Идея водородной бомбы основывалась на физическом явлении - ядерном синтезе, образовании ядер атомов более тяжелых элементов за счет слияния ядер легких элементов. Именно таким образом возникли почти все элементы земной коры.

При ядерном синтезе выделяется в сотни и тысячи раз больше энергии, чем при распаде тяжелых ядер.

При взрыве урановой или плутониевой бомб в эпицентре взрыва также, согласно расчетам, температура может подниматься до нескольких миллионов или нескольких десятков миллионов градусов. Многие физики понимали, что атомная бомба может служить детонатором для более сложной бомбы ядерного синтеза. Однако необходимость в такой бомбе казалась совершенно нереальной. Тем не менее в составе коллектива американских физиков, занятых практической разработкой атомной бомбы в "Манхэттенском проекте", оказался достаточно авторитетный физик Эдвард Теллер, который еще в 1942 году решил сконцентрировать свои усилия именно на создании водородной бомбы и начал предварительные расчеты, чтобы доказать реальность этого проекта.

Первые расчеты Теллера показали, что температура в несколько миллионов градусов от атомного взрыва не сможет вызвать слияния ядер обычного, "легкого" водорода. Но эта температура могла быть достаточно высокой, чтобы продуцировать слияние ядер "тяжелого" изотопа водорода, дейтерия, с образованием "легкого" изотопа гелия.

Помимо своей колоссальной мощности, водородная бомба по своим размерам могла быть не больше атомной.

В апреле 1946 года Теллер организовал в Лос-Аламосе секретный семинар по проблемам создания водородной или термоядерной бомбы. В работе семинара приняло участие около 40 ученых, среди которых был и Клаус Фукс. Фукс, начавший работу в британском атомном проекте с 1941 года, в 1944 году приехал в США. В этом году США и Великобритания решили объединить свои усилия по созданию атомных бомб. В Лос-Аламосе Фукс был включен в группу Оппенгеймера. В конце 1946 года британская делегация в атомном проекте вернулась в Англию и Фукс возобновил и свои прежние связи с советской разведкой. Благодаря этому о семинаре по водородной бомбе, состоявшемся в Лос-Аламосе, стало известно и советскому руководству.

В общей форме о новом направлении исследований в Лос-Аламосе Курчатов и другие ведущие участники уранового проекта в СССР знали уже с лета 1946 года. Потенциальная возможность создания термоядерного оружия была очевидна и советским физикам. Однако для ее практической разработки нужно было первоначально создать атомную бомбу, для которой к этому времени еще не было никакой промышленной базы. Было тем не менее очевидно, что водородная бомба потребует новых материалов и новых производств, из которых главным было получение значительных количеств дейтерия. Условия термоядерных реакций, которые происходили при астрономических, "звездных" температурах, нельзя было проверять экспериментально, и поэтому все разработки в этой области требовали колоссального количества расчетов. Было принято решение о мобилизации для теоретических расчетов почти всех математических институтов и отделов Академии наук СССР.

Капица был привлечен к работе по созданию атомной бомбы вскоре после назначения Игоря Курчатова общим руководителем всей проблемы в феврале 1943 года. Осуществляя мобилизацию ученых для реализации поставленной задачи, Курчатов делал это не путем собственных решений, а подготовкой проектов постановлений Совнаркома. Это было неизбежно для вовлечения в атомный проект и, соответственно, под контроль Курчатова тех физиков, которые по своему опыту, авторитету и академическому положению были в то время выше молодого и малоизвестного профессора Курчатова. Главное преимущество Курчатова перед его более знаменитыми коллегами состояло в том, что он был полностью осведомлен через анализ данных разведки почти о всех достижениях в этой области в Британии и США.

20 августа 1945 года, после взрыва американских атомных бомб над японскими городами Хиросима и Нагасаки, для ускорения всех работ в СССР по созданию атомной бомбы решением ГКО СССР, подписанным Сталиным, был создан Специальный Комитет по атомной энергии. Из всех советских академиков Сталин лучше всего знал именно Капицу, причем не по личным встречам, а по регулярным письмам, которые Капица отправлял Сталину с середины 30-х годов и которые затрагивали очень широкий круг вопросов. Капица был первым советским ученым, которому еще до окончания войны, 30 апреля 1945 года, было присвоено звание Героя Социалистического Труда.

