Le processus de conversion de noyaux très légers en noyaux plus lourds s'accompagne également de la conversion de la masse en grandes quantités d'énergie, un processus appelé fusion. La principale source d'énergie dans le soleil est une réaction de fusion nette dans laquelle quatre noyaux d'hydrogène fusionnent et produisent finalement un noyau d'hélium et deux positrons.

Un noyau d'hélium a une masse qui est inférieure de 0,7 % à celle de quatre noyaux d'hydrogène ; cette masse perdue est convertie en énergie pendant la fusion. Cette réaction produit environ 1,7 &215; 10⁹ à 2,6 × 10⁹ kilojoules d'énergie par mole d'hélium 4 produit, selon la voie de fusion. C'est un peu moins que l'énergie produite par la fission nucléaire d'une mole d'U-235 (1,8 × 10¹⁰ kJ). Toutefois, la fusion d'un gramme d'hélium 4 produit environ6,5 × 10⁸ kJ, ce qui est plus important que l'énergie produite par la fission d'un gramme d'U-235 (8,5 × 10⁷ kJ). Ceci est particulièrement remarquable car les réactifs pour la fusion de l'hélium sont moins chers et beaucoup plus abondants que l'U-235.

On a déterminé que les noyaux des isotopes lourds de l'hydrogène, un deutéron et un triton, subissent une fusion thermonucléaire à des températures extrêmement élevées pour former un noyau d'hélium et un neutron. Ce changement se produit avec une perte de masse de 0,0188 uma, correspondant à la libération de 1,69 × 10⁹ kilojoules par mole d'hélium 4 formée. La température très élevée est nécessaire pour donner aux noyaux suffisamment d'énergie cinétique pour surmonter les forces de répulsion très intenses résultant des charges positives sur leurs noyaux afin qu'ils puissent entrer en collision.

Les réactions utiles de fusion nécessitent des températures très élevées pour leur initiation, soit environ 15000000 K ou plus. À ces températures, toutes les molécules se dissocient en atomes et les atomes s'ionisent, formant ainsi du plasma. Ces conditions se produisent dans un très grand nombre d'endroits dans l'univers : les étoiles sont alimentées par la fusion.

La création de réacteurs à fusion est une tâche difficile car aucun matériau solide n'est stable à des températures aussi élevées et les dispositifs mécaniques ne peuvent pas contenir le plasma dans lequel se produisent les réactions de fusion. Deux techniques pour contenir le plasma à la densité et à la température nécessaires à une réaction de fusion sont actuellement au centre des efforts de recherche intensifs : le confinement par un champ magnétique dans un réacteur tokamak et l'utilisation de faisceaux laser focalisés. Cependant, à l'heure actuelle, il n'existe pas de réacteurs de fusion autonomes en fonctionnement dans le monde, bien que des réactions de fusion contrôlées à petite échelle aient été exécutées pendant de très brèves périodes.

Ce texte est adapté de l'Openstax, Chimie 2e, Section 21.4 : Transmutation et énergie nucléaire.