Tieto jadrové elektrárne budú v budúcnosti využívať energiu, ktorá sa uvoľňuje pri fúzii (zlučovaní, skladaní, syntéze) jadier niektorých izotopov ľahkých prvkov. Príkladom takejto termojadrovej reakcie je syntéza vodíkových jadier, ktorá je rozhodujúcim zdrojom energie Slnka a podobných hviezd vo Vesmíre.

Z fyzikálneho hľadiska ide teda "opačný" proces než je tomu pri známejšom štiepení jadier ťažkých prvkov. Budúce elektrárne, ktoré by mohli využívať termojadrovú syntézu ako zdroj energie na výrobu elektrickej energie, sú v súčasnosti v štádiu výskumu použitia známych fyzikálnych princípov v možných technických riešeniach predpokladanej budúcej prevádzky. Doteraz nie sú uspokojivo vyriešené napr. problémy efektívneho udržania fúznej reakcie (vyžaduje extrémne vysoké tlaky a teploty), odvodu tepla a jeho kontinuálneho využitia a pod. Na to, aby sa postavila prvá elektráreň tohoto druhu, bude treba ešte pravdepodobne najmenej desať až dvadsať rokov intenzívnym výskumných a vývojových prác.