Lydymosi energija – tai energijos išgavimas iš ryšių tarp dalelių atomų branduoliuose, suliejant tuos branduolius. Norint gauti daugiausiai energijos, turi būti naudojami lengvieji elementai ir izotopai, tokie kaip vandenilis, deuteris, tritis ir helis, nors kiekvienas elementas, kurio atominis skaičius mažesnis nei geležies, susiliejęs gali gaminti grynąją energiją. Sintezija prieštarauja dalijimuisi – procesui, kurio metu energija generuojama skaidant sunkiuosius branduolius, tokius kaip uranas ar plutonis. Abi yra laikomos branduoline energija, tačiau dalijimasis yra lengvesnis ir geriau išvystytas. Visos dabartinės atominės elektrinės veikia skilimo energijos pagrindu, tačiau daugelis mokslininkų tikisi, kad branduolių sintezės energija pagrįsta elektrinė bus sukurta iki 2050 m.
Yra branduolinių bombų, pagrįstų tiek dalijimosi, tiek sintezės energija. Įprastos A-bombos yra pagrįstos dalijimu, o H-bombos arba vandenilio bombos yra pagrįstos sinteze. Sintezija efektyviau paverčia medžiagą energija, gamindama daugiau šilumos ir temperatūros, kai procesas nukreipiamas į grandininę reakciją. Taigi H-bombų našumas didesnis nei A-bombų, kai kuriais atvejais daugiau nei 5,000 kartų didesnis. H-bombos naudoja dalijimosi „stiprintuvą“, kad pasiektų reikiamą branduolių sintezei temperatūrą, kuri yra maždaug 20 milijonų laipsnių Kelvino. H-bomboje maždaug 1% reakcijos masės tiesiogiai paverčiama energija.
Sintezės energija, o ne dalijimasis, yra energija, kuri maitina Saulę ir gamina visą jos šilumą bei šviesą. Saulės centre maždaug 4.26 milijono tonų vandenilio per sekundę paverčiama energija, sukuriant 383 yottavatus (3.83 × 1026 W) arba 9.15 × 1010 megatonų TNT per sekundę. Tai skamba kaip daug, bet iš tikrųjų tai gana švelnu, atsižvelgiant į bendrą Saulės masę ir tūrį. Energijos gamybos greitis Saulės šerdyje yra tik apie 0.3 W/m3 (vatų kubiniame metre), daugiau nei milijoną kartų silpnesnis nei energijos gamyba, kuri vyksta elektros lemputės siūlelyje. Tik todėl, kad branduolys yra toks didžiulis, jo skersmuo prilygsta maždaug 20 žemių, jis generuoja tiek daug bendros energijos.
Keletą dešimtmečių mokslininkai stengėsi panaudoti sintezės energiją žmogaus poreikiams, tačiau tai sunku dėl aukštos temperatūros ir slėgio. Naudojant sintezės energiją, mažo rutulinio guolio dydžio kuro vienetas gali pagaminti tiek energijos, kiek ir benzino statinė. Deja, visi bandymai gaminti sintezės energiją nuo 2008 m. sunaudojo daugiau energijos nei pagamino. Yra du pagrindiniai būdai – naudoti magnetinį lauką, kad suspaustų plazmą iki kritinės temperatūros (magnetinio uždarymo suliejimas), arba paleisti lazerius į taikinį taip intensyviai, kad jie įkaitina jį virš kritinės sintezės slenksčio (inercinio uždarumo suliejimas). Abu šie metodai gavo didelį finansavimą: Nacionalinė uždegimo priemonė (NIF) bando sulieti inercinę izoliaciją ir pradėjo veikti 2010 m., o Tarptautinis termobranduolinis eksperimentinis reaktorius (ITER) bando sulieti magnetinę izoliaciją ir pradėjo veikti 2018 m.