В первые недели очень активной работы Специального Комитета и созданного при нем Технического Совета Капица энергично включился в решение и обсуждение всех проблем. Однако в тот период существовала директива Сталина и Берии полностью копировать американский проект плутониевой бомбы, почти все детали которого были получены советской разведкой от Клауса Фукса и Бруно Понтекорво, работавших в Лос-Аламосе. В то же время Капица, в отличие от Курчатова и его ближайших сотрудников, не был допущен к изучению, анализу и оценке огромного количества поступавших в НКВД разведывательных материалов. Это создавало неизбежный конфликт между Капицей и Курчатовым, а также и с другими членами Спецкомитета. Капица в своей работе исходил из предпосылки о том, что многие проблемы, например, в области разделения изотопов урана, нужно сначала решать как научные. Курчатов, Берия и другие, однако, знали, что эти проблемы уже решены и задача состоит лишь в проверке и уточнении полученных из США отчетов.

3 октября 1945 года Капица через секретную экспедицию Кремля отправил Сталину письмо с осторожной критикой Берии и с просьбой об "освобождении от всех назначений по СНК, кроме моей работы в Академии наук".

Оценив достаточно критически и работу Спецкомитета и Технического Совета по атомной бомбе, Капица высказал в этом письме ряд безусловно полезных и для Сталина характеристик и рекомендаций. Никто другой не смог бы ввести Сталина в курс дела с такой прямотой. Капица уже без намеков заявил о том, что он хочет уйти из всех атомных комитетов и советов. "...Быть слепым исполнителем я не могу, так как я уже вырос из этого положения".

Через две недели Капица был формально освобожден от работы по атомной бомбе, но оставлен на всех своих академических должностях.

Уход Капицы из атомного проекта был, по-видимому, облегчением и для Курчатова. Ему теперь было легче исполнять роль "сверхгения", быстро решающего многие сложные проблемы атомной физики без уравнений и расчетов и даже без экспериментов. Капицу оставили в покое. В начале 1946 года он продолжал регулярно писать письма Сталину.

Неожиданно, 17 августа 1946 года, Сталин подписал решение Совета Министров об освобождении П.Л. Капицы со всех государственных и научных постов. Директором института физических проблем, созданного Капицей, был назначен сотрудник Курчатова, член-корреспондент АН СССР Анатолий Петрович Александров. Капица впал в "опалу".

"Опала" Капицы продолжалась почти 9 лет и закончилась лишь после того, как все основные проблемы в разработке термоядерного оружия были решены. Капица смог вернуться к своим традиционным исследованиям, и его открытия были вскоре удостоены Нобелевской премии.

Проблемы атомной бомбы решались в основном физиками из научной школы академика Абрама Федоровича Иоффе, создавшего Ленинградский физико-технический институт. Это были физики-экспериментаторы, а не теоретики. Но даже для начальных разработок водородной бомбы были нужны главным образом физики-теоретики и математики. Это направление было представлено московскими школами: Игоря Тамма, возглавлявшего теоретический отдел Физического института Академии наук (ФИАН), Льва Ландау, руководившего теоретическим отделом Института физических проблем (ИФП), Якова Зельдовича, самого молодого из теоретиков, заведовавшего теоретическим отделом Института химической физики (ИХФ).

Центр всей работы по водородной бомбе переместился в секретный атомный центр в Горьковской области, известный как Арзамас-16. Научным руководителем его был тогда также малоизвестный Юлий Борисович Харитон. В 1947 году туда же был переведен Яков Зельдович. К 1948 году, несмотря на большой объем проведенных расчетов и теоретических исследований, никакого рабочего конструктивного решения водородной бомбы в СССР еще не было. Как сейчас известно, не было его и в США.

В СССР мобилизация ученых для той или иной государственно важной задачи была делом простым. Подпись Сталина была равносильна закону и для Академии наук. К середине 1948 года Зельдович, так же как и Теллер, не мог доказать, что термоядерная реакция в жидком дейтерии, помещенном в особую "трубу", будет самопроизвольной. Нужны были новые подходы. Это требовало и новых идей. Курчатов решил включить в разработку идеи водородной бомбы группу Тамма, в то время наиболее авторитетного в СССР физика-теоретика. Одним из молодых сотрудников Тамма был Андрей Дмитриевич Сахаров.

Новые быстродействующие компьютеры, которые были получены в Лос-Аламосе примерно к середине 1949 года, сразу ускорили работу американских энтузиастов водородной бомбы. Однако Теллера и его сотрудников ожидало глубокое разочарование. Их модель супербомбы, которую они стали называть "классической", оказалась ошибочной.

