Reakcje termojądrowe są procesami polegającymi na łączeniu się (syntezie) jąder pierwiastków lekkich. Synteza jądrowa może mieć miejsce tylko wtedy, gdy jądra atomowe zbliżą się do siebie na odległość co najmniej 10-15m. W celu pokonania siły odpychania elektrostatycznego pomiędzy dodatnio naładowanymi jądrami atomów konieczne są duże energie kinetyczne zderzających się ze sobą jąder. Jest to możliwe jedynie przy bardzo wysokich temperaturach, rzędu setek milionów kelwinów – stąd nazwa reakcja termojądrowa.
Przykładem reakcji syntezy może być łączenie się ze sobą jąder izotopów wodoru: deuteru i trytu. Równanie tej reakcji ma postać:
\( ^{2} _{1} D+ ^{3} _{1}T \rightarrow ^{4} _{2}He+ ^{1} _{0}n\)
Energia wyzwalana w wyniku tego procesu jest rezultatem deficytu masy pomiędzy jądrem helu, a masami izotopów wodoru. Energia ta ma wartość 17,5MeV, co oznacza, że energia przypadająca na jeden nukleon jest znacznie większa od energii wyzwalanej w wyniku procesów rozszczepienia jąder atomowych. Fizycy pracują obecnie nad przeprowadzeniem kontrolowanego procesu syntezy jądrowej. Głównym problem z jakim się borykają jest osiągnięcie temperatury, umożliwiającej rozpoczęcie procesu fuzji jądrowej.