Fusão nuclear é uma reação atômica na qual múltiplos átomos se combinam para criar um único e mais maciço átomo. O átomo resultante tem uma massa ligeiramente menor do que a soma das massas dos átomos originais. A diferença de massa é liberada na forma de energia durante a reação, de acordo com a fórmula de Einstein E = mc 2 , onde E é a energia em joule s, m é a diferença de massa em quilos s, e c é a velocidade da luz (aproximadamente 300.000.000 ou 3 x 10 8 metros por segundo).
A reação de fusão nuclear mais comum no universo, e a de maior interesse para os cientistas, é a fusão de núcleos de hidrogênio para formar núcleos de hélio. Este é o processo que ocorre nos interiores das estrelas, incluindo o Sol. A fusão do hidrogênio é responsável pela enorme produção de energia que as estrelas produzem. A reação envolve três etapas. Primeiro, dois prótons se combinam para formar um núcleo de deutério, que consiste em um próton e um nêutron. Durante esta parte do processo são gerados um positron (também chamado anti-electrão) e um neutrino (uma partícula com uma massa insignificante mas com uma potência penetrante extrema). Em segundo lugar, o núcleo de deutério combina com outro próton, formando um núcleo de hélio 3, que consiste em dois prótons e um nêutron. Um fóton energético é produzido durante esta parte do processo, com um comprimento de onda na porção de raios gama do espectro eletromagnético. Finalmente, dois núcleos de hélio 3 combinam-se para formar um núcleo de hélio 4, que consiste em dois prótons e dois nêutrons. Nesta parte do processo, dois prótons (núcleos de hidrogênio comum) são liberados. Esses prótons podem eventualmente se envolver em outra reação de fusão.
Fusão nuclear requer temperaturas extremamente altas, na ordem de dezenas de milhões de graus Celsius . Além disso, uma intensa força atrativa, como a gravitação da magnitude que ocorre nos centros das estrelas, é necessária para superar a repulsão eletrostática entre os núcleos com carga positiva. Os cientistas podem gerar as altas temperaturas e forças necessárias para produzir a fusão descontrolada de hidrogênio, sendo o exemplo mais notável a bomba de hidrogênio. No entanto, manter essas temperaturas e forças indefinidamente, a fim de construir um reator de fusão de hidrogênio que possa gerar energia útil, tem se mostrado difícil. A pesquisa nessa direção deu um passo significativo em junho de 2005, com o anúncio de um reator de fusão experimental a ser construído no sul da França.