De stabiele isotoop van waterstof die in de thermonucleaire bom wordt gebruikt, is deuterium. Deuterium is een isotoop van waterstof met één proton en één neutron in de kern, terwijl de meest voorkomende isotoop van waterstof, protium, slechts één proton heeft. Deuterium wordt gebruikt in thermonucleaire bommen omdat het kan samensmelten met andere isotopen van waterstof, zoals tritium, waardoor grote hoeveelheden energie vrijkomen. Deze fusiereactie is hetzelfde proces dat de zon en de sterren aandrijft.

Deuterium is ook een belangrijk onderdeel van de trekker van de waterstofbom, een kleine kernsplijtingsbom die wordt gebruikt om de thermonucleaire reactie op gang te brengen. De trekker is gemaakt van uranium of plutonium en als hij tot ontploffing wordt gebracht, komen er neutronen vrij die vervolgens worden geabsorbeerd door de deuterium- en tritiumatomen in de thermonucleaire brandstof. Deze reactie zorgt ervoor dat de deuterium- en tritiumatomen samensmelten, waardoor grote hoeveelheden energie vrijkomen en de thermonucleaire explosie ontstaat.

Deuterium is een relatief veel voorkomende isotoop van waterstof en kan uit water worden gewonnen. Het proces om deuterium uit water te winnen is echter duur en tijdrovend, en daarom is deuterium een ​​waardevol en strategisch materiaal.