La fusión nuclear es una reacción atómica en la que múltiples átomos se combinan para crear un solo átomo más masivo. El átomo resultante tiene una masa ligeramente menor que la suma de las masas de los átomos originales. La diferencia de masa se libera en forma de energía durante la reacción, de acuerdo con la fórmula de Einstein E = mc 2, donde E es la energía en julios s, m es la diferencia de masa en kilogramos sy c es la velocidad de la luz (aproximadamente 300,000,000 o 3 x 10 8 metros por segundo).
La reacción de fusión nuclear más común en el universo, y la de mayor interés para los científicos, es la fusión de núcleos de hidrógeno para formar núcleos de helio. Este es el proceso que ocurre en el interior de las estrellas, incluido el sol. La fusión de hidrógeno es responsable de la enorme producción de energía que producen las estrellas. La reacción consta de tres pasos. Primero, dos protones se combinan para formar un núcleo de deuterio, que consta de un protón y un neutrón. Durante esta parte del proceso se generan un positrón (también llamado anti-electrón) y un neutrino (una partícula con una masa insignificante pero un poder de penetración extremo). En segundo lugar, el núcleo de deuterio se combina con otro protón, formando un núcleo de helio 3, que consta de dos protones y un neutrón. Se produce un fotón energético durante esta parte del proceso, con una longitud de onda en la porción de rayos gamma del espectro electromagnético. Finalmente, dos núcleos de helio 3 se combinan para formar un núcleo de helio 4, que consta de dos protones y dos neutrones. En esta parte del proceso, se liberan dos protones (núcleos de hidrógeno ordinarios). Estos protones pueden eventualmente involucrarse en otra reacción de fusión.
La fusión nuclear requiere temperaturas extremadamente altas, del orden de decenas de millones de grados Celsius. Además, una fuerza de atracción intensa, como la gravitación de la magnitud que se produce en los centros de las estrellas, es necesaria para superar la repulsión electrostática entre los núcleos cargados positivamente. Los científicos pueden generar las altas temperaturas y fuerzas necesarias para producir una fusión de hidrógeno incontrolada, siendo el ejemplo más notable la bomba de hidrógeno. Sin embargo, ha resultado difícil mantener estas temperaturas y fuerzas indefinidamente para construir un reactor de fusión de hidrógeno que pueda generar energía útil. La investigación en esta dirección dio un importante paso adelante en junio de 2005, con el anuncio de la construcción de un reactor de fusión experimental en el sur de Francia.