В отличие от ядерной реакции расщепления, где энергия выделяется при делении атомов, ядерный синтез происходит, когда два или несколько атомных ядер сталкиваются с достаточной силой, чтобы соединиться, что также высвобождает большое количество фотонов. Реакция ядерного синтеза протекает внутри большинства звезд во вселенной, позволяя им излучать огромное количество света и тепла.

Во время Второй мировой войны изучение ядерного синтеза проводились при исследованиях ядерного деления. В 1946 году двум британским ученым был выдан патент на прототип реактора ядерного синтеза, основанного на концепции Z-пинч, согласно которой магнитное поле может быть сгенерировано для удержания плазмы (схожей с той, что содержится в звездах). Начиная со следующего года, две команды в Британии начали серию все более масштабных экспериментов для производства электричества с помощью синтеза. Другой британец, Джеймс Так, работавший в Лос-Аламо в США, построил серию термоядерных реакторов, иронично назвав самый крупный из них «Возможнотроном». Как оказалось, имя было подходящим, так как при экспериментах все устройства повели себя нестабильно, и ядерный синтез не был достигнут.

Первую контролируемую человеком реакцию ядерного синтеза удалось вызвать оружейным инженерам: взрыв первой термоядерной бомбы – «Иви Майк» – был произведен в 1952 году на атолле Эниветок. Два года спустя «Кастл Браво» мощностью 15 мегатонн взорвали на атолле Бикини. Тем временем Советский Союз строил и испытывал свой собственный термоядерный арсенал, но все это были неконтролируемые реакции синтеза.

Маленькими шажками, периодически заходя в тупик, исследование ядерного синтеза потихоньку продвигалось вперед с 50-х по 90-е годы XX века. Наконец, в 1991 году ученые JET («Совместного европейского тора») в Англии добились первой контролируемой отдачи энергии синтеза. За этим последовало, как и ожидалось, множество научных исследований, целью которых было усовершенствовать процесс, чтобы сделать реакторы меньше, доступнее и надежнее. Несмотря на споры и притязания конкурентов, в 2014 году лаборатория компании «Lockheed Martin» – «Skunk Works» объявила о строительстве термоядерного реактора четвертого поколения. 100-мегаваттный образец должен быть завершен к 2017 году, а уже в 2022 он будет готов к постоянной работе.