Als Kernfusion (von lat. fusio „das Schmelzen“) bezeichnet man in der Physik die Verschmelzung zweier Atomkerne. Ist die Kernbindungsenergie pro Nukleon im Produktkern größer als in den beiden ursprünglichen Kernen, wird dabei Energie frei.
Die Kernfusion ist die Energiequelle der Sterne, also auch der Sonne und damit der meisten biologischen und meteorologlischen Vorgänge auf der Erde. Im einzelnen sind die Kernreaktionen, über in der Sonne Atomkerne fusionieren, ziemlich kompliziert. Die beiden wesentlichen Prozesse verschmelzen, teilweise unter Beteiligung anderer Kerne, Wasserstoff zu Helium. Dabei werden auch Gammastrahlung, Elektronen bzw. Positronen und Neutrinos frei. In Sternen, die deutlich mehr Masse als die Sonne besitzen, entstehen durch Fusion schwerere Elemente bis hin zum Eisen, in sog. Supernovaexplosionen alle übrigen Elemente bis Uran und Plutonium.
Die technische Nutzung der Kernfusion wird seit vielen Jahrzehnten erforscht, ohne dass ein wirklicher Durchbruch gelungen wäre. Derzeit befindet sich in Südfrankreich ein internationaler Versuchs-Funsionsreaktor in Bau, an dem in den 2020er oder 2030er Jahren die grundsätzliche Möglichkeit einer technischen Nutzung demonstriert werden soll. Das Hauptproblem besteht darin, Wasserstoff-, Helium- oder Lithium-Kerne so eng zusammenzubringen, dass die kurzreichweitige anziehende Kernkraft die elektrostatische Abstoßung überwiegt. Ein Ansatz besteht darin, in einem geeigneten Magnetfeld ein Plasma so stark zu erhitzen (mehrere Millionen Grad entsprechend dem Sonneninneren), dass die Wärmeenergie ausreicht, um Fusionsreaktionen zu starten. Alternativ kann der Fusionsbrennstoff auch durch einen gezielten Beschuss mit Höchstleistungslasern entsprechend verdichtet werden.
Die unkontrollierte Zündung von Fusionsreaktionen gelang schon kurz nach dem Zweiten Weltkrieg in der sog. Wasserstoffbombe (H-Bombe). Dabei dient die nach innen gerichtete Explosion einer kugelschalenförmigen Kernspaltungswaffe („Atombombe“) dazu, Fusionsbrennstoff kurzfristig so stark zu verdichten, dass es zur Fusion kommt. Die Explosion einer Wasserstoffbombe ist bis zu 1000-mal energiereicher als die einer Kernspaltungswaffe und millionenfach stärker als chemische Sprengsätze.