Η ενέργεια σύντηξης είναι η εξαγωγή ενέργειας από δεσμούς μεταξύ σωματιδίων στους πυρήνες των ατόμων με τη σύντηξη αυτών των πυρήνων μεταξύ τους. Για να αποκτήσετε την περισσότερη ενέργεια, πρέπει να χρησιμοποιηθούν ελαφρά στοιχεία και ισότοπα όπως το υδρογόνο, το δευτέριο, το τρίτιο και το ήλιο, αν και κάθε στοιχείο με ατομικό αριθμό μικρότερο από τον σίδηρο μπορεί να παράγει καθαρή ενέργεια όταν συντήκεται. Η σύντηξη έρχεται σε αντίθεση με τη σχάση, τη διαδικασία κατά την οποία παράγεται ενέργεια με τη διάσπαση βαρέων πυρήνων όπως το ουράνιο ή το πλουτώνιο. Και οι δύο θεωρούνται πυρηνική ενέργεια, αλλά η σχάση είναι ευκολότερη και καλύτερα ανεπτυγμένη. Όλοι οι σημερινοί πυρηνικοί σταθμοί λειτουργούν με βάση την ενέργεια σχάσης, αλλά πολλοί επιστήμονες ελπίζουν ότι ένας σταθμός ηλεκτροπαραγωγής βασισμένος στην ενέργεια σύντηξης θα αναπτυχθεί πριν από το 2050.
Υπάρχουν πυρηνικές βόμβες που βασίζονται τόσο στην ενέργεια σχάσης όσο και στην ενέργεια σύντηξης. Οι συμβατικές βόμβες Α βασίζονται στη σχάση, ενώ οι βόμβες H, ή οι βόμβες υδρογόνου, βασίζονται στη σύντηξη. Η σύντηξη μετατρέπει πιο αποτελεσματικά την ύλη σε ενέργεια, παράγοντας περισσότερη θερμότητα και θερμοκρασία όταν η διαδικασία διοχετεύεται σε μια αλυσιδωτή αντίδραση. Έτσι, οι βόμβες H έχουν υψηλότερες αποδόσεις από τις βόμβες Α, σε ορισμένες περιπτώσεις περισσότερες από 5,000 φορές υψηλότερες. Οι βόμβες H χρησιμοποιούν έναν «ενισχυτή» σχάσης για να επιτύχουν την απαιτούμενη θερμοκρασία για την πυρηνική σύντηξη, η οποία είναι περίπου 20 εκατομμύρια βαθμούς Κέλβιν. Σε μια βόμβα H, περίπου το 1% της μάζας της αντίδρασης μετατρέπεται απευθείας σε ενέργεια.
Η ενέργεια σύντηξης, όχι η σχάση, είναι η ενέργεια που τροφοδοτεί τον Ήλιο και παράγει όλη τη θερμότητα και το φως του. Στο κέντρο του Ήλιου, περίπου 4.26 εκατομμύρια τόνοι υδρογόνου το δευτερόλεπτο μετατρέπονται σε ενέργεια, παράγοντας 383 γιωταβάτ (3.83×1026 W) ή 9.15×1010 μεγατόνους TNT ανά δευτερόλεπτο. Αυτό ακούγεται πολύ, αλλά στην πραγματικότητα είναι αρκετά ήπιο λαμβάνοντας υπόψη τη συνολική μάζα και τον όγκο του Ήλιου. Ο ρυθμός παραγωγής ενέργειας στον πυρήνα του Ήλιου είναι μόνο περίπου 0.3 W/m3 (βατ ανά κυβικό μέτρο), περισσότερο από ένα εκατομμύριο φορές ασθενέστερος από την παραγωγή ενέργειας που λαμβάνει χώρα σε ένα νήμα λαμπτήρα. Μόνο επειδή ο πυρήνας είναι τόσο τεράστιος, με διάμετρο που ισοδυναμεί με περίπου 20 Γη, παράγει τόση συνολική ενέργεια.
Για αρκετές δεκαετίες, οι επιστήμονες εργάζονται για την αξιοποίηση της ενέργειας σύντηξης για τις ανάγκες του ανθρώπου, αλλά αυτό είναι δύσκολο λόγω των υψηλών θερμοκρασιών και πιέσεων που εμπλέκονται. Χρησιμοποιώντας την ενέργεια σύντηξης, μια μονάδα καυσίμου μεγέθους ενός μικρού ρουλεμάν μπορεί να παράγει τόση ενέργεια όσο ένα βαρέλι βενζίνης. Δυστυχώς, όλες οι προσπάθειες παραγωγής ενέργειας από σύντηξη από το 2008 έχουν καταναλώσει περισσότερη ενέργεια από ό,τι παρήγαγαν. Υπάρχουν δύο βασικές προσεγγίσεις — χρησιμοποιήστε ένα μαγνητικό πεδίο για να συμπιέσετε ένα πλάσμα στην κρίσιμη θερμοκρασία (μαγνητική σύντηξη περιορισμού) ή πυροβολήστε λέιζερ σε έναν στόχο τόσο έντονα που τον θερμαίνουν πέρα από το κρίσιμο όριο για σύντηξη (αδρανειακή σύντηξη περιορισμού). Και οι δύο αυτές προσεγγίσεις έχουν λάβει σημαντική χρηματοδότηση, με το National Ignition Facility (NIF) να προσπαθεί για αδρανειακή σύντηξη περιορισμού και να έρχεται στο διαδίκτυο το 2010, και τον International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) να προσπαθεί για σύντηξη μαγνητικού περιορισμού και να έρχεται στο διαδίκτυο το 2018.