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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 s'explique par la formule d'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 trois à quatre 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 g/m3,) qu'ils pourraient théoriquement satisfaire la consommation d' énergie actuelle de l'espèce humaine pendant cent millions d'années (le deutérium contenu dans 1 m3 d' eau peut potentiellement fournir autant d' énergie que la combustion de 700 t de pétrole ).
En dépit de travaux de recherche réalisés dans le monde entier depuis les années 1950, aucune application industrielle de la fusion à la production d’ énergie n’a encore abouti, en dehors des armes nucléaires avec la bombe H, étant donné que cette application ne vise aucunement à contenir et maîtriser la réaction produite.