Branduolių sintezė sujungia lengvus atomų branduolius į sunkesnius. Pakankamai lengvų branduolių sintezė gali išskirti energiją, nes galutinis branduolys yra stipriau susietas vienam nukleonui. Didžiausias sunkumas – priartinti teigiamai įkrautus branduolius nepaisant jų elektrinės stūmos.
Du teigiamai įkrauti branduoliai vienas kitą stumia. Aukšta plazmos temperatūra padidina tipinę jonų kinetinę energiją ir artimų susidūrimų skaičių, tačiau barjero nepanaikina. Esminis yra kvantinis tuneliavimas: net kai klasikinė susidūrimo energija mažesnė už barjero aukštį, išlieka tikimybė, kad branduoliai priartės tiek, jog ims veikti stiprioji branduolinė sąveika.
Viena labiausiai tiriamų reakcijų yra ²H + ³H → ⁴He + n. Produktų bendra rimties masė mažesnė už pradinių branduolių masę, todėl išsiskiria apie 17,6 MeV. Maždaug 3,5 MeV gauna helio branduolys, o 14,1 MeV – neutronas. Kadangi neutronas neturi elektrinio krūvio, magnetinis laukas jo nesulaiko taip, kaip įkrautų plazmos dalelių.
Paaiškinimą duoda ryšio energija vienam nukleonui. Nuo vandenilio link geležies srities ši vertė apskritai didėja. Todėl lengvų branduolių sintezė gali perkelti sistemą į stipriau susietą būseną, kurios bendra masė mažesnė. Tačiau nėra tiesa, kad bet kokių branduolių sujungimas visada išskiria energiją.
Sintezės plazmoje turi būti pakankamai reaguojančių jonų, o jų energija turi būti išlaikoma pakankamai ilgai. Todėl Lawsono kriterijus sieja tankį, temperatūrą ir energijos sulaikymo laiką. Labai aukšta temperatūra dar negarantuoja didelės sintezės išeigos, jei plazma per reta arba energiją praranda beveik iš karto.
Žvaigždės milžiniškus plazmos kiekius sulaiko gravitacija labai ilgą laiką. Saulėje vandenilis į helį daugiausia virsta protonų–protonų grandine. Laboratorijose tiriami kiti kurai ir plazmos sulaikymo būdai, tarp jų magnetiniai laukai ir labai greitas suspaudimas.
Temperatūra didina energingų susidūrimų tikimybę, tačiau reakcijos greitis priklauso ir nuo jonų skaičiaus bei nuo to, kiek laiko jų energija išlaikoma. Mažas tankis ir trumpas sulaikymo laikas gali panaikinti aukštos temperatūros pranašumą.