היתוך גרעיני הוא תהליך שבו גרעיני האטומים של חומרים קלים יחסית, כמו מימן, מותכים יחדיו, מתמזגים, ועקב כך פולטים אנרגיה רבה. זהו תהליך שונה ביסודו מביקוע גרעיני. בביקוע גרעיני, התהליך המתרחש בכורים גרעיניים, מפורקים אטומים של חומרים כבדים, כמו אורניום, לצורך הפקת אנרגיה. בעוד שמדענים יודעים כיצד לייצר אנרגיה שימושית באמצעות ביקוע גרעיני, לא נמצאה עדיין דרך להפיק אנרגיה באופן עקבי וסדיר מהיתוך גרעיני. השמש מונעת על ידי תהליכי היתוך המתרחשים בליבתה, ובניסיון לייצר על כדור הארץ תנאים הדומים ללב השמש (טמפרטורה של כ-10 מיליון מעלות) בנו מדענים כורים ענקיים עתירי ציוד כבד ומורכב: מחוללי שדות מגנטיים רבי כוח וקרני לייזר בעלות עוצמה גבוהה. אך למרות השקעה של כחצי מיליארד דולר בשנה במשך כעשור בארה”ב, לא הצליחו הכורים הללו להפיק תהליך היתוך יציב. בשנים האחרונות מתגברים מאמצי המחקר ובאחרונה נשקלת הקמתו של כור היתוך ניסיוני בינלאומי ביפאן או בצרפת.
הנכונות להשקעה כה רבה במחקר נובעת מההבטחה העצומה הטמונה באנרגיית היתוך. היום שבו תפותח שיטה יעילה לביצוע היתוך גרעיני יירשם בהיסטוריה כראשיתה של מהפכה כלכלית עולמית. היתוך הוא מקור אנרגיה בלתי נדלה. את חומרי הדלק הדרושים להיתוך (איזוטופים של מימן) ניתן יהיה להפיק ממים רגילים, והתהליך כמעט שאינו יוצר פסולת רדיואקטיווית.