Nhiệt hạch hạt nhân là phản ứng trong đó hai hoặc nhiều hạt nhân nguyên tử nhỏ hợp nhất để tạo thành hạt nhân lớn hơn và nặng hơn với sự giải phóng các hạt và một lượng lớn năng lượng. Trong phản ứng tổng hợp hạt nhân, hai hạt nhân tham gia phản ứng va chạm nhau, vì cả hai đều mang điện tích dương nên giữa chúng có một lực đẩy cực mạnh, lực đẩy này chỉ bị khắc phục nếu các hạt nhân phản ứng có động năng rất cao (gần 100 triệu độ C). Khi động năng cần thiết tăng theo điện tích hạt nhân (hạt nhân nguyên tử), phản ứng giữa các hạt nhân có số nguyên tử thấp là phản ứng dễ tạo ra nhất.
Năng lượng được tạo ra trong Mặt trời, cũng như ở các ngôi sao khác, đến từ sự hợp nhất của các hạt nhân hydro tạo thành hạt nhân heli và bức xạ gamma, là biểu hiện của năng lượng được giải phóng trong quá trình này. Số lượng hạt nhân phản ứng trong mỗi giây là rất lớn và do đó, cũng là năng lượng được giải phóng, do đó có độ sáng và năng lượng không thể kìm hãm được mà nó luôn che chở chúng ta. Phản ứng tổng hợp hạt nhân là cơ chế cũng giải thích nguồn gốc của tất cả các nguyên tố khác nhau trong vũ trụ, người ta cho rằng ngay sau vụ nổ (Vụ nổ lớn), hydro được hình thành, và khi liên kết với các hạt nhân nhỏ thì hạt nhân nặng được hình thành điều đó đã làm phát sinh ra sự đa dạng tuyệt vời của các vật liệu mà ngày nay chúng ta biết.
Những điều kiện khắc nghiệt về áp suất và nhiệt độ rất cao để tạo ra phản ứng tổng hợp hạt nhân (phản ứng nhiệt hạch), đã là trở ngại mà các phòng thí nghiệm trên thế giới phải đối mặt. Ở nhiệt độ cao, tất cả hoặc hầu hết các nguyên tử sẽ bị tước electron. Trạng thái vật chất này là một hỗn hợp khí của các ion dương và electron được gọi là plasma. Chứa đựng huyết tương này là một nhiệm vụ ghê gớm.
Cho đến nay, phản ứng tổng hợp hạt nhân mới chỉ tìm thấy một ứng dụng trong các chức năng quân sự: bom khinh khí hay bom nhiệt hạch; nó sử dụng các nguyên tử hydro hoặc các đồng vị nặng của chúng, đơteri và triti. Để quá trình tổng hợp các nguyên tử này diễn ra, cần phải đạt được nhiệt độ ở mức độ lớn mà chỉ có thể đạt được khi sử dụng một quả bom phân hạch nhỏ uranium hoặc plutonium làm ngòi nổ.
Cần lưu ý rằng phản ứng tổng hợp của các hạt nhân hydro tạo ra năng lượng lớn hơn khoảng 4 lần so với sự phân hạch của uranium. Do đó, khi năng lượng tổng hợp hạt nhân được kiểm soát (một số người nói là vào giữa thế kỷ này), các lò phản ứng hạt nhân sử dụng nó sẽ quên đi những lò phản ứng hiện tại dựa trên quá trình phân hạch hạt nhân. Nếu năng lượng nhiệt hạch trở nên khả thi, nó sẽ mang lại những lợi thế sau: 1) nhiên liệu rẻ và gần như không cạn kiệt, đơteri từ các đại dương; 2) Không thể xảy ra tai nạn trong lò phản ứng, nếu một máy nhiệt hạch ngừng hoạt động, nó sẽ ngừng hoạt động hoàn toàn và ngay lập tức, mà không có nguy cơ tan chảy, và 3) Đây là một nguồn năng lượng sạch, vì quá trình này tạo ra ít chất thải phóng xạ và dễ xử lý hơn.
