Nuclear fusion là quá trình trong đó hai hạt nhân nhẹ, thường là các đồng vị của hydro như deuterium và tritium, kết hợp lại để tạo thành một hạt nhân nặng hơn, điển hình là helium, đồng thời giải phóng một lượng lớn năng lượng. Phản ứng này chính là nguồn năng lượng duy trì sự tỏa sáng và nhiệt độ khổng lồ của các ngôi sao, bao gồm cả Mặt Trời của chúng ta. Khi xảy ra fusion, một phần khối lượng của các hạt nhân bị mất đi và chuyển hóa thành năng lượng theo công thức nổi tiếng của Albert Einstein E=mc^2, trong đó E là năng lượng, m là khối lượng bị mất, còn c là vận tốc ánh sáng trong chân không.

Việc nghiên cứu và ứng dụng nuclear fusion đang là một trong những hướng phát triển năng lượng sạch tiềm năng nhất trong tương lai. So với phản ứng phân hạch (nuclear fission) hiện đang được dùng trong các nhà máy điện hạt nhân, nuclear fusion có nhiều ưu điểm vượt trội như nguồn nguyên liệu dồi dào hơn, ít phát sinh chất thải phóng xạ lâu dài và nguy cơ tai nạn thấp hơn. Tuy nhiên, hiện nay việc kiểm soát và duy trì fusion trong môi trường trên Trái Đất vẫn còn rất khó khăn do đòi hỏi nhiệt độ và áp suất cực cao để vượt qua lực đẩy tĩnh điện giữa các hạt nhân. Các dự án lớn trên thế giới như ITER đang nỗ lực tìm cách tái tạo điều kiện lý tưởng để nuclear fusion có thể hoạt động ổn định và đem lại lợi ích thiết thực cho nhân loại.