Термоядерный синтез — слияние лёгких ядер в более тяжёлое с выделением энергии. На нуклон он даёт больше энергии, чем деление, потому что прирост удельной энергии связи у лёгких ядер самый крутой.
Чтобы ядра слились, они должны сблизиться до 1–2 фм, преодолев кулоновское отталкивание. Для этого нужны огромные скорости, то есть температуры в десятки и сотни миллионов градусов — отсюда название «термоядерный».
В недрах Солнца (T ≈ 15 млн К) идёт протон-протонный цикл: из четырёх ядер водорода в итоге образуется ядро гелия-4, два позитрона и нейтрино, и выделяется ≈ 26 МэВ. Именно этот процесс — источник энергии Солнца и звёзд. Каждую секунду Солнце превращает около 600 млн тонн водорода в гелий, теряя на излучение порядка 4 млн тонн массы (по E = mc²).