Η θερμοπυρηνική σύντηξη είναι η θεμελιώδης πηγή ενέργειας του κόσμου. Είναι η διαδικασία που δίνει ενέργεια στον ήλιο και τα αστέρια. Σε μια αντίδραση θερμοπυρηνικής σύντηξης, η ενέργεια απελευθερώνεται όταν συγχωνεύονται μαζί οι πυρήνες δύο ελαφριών ατόμων (όπως το υδρογόνο) για να σχηματίσουν ένα βαρύτερο. Η πηγή αυτή ενέργειας προσφέρει την προοπτική μιας μακροπρόθεσμης, ασφαλούς, φιλικής προς το περιβάλλον επιλογής ώστε να ικανοποιηθούν οι ενεργειακές ανάγκες ενός αυξανόμενου παγκόσμιου πληθυσμού.

Η θερμοπυρηνική σύντηξη είναι μια ιδιαίτερα ελκυστική ενεργειακή λύση δεδομένου ότι χρησιμοποιεί καύσιμα που είναι άφθονα ή μπορούν να παρασκευαστούν εύκολα. Τα καύσιμα που χρησιμοποιούνται στη σύντηξη είναι ισότοπα του ελαφρού στοιχείου υδρογόνου. Με τη συγχώνευση των ισοτόπων αυτών σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες είναι δυνατό να παραχθούν μεγάλα ποσά ενέργειας. Τα ισότοπα του υδρογόνου που χρησιμοποιούνται είναι το δευτέριο, που μπορεί να εξαχθεί εύκολα από το νερό (υπάρχουν γύρω στα 30g δευτερίου σε κάθε κυβικό μέτρο νερού) και το τρίτιο, το οποίο μπορεί να παραχθεί από το λίθιο, ένα άφθονο ελαφρύ μέταλλο.

Στα περισσότερα άτομα υδρογόνου, ο πυρήνας περιέχει μόνο ένα πρωτόνιο. Στο δευτέριο ο πυρήνας περιέχει ένα επιπλέον νετρόνιο, ενώ στο τρίτιο υπάρχουν δύο νετρόνια μαζί με ένα πρωτόνιο. Η πυρηνική σύντηξη ενός πυρήνα δευτερίου με έναν πυρήνα τριτίου παράγει έναν πυρήνα του στοιχείου ηλίου (γνωστού και ως σωματίου άλφα), ένα νετρόνιο και ενέργεια. Ένα γραμμάριο καυσίμων θερμοπυρηνικής σύντηξης θα μπορούσε να παράγει 100.000 κιλοβατώρες ηλεκτρικής ενέργειας, δηλαδή έχει τη θερμογόνο δύναμη οκτώ τόνων άνθρακα! Το πρόσθετο νετρόνιο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να παράγει περισσότερα καύσιμα τριτίου από το λίθιο.

Η θερμοπυρηνική σύντηξη εμφανίζεται φυσικά στον ήλιο σε θερμοκρασίες 10 - 15 εκατομμυρίων βαθμών Κελσίου, παράγοντας την ενέργεια που στηρίζει τη ζωή στη γη. Εντούτοις, στον ήλιο τα καύσιμα της θερμοπυρηνικής σύντηξης θερμαίνονται και συμπιέζονται από τις τεράστιες δυνάμεις βαρύτητας που επικρατούν εκεί. Στη γη δεν μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τη βαρύτητα, έτσι η πρόκληση για τους ερευνητές της θερμοπυρηνικής σύντηξης είναι να την αντισταθμίσουν με τη θέρμανση ενός πλάσματος χαμηλής πυκνότητας σε μια υψηλότερη θερμοκρασία (περίπου 100 εκατομμύρια βαθμοί Κελσίου, ή 10 φορές πιο υψηλή από του πυρήνα του ήλιου), με άριστη συγκράτηση του πλάσματος, ώστε να αυτοσυντηρούνται οι αντιδράσεις θερμοπυρηνικής σύντηξης.

Οι αντιδράσεις θερμοπυρηνικής σύντηξης εμφανίζονται σε υψηλές θερμοκρασίες, όταν συγκρούονται οι πυρήνες με ικανοποιητική ενέργεια ώστε να υπερνικήσουν τις φυσικές απωστικές δυνάμεις των ηλεκτρικών φορτίων τους. 100 εκατομμύρια βαθμοί Κελσίου είναι αρκετά παραπάνω από τη θερμοκρασία στην οποία ένα αέριο ιονίζεται εντελώς και γίνεται πλάσμα, η τέταρτη κατάσταση της ύλης. Σε ένα ιονισμένο πλάσμα οι θετικά φορτισμένοι πυρήνες και τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια των ατόμων είναι χωρισμένα και κινούνται ελεύθερα, όπως τα μόρια σε ένα αέριο. Περισσότερο από το 99% του σύμπαντος έχει τη μορφή πλάσματος.

Για να φθάσουμε σε τέτοιες θερμοκρασίες, είναι απαραίτητη ισχυρή θέρμανση, ενώ η απώλεια θερμότητας ή μέρους του θερμού πλάσματος πρέπει να περιοριστεί στο ελάχιστο, με συγκράτηση (περιορισμό) του θερμού πλάσματος, είτε με κατάλληλα ισχυρά μαγνητικά πεδία, είτε αδρανειακά. Αυτό είναι μια εξαιρετικά δύσκολη διαδικασία, τόσο από την άποψη της κατανόησης των σύνθετων φυσικών διαδικασιών που συμβαίνουν σε τέτοιες τιμές της θερμοκρασίας, όσο και από την ανάγκη για περίπλοκες τεχνολογίες. Η έρευνα πάνω στη θερμοπυρηνική σύντηξη έχει αναπτύξει δύο διαφορετικές τεχνολογίες: το μαγνητικό περιορισμό και τον αδρανειακό περιορισμό.

Ο μαγνητικός περιορισμός χρησιμοποιεί ισχυρά μαγνητικά πεδία για να απομονώνει το πλάσμα, ώστε να είναι εφικτή η λειτουργία σε μόνιμη κατάσταση, ενώ ο αδρανειακός περιορισμός χρησιμοποιεί υψηλής ισχύος ακτίνες λέιζερ ή ιόντων, για να θερμάνει και να συμπιέσει μικροσκοπικές κάψουλες με καύσιμο σε πολύ υψηλή πυκνότητα, ώστε να επιτευχθεί ανάφλεξη σε πολύ σύντομο χρονικό διάστημα