Kernfusie is die samesmelting van verskillende atome, waardeur 'n ander, swaarder (d.w.s. verder in die periodieke tabel geleë) element gevorm word. Hierdie samesmelting is gewoonlik slegs moontlik by baie hoë druk en temperatuur (soos in die son) – dit is wanneer atome die vinnigste beweeg en hard teen mekaar sal bots. As atome baie hard teenmekaar bots, gebeur dit dat die atoomkern van een atoom 'n ander atoom se kern binnedring en saamsmelt om een atoom te vorm met 'n groter kern. Byvoorbeeld as deuterium 2H ('n waterstofatoom met twee nukleone, een proton en een neutron, met atoomgetal = 1) en tritium 3H (een proton en twee neutrone) saamsmelt om 4He, met atoomgetal = 2, te vorm. In die proses word energie vrygestel omdat 4He 'n laer massa het as die som van 2H en 3H. Die energie wat vrygestel word, kan bereken word deur die bekende formule E = mc2. Dit kan soos volg voorgestel word:
Fusie van deuterium met tritium om helium-4 te vorm, deur vrystelling van 'n neutron. Omdat massa afgestaan is ('n neutron is afgegee) word 17.59 MeV energie vrygestel volgens die formule E = Δmc2.
(Onthou dat 21H 'n waterstof-atoom is met twee nukleone: 1 proton en 1 elektron. Kyk ook Isotoop.)
Wanneer die atome van elemente ligter as yster, byvoorbeeld waterstof, saamsmelt, word 'n deel van die atome se massa omgesit in energie, in die geval van waterstof ongeveer 0,67%. In teenstelling hiermee benodig die fusie van swaarder atome juis energie en word dit geabsorbeer i.p.v. vrygestel.
Voordat die Duitse fisikus Hans Bethe in 1938 voorgestel het dat die son en die sterre hulle energie deur kernfusie opwek, was dit 'n raaisel waar al die energie vandaan kom: al die chemiese reaksies wat in dié tyd bekend was, het te min energie opgelewer. Die son sit elke sekonde ongeveer 600 miljoen ton waterstof om in 596 ton helium. Die verskil in die massa, vier miljoen ton, word in energie omgesit, waarvolgens Albert Einstein se beroemde formule E = mc2 geld.
Kernfusie is ook die energiebron van 'n waterstofbom, wat baie magtiger blyk te wees as die atoombom van die 1940's, waarin atome gesplits is.
Kernfusie is nie 'n kettingreaksie nie: daar kom dus geen deeltjies vry wat 'n nuwe (en dus aanhoudende) fusie kan veroorsaak nie. Die fusieproses kan slegs aan die gang gehou word deur 'n uiters hoë temperatuur en druk, soos rondom die middelpunt van 'n ster gevind word. Anders as kernsplitsing, laat kernfusie ook nie noodwendig radioaktiewe materiaal agter as afval nie. Daarom word daar deur die wetenskap klem gelê op die ontwikkeling van kernfusie as 'n skoon en veilige energiebron. Die houer waarin die reaksie plaasvind kan egter wel radioaktief word, as gevolg van bestraling.