Группа Зельдовича, которая шла вслед за Теллером по этому же пути, также оказалась в тупике. Она тоже обнаружила, что лишь очень большое количество трития в смеси с дейтерием может обеспечить самоподдерживающуюся термоядерную реакцию. Но тритиевая бомба была слишком дорогой и непрактичной. Эти неудачи создали благоприятные условия для того, чтобы прекратить проект водородной бомбы и ограничиться достаточно мощным потенциалом атомных бомб. США все еще имели атомную монополию и к лету 1949 года накопили арсенал в 300 атомных бомб, что, по расчетам военных, было достаточно для разрушения около 100 советских городов и промышленных центров и вывода из строя от 30 до 40 процентов всей экономической инфраструктуры СССР.

Успешное испытание первой советской атомной бомбы, о котором в США стало известно только в середине сентября 1949 года, поставило американское правительство перед альтернативой. С одной стороны, можно было остановить гонку атомных вооружений и начать переговоры с СССР. С другой стороны, можно было, напротив, форсировать создание нового сверхоружия - водородной бомбы.

В США были созданы несколько комитетов и комиссий для того, чтобы выработать новую стратегию. В результате этой работы стало преобладать мнение о том, что появление у СССР атомного оружия и победа коммунистов в Китае создают угрозу интересам США. 31 января 1950 года президент Трумен сделал публичное заявление о том, что он дал директиву Комиссии по атомной энергии "разрабатывать все виды атомного оружия, включая так называемую водородную бомбу, или супербомбу".

В СССР после заявления Трумена 31 января 1950 года проекты по водородной бомбе также были переведены из стадии теоретического изучения возможностей в стадию практической реализации. Но все работы пошли не в направлении идей Теллера, так как проверявший их Зельдович прекратил работу по этой модели раньше, чем сам Теллер. Уже с конца 1949 года все усилия советских физиков, занятых в программе водородной бомбы, были сосредоточены на реализации модели водородной бомбы Сахарова - Гинзбурга. Американцы хотели создать водородную бомбу, в тысячу раз более мощную, чем обычная атомная. Модель водородной бомбы Сахарова - Гинзбурга имела некоторые ограничения. Расчеты показывали ее полную реальность. Эта бомба после испытания не пошла поэтому в дальнейшую разработку и в серийное производство. Но ее успешное испытание в августе 1953 года имело все же огромный моральный и политический эффект.

Сахаров и Гинзбург очень быстро, к концу 1948 года, разработали новую идею водородной бомбы, которая сразу была признана полностью обоснованной и осуществимой. В этой модели, которая подробно никогда не раскрывалась, продолжая оставаться засекреченной, проблема давления была решена расположением дейтерия не в цилиндре, а послойно в самом плутониевом заряде (отсюда происходило и кодовое название "слойка" при обсуждении модели между физиками). Атомный взрыв обеспечивал и температуру и давление для начала термоядерной реакции. Вместо слишком дорогого и искусственно получаемого трития Гинзбург предложил использование легкого изотопа лития, природного элемента.

Недостаток этой модели состоял в том, что масса материала для термоядерного взрыва должна была быть пропорциональной массе входившего в заряд плутония. Легкий и тяжелый элементы располагались послойно. Размеры заряда нельзя поэтому было увеличивать только за счет дейтерия. Преимущество состояло в том, что размеры такой бомбы были небольшими и можно было проводить испытание именно бомбы, а не промежуточных более крупных систем. Этот проект был одобрен Спецкомитетом по атомной энергии уже в 1949 году. Одновременно было принято и решение о создании для группы Тамма специального отдела на том "объекте" в Горьковской области, которым руководил Юлий Харитон. В то время, когда Тамм и Сахаров впервые прилетели на "объект" летом 1949 года, здесь шли последние приготовления к испытанию первой советской атомной плутониевой бомбы. После успешного испытания этой бомбы 29 августа 1949 года всем основным сотрудникам предоставили первый за несколько лет отпуск.

В Арзамасе-16 предстояло обширное новое строительство и превращение его в закрытый атомград.

Более скромная по мощности водородная бомба Сахарова готовилась к испытанию без особой спешки. Сталин, получив доклад об испытании американской водородной бомбы в середине ноября, воспринял это как подтверждение своей уверенности в том, что США серьезно готовятся к войне с СССР.

В начале 1953 года Сталину доложили, что в СССР работы по созданию водородной бомбы, в 20 раз более мощной, чем атомная, завершаются. Однако до испытания этой бомбы Сталин не дожил. Оно было произведено 12 августа 1953 года. По американской классификации это советское испытание обозначилось как "Джо-4", в честь "дяди Джо", как в США во время войны называли Сталина.