氘和氚的核外電子被剝離，成為一團內裸原子核和自由電子組成的氣體。氘核和氚核以每秒幾百公裏的速度互相碰撞，劇烈地進行合成氦核的反應，放出大量的能量，完成三相彈的爆炸過程。
三相彈用固體氘化鋰作為熱核材料的氫彈也是首先引爆原子彈，使重核裂變產生核聚變所需的超高溫，並生成大量的中子以轟擊鋰。由此可見，氫彈是在原子彈的基礎上，由裂變反應放出熱量導致聚變反應，進而釋放出更多的能量。所以，在物理學上又將氫彈稱為雙相彈。
為了進一步擴大氫彈的威力、人們考慮到氘氚聚變反應時不僅放出巨大的能量，而且產生速度達每秒5萬公裏的快速中子，不妨再利用這些快速中子轟擊鈾，使鈾核裂變。因此，人們在熱核材料外麵加了一層鈾238製成的外殼，讓聚變反應中產生的快速中子轟擊鈾238的原子核，使其又發生裂變並放出大量能量，從而製成了威力更大的氫鈾彈。這種由裂變引起聚變，又發生裂變的氫鈾彈稱為三相彈。一般來說，三相彈的爆炸威力是裂變和聚變各占一半。由於不存在使鈾238發生自持鏈式反應的臨界狀態問題，所以鈾238做成的殼可以很厚，裂變放出的能量可占總能量的80％。采用這種結構的核武器，不僅威力大，而且鈾238是分離鈾235後的剩餘產物，價格低廉。
從理論上講，熱核武器的威力是沒有限製的。因為熱核材料不受臨界質量的限製。從實際上講，熱核武器的威力可以做得相當大（幾十萬噸、幾百萬噸梯恩梯當量）、然而，威力越大的熱核武器造成的核汙染也越嚴重，尤其是氫鈾彈。為此，人們作了改進，利用聚變反應製成了中子彈。