היתוך גרעיני הוא תגובה בה שני גרעינים אטומיים קטנים או יותר מתמזגים ליצירת גרעינים גדולים וכבדים יותר עם שחרור חלקיקים וכמויות גדולות של אנרגיה. בתגובות היתוך גרעיני שני הגרעינים התגובתיים מתנגשים, מכיוון ששניהם טעונים באופן חיובי, קיים ביניהם כוח דחייה עז, אשר יתגבר עליו רק אם לגרעיני התגובה יש אנרגיות קינטיות גבוהות מאוד (קרוב ל 100 מיליון מעלות צלזיוס). ככל שהאנרגיה הקינטית הנדרשת עולה עם המטען הגרעיני (גרעין האטום), התגובות בין גרעינים בעלי מספר אטומי נמוך הן הקלות ביותר לייצור.
האנרגיה המופקת בשמש, כמו גם בכוכבים אחרים, מגיעה מהתמזגות של גרעיני מימן היוצרים גרעיני הליום וקרינת גמא, שהם הביטוי לאנרגיה שמשתחררת בתהליך זה. מספר הגרעינים המגיבים בכל שנייה הוא עצום, ולכן גם האנרגיה המשתחררת, ומכאן הבהירות והאנרגיה הבלתי ניתנת להדפסה בה תמיד הגנה עלינו. היתוך גרעיני הוא המנגנון המסביר גם את מקורם של כל היסודות השונים ביקום, ההנחה היא שמיד לאחר הפיצוץ (המפץ הגדול) נוצר מימן, וכאשר הצטרפו גרעינים קטנים נוצרו גרעינים כבדים שהולידו את המגוון הגדול של החומרים שאנו מכירים כעת.
תנאי הלחץ הקיצוניים והטמפרטורה הגבוהה מאוד לייצור תגובות היתוך גרעיני (תגובות תרמו-גרעיניות) היו המכשול שעמדו בפני מעבדות ברחבי העולם. בטמפרטורות גבוהות, כל האטומים או רובם היו מוסרים מהאלקטרונים שלהם. מצב חומר זה הוא תערובת גזית של יונים חיוביים ואלקטרונים המכונים פלזמה. להכיל פלזמה זו משימה אדירה.
עד כה היתוך גרעיני מצא יישום רק בפונקציות צבאיות: פצצת המימן או הפצצה התרמו-גרעינית; הוא משתמש באטומי מימן או באיזוטופים הכבדים שלהם, דאוטריום וטריטיום. כדי שהתמזגותם של אטומים אלה תתרחש, יש צורך להגיע לטמפרטורה בסדר גודל כזה עד כי ניתן להשיג אותה רק באמצעות פצצת ביקוע קטנה של אורניום או פלוטוניום כפיצוץ.
יש לציין כי היתוך של גרעיני מימן מייצר אנרגיה פי 4 יותר מביקוע האורניום. מכאן שכאשר נשלטת אנרגיית היתוך גרעיני (יש אומרים באמצע המאה הזו), היא תגרום לכורים הגרעיניים המשתמשים בה לשכוח את הנוכחים המבוססים על תהליכי ביקוע גרעיני. אם אנרגיית היתוך הופכת לביצועית, היא תציע את היתרונות הבאים: 1) דלק הוא זול וכמעט בלתי נדלה, דאוטריום מהאוקיאנוסים; 2) אי אפשרות לתאונה בכור, אם מכונת היתוך תפסיק לפעול, היא תיסגר לחלוטין ומיד, ללא סכנת התכה, ו- 3) זהו מקור אנרגיה נקי, שכן התהליך מייצר מעט פסולת רדיואקטיבית וקל יותר לטפל בו.
