La courbe d'énergie de cohésion nucléaire montre que de l'énergie peut être libérée si deux noyaux légers se combinent pour former un noyau unique plus gros. Ce processus est appelé la fusion nucléaire. Il est empêché par la répulsion électrique qui s'exerce sur les deux particules qui ne peuvent s'approcher l'une de l'autre pour fusionner.
Pour créer une quantité d'énergie utilisable, la fusion nucléaire doit se produire dans un matériau dense pour que suffisamment d'atomes puissent fusionner et fournir une quantité d'énergie significative. La meilleure chance d'y arriver est d'élever la température du matériau pour que les particules atteignent une énergie suffisante (due à l'agitation thermique) pour vaincre la barrière de répulsion électrique. Ce procédé est appelé la fusion thermonucléaire. Les calculs montrent que ces températures doivent être de l'ordre de celle du soleil ( 1.5 10⁷K. )

Le soleil rayonne une énergie de 3.9 10²⁶ W (watts) depuis des milliards d'années. Le soleil brûle de l'hydrogène dans un four nucléaire. La réaction de fusion dans le soleil est un processus en plusieurs étapes dans lequel l'hydrogène est brulé pour donner de l'hélium comme le montre la figure.
Le cycle commence par la collision de 2 protons (¹H + ¹H) pour former un deuteron (²H), avec la création simultanée d'un positron (e⁺) et d'un neutrino (ν). Le positron rencontre très rapidement un électron libre (e^-) et les 2 particules s'annihilent, l'énergie de leur masse se manifestant sous la forme de 2 photons gamma (γ). Dès que le deuteron a été produit, il collisionne rapidement un autre proton et forme un noyau ³He et un photon γ. Deux de ces noyaux ³He peuvent se rencontrer comme la ligne du bas le montre. A la fin, cela conduit à la combinaison de 4 protons et 2 électrons pour former une particule alpha (α, ⁴He), 2 neutrinos et 6 photons γ. Ainsi, l'équation finale est : L'énergie libérée dans cette réaction est :   où 1.007285 u est la masse d'un atome d'hydrogène et 4.002603 u celle d'un atome d'hélium; les neutrinos et les photons γ n'ont pas de masse, ils n'interviennent donc pas dans le calcul de l'énergie produite.
La fusion de l'hydrogène sur le soleil dure depuis environ 5 milliards d'années et les calculs indiquent qu'il y a encore assez d'hydrogène pour que cela continue pendant une durée équivalente.

La fusion sur Terre

La première réaction de fusion thermonucléaire fut réalisée par les Etats Unis sur l'atoll d'Eniwetok le 31 Octobre 1952 (bombe H - énergie libérée équivalente à 10 millions de tonnes de TNT). La haute température nécessaire pour initier la fusion fut obtenue par l'explosion d'une bombe à fission nucléaire (bombe A).
Une source d'énergie utilisant la fusion (un réacteur de fusion) est très difficile à réaliser. Cet objectif est cependant poursuivi très activement par de nombreux pays en raison de l'intérêt présenté par un réacteur de fusion pour la production d'énergie électrique.
Les 3 conditions pour réaliser un tel réacteur de fusion thermonucléaire sont :
• Une forte densité de particule. La densité des particules en intéraction doit être assez forte pour garantir que le taux de collisions est élevé.
• Une haute température du plasma. Le plasma doit être "chaud", sinon la vitesse des particules ne serait pas assez élevée pour permettre de franchir la barrière de répulsion électrostatique.
• Un temps de confinement long. Un problème essentiel est de conserver le plasma chaud assez longtemps pour permettre que sa densité et sa température restent assez élevés pour qu'une quantité suffisante du combustible fusionne. Il est évident qu'aucun container n'est capable de supporter de telles températures, ce qui conduit à rechercher des techniques de confinement sans contacts.

Réalisations possibles sur Terre

• Le Tokamak Le Tokamak est un instrument de fusion thermonuléaire d'abord développé en URSS. De grands tokamaks ont été construits et ont fonctionné dans plusieurs pays (France, Japon, Grande Bretagne) et plusieurs nouvelles machines sont en cours de construction.
  Dans un tokamak, les particules chargées qui constituent le plasma chaud sont confinées par un champ magnétique à l'intérieur d'un tore. Les forces magnétiques agissant sur les particules en déplacement du plasma empêchent le plasma de toucher les parois de la chambre. Le courant qui génère le champ magnétique est induit dans le plasma lui-même et le chauffe en même temps.
  Cependant, une réaction thermonucléaire auto-entretenue n'a pu encore être obtenue (réaction qui produit plus d'énergie qu'elle n'en consomme).
  En dépit des progrès rapides, des problèmes techniques considérables restent à résoudre et il est probable qu'il faudra attendre les années 2010-2020 pour voir un réacteur thermonucléaire industriel en fonctionnement.
• La fusion laser Une seconde technique de confinement du plasma est appelée le confinement inertiel. Il suppose la compression d'un grain de combustible par balayage de toute sa surface par des faisceaux lasers, pour que la compression et l'augmentation de sa température et de la densité de particule conduise à la fusion thermonucléaire. En comparaison du tokamak, le confinement inertiel amène à travailler avec de plus fortes densités de particules pendant des temps plus courts.
  La fusion par laser est étudiée dans un certain nombre de laboratoires aux Etats Unis. Au Lawrence Livermore Laboratory, les pulses lasers sont prévus pour délivrer, au total, quelque 200kJ en moins d'une nanoseconde sur chaque grain de combustible. C'est une puissance délivrée d'environ 2 10¹⁴ W durant le pulse; c'est en gros 100 fois la capacité de puissance électrique mondiale.
  La faisabilité de la fusion thermonucléaire par fusion laser n'a pas encore été démontrée mais la recherche se poursuit activement.

•    Un site américain réalisé par des étudiants (en anglais)
•    Le site du CEA