La fusione nucleare è una reazione atomica in cui più atomi si combinano per creare un singolo atomo più massiccio. L'atomo risultante ha una massa leggermente inferiore alla somma delle masse degli atomi originali. La differenza di massa viene rilasciata sotto forma di energia durante la reazione, secondo la formula di Einstein E = mc 2, dove E è l'energia in joule s, m è la differenza di massa in chilogrammi se c è la velocità della luce (circa 300,000,000 o 3 x 10 8 metri al secondo).
La reazione di fusione nucleare più comune nell'universo, e quella di maggiore interesse per gli scienziati, è la fusione di nuclei di idrogeno per formare nuclei di elio. Questo è il processo che si verifica all'interno delle stelle, compreso il sole. La fusione dell'idrogeno è responsabile dell'enorme produzione di energia prodotta dalle stelle. La reazione prevede tre passaggi. In primo luogo, due protoni si combinano per formare un nucleo di deuterio, che consiste di un protone e un neutrone. Durante questa parte del processo vengono generati un positrone (chiamato anche antielettrone) e un neutrino (una particella con massa trascurabile ma estrema potenza di penetrazione). In secondo luogo, il nucleo di deuterio si combina con un altro protone, formando un nucleo di elio 3, che consiste di due protoni e un neutrone. Durante questa parte del processo viene prodotto un fotone energetico, con una lunghezza d'onda nella porzione dei raggi gamma dello spettro elettromagnetico. Infine, due nuclei di elio 3 si combinano per formare un nucleo di elio 4, che consiste di due protoni e due neutroni. In questa parte del processo vengono rilasciati due protoni (normali nuclei di idrogeno). Questi protoni possono eventualmente essere coinvolti in un'altra reazione di fusione.
La fusione nucleare richiede temperature estremamente elevate, dell'ordine di decine di milioni di gradi Celsius. Inoltre, un'intensa forza di attrazione, come la gravitazione della magnitudine che si verifica nei centri delle stelle, è necessaria per superare la repulsione elettrostatica tra i nuclei caricati positivamente. Gli scienziati possono generare le alte temperature e le forze necessarie per produrre una fusione di idrogeno incontrollata, l'esempio più notevole è la bomba all'idrogeno. Tuttavia, sostenere queste temperature e forze indefinitamente, al fine di costruire un reattore a fusione di idrogeno in grado di generare energia utile, si è rivelato difficile. La ricerca in questa direzione ha compiuto un significativo passo avanti nel giugno 2005, con l'annuncio della costruzione di un reattore sperimentale a fusione nel sud della Francia.