Im Gegensatz zur Kernspaltung, bei der Energie durch die Teilung eines Nukleus gewonnen wird, tritt eine Kernfusion auf, wenn zwei oder mehr atomare Nuklei stark genug aufeinandertreffen, um zu fusionieren, was auch massenhaft Photonen freisetzt. Fusionsreaktionen treiben auch die Sterne des Universums an und erzeugen viel Licht und Wärme.

Im Zweiten Weltkrieg umfasste die Forschung zu Spaltbomben auch die zur Kernfusion. Doch 1946 erhielten zwei britische Forscher ein Patent auf einen Fusionsreaktor-Prototypen, der auf dem Z-pinch-Prinzip basierte, bei dem ein magnetisches Feld so konstruiert werden konnte, dass es Plasma enthielt (wie bei einem Stern). Mit Beginn des darauf folgenden Jahres begannen in Großbritannien zwei Forscherteams mit noch größeren Experimenten zur Gewinnung von Strom per Fusion; ein weiterer Brite, James Tuck, der in Los Alamos in den Vereinigten Staaten arbeitete, baute eine Reihe von Fusionsreaktoren, die schließlich zum damals größten seiner Art führte, der spöttisch "Perhapsatron" (in etwa "Vielleichtatron") genannt wurde. Wie sich herausstellte, passte der Name, denn die Experimente offenbarten Instabilitäten bei allen Reaktoren, sodass eine solche Fusion nie erreicht wurde.

Stattdessen gelang schließlich Waffeningenieuren die erste menschengemachte Fusionsreaktion in Form von Ivy Mike, der ersten thermonuklearen Bombe, die 1952 auf dem Enewetak-Atoll getestet wurde. Zwei Jahre später detonierte Castle Bravo mit einer Sprengkraft von 15 Megatonnen auf dem Bikini-Atoll. Inzwischen baute und testete auch die Sowjetunion ihr eigenes thermonukleares Arsenal. Doch auch dies waren allesamt unkontrollierte Fusionsreaktionen.

Die Forschung zu Fusionsreaktionen schritt zwischen den Fünfziger- und den Neunzigerjahren langsam voran und geriet auch in die eine oder andere Sackgasse. Schließlich gelang 1991 Wissenschaftlern des Joint European Torus in England die erste kontrollierte Freisetzung von Fusionsenergie. Danach wurde wenig überraschend eine Fülle an wissenschaftlichen Arbeiten veröffentlicht, die sich mit der Prozessverbesserung beschäftigten und Fusionsreaktoren kleiner, günstiger und besser kontrollierbar machen sollten. Trotz vieler Debatten und widerstreitender Ansprüche verkündete 2014 Lockheed Martins sogenanntes "Skunk Works"-Labor die Entwicklung eines Fusionsreaktors in der fortgeschrittenen Beta-Phase sowie Pläne, bis 2017 einen 1-Megawatt-Fusionsreaktor-Prototypen zu bauen, der 2022 in den regulären Betrieb gehen soll.