Phản ứng tổng hợp hạt nhân cung cấp năng lượng cho Mặt Trời. Các hạt nhân nhẹ kết hợp để tạo thành các hạt nhân nặng hơn, giải phóng năng lượng trong quá trình này. Các nguyên tử hydro kết hợp thành heli, và khối lượng bị thiếu trở thành năng lượng. Phản ứng này đòi hỏi nhiệt độ và áp suất cực cao, những điều kiện thường thấy trong lõi sao.

Trên Trái Đất, các nhà khoa học đã theo đuổi phản ứng tổng hợp hạt nhân trong nhiều thập kỷ. Phương pháp hứa hẹn nhất sử dụng giam giữ từ trường. Một lò phản ứng tokamak giữ plasma trong một từ trường hình bánh rán và làm nóng nó lên hơn 100 triệu độ C. Năm 2022, Cơ sở đốt cháy quốc gia (National Ignition Facility) đã đạt được lợi ích năng lượng ròng lần đầu tiên bằng cách sử dụng tia laser, mặc dù chỉ trong thời gian ngắn và với chi phí khổng lồ.

Phản ứng tổng hợp hạt nhân có nhiều ưu điểm. Nhiên liệu dồi dào, được tạo ra từ nước và lithi. Nó không tạo ra chất thải phóng xạ tồn tại lâu dài. Nó không thể bị nóng chảy. Tuy nhiên, thách thức rất lớn. Duy trì phản ứng, kiểm soát plasma và xây dựng một nhà máy thương mại vẫn chưa được giải quyết. Người ta thường nói đùa rằng phản ứng tổng hợp hạt nhân luôn "còn 30 năm nữa mới thành hiện thực". Nhưng có lẽ cuối cùng nó cũng đang đến gần hơn.

Các phương pháp tiếp cận chính

• Giam giữ từ tính (tokamaks)
• Giam giữ quán tính (tia laser)
• Máy phát điện Stellar
• các liên doanh hợp nhất tư nhân
• Nhiên liệu: deuterium và tritium