La fusion nucléaire, dite parfois fusion thermonucléaire, est un processus où deux noyaux atomiques légers s’assemblent pour former un noyau plus lourd. Cette réaction est à l’œuvre de manière naturelle dans le Soleil et la plupart des étoiles de l'univers. La fusion de noyaux légers dégage d’énormes quantités d’énergie provenant de l’attraction entre les nucléons due à l’interaction forte (voir énergie de liaison nucléaire). Elle est, avec la fission nucléaire, l’un des deux principaux types de réactions nucléaires appliquées. La masse du nouvel atome obtenu par la fusion est inférieure à la somme des masses des deux atomes légers. Dans le processus de fusion, une partie de la masse est transformée en énergie sous sa forme la plus simple : la chaleur. Cette perte de masse répond à la célèbre formule d'Albert Einstein E=mc² . Un de ses intérêts est de pouvoir obtenir théoriquement beaucoup plus d’énergie : d'abord à masse de « combustible » égale, la fusion libère 3 à 4 fois plus d'énergie que la fission. Ensuite, le stock de « combustible » est beaucoup plus large : les océans contiennent naturellement une telle masse de deutérium (33 grammes par mètre cube) qu'ils pourraient théoriquement satisfaire la consommation d'énergie actuelle de l'espèce humaine pendant 100 millions d'années (1 m d'eau peut potentiellement fournir autant d'énergie que la combustion de 700 tonnes de pétrole).