冷核聚变的失败或许损害了该领域的名声，但物理学家们自1932年以来一直成功地令原子核参与热核聚变。今天，热核聚变方面的研究可能带来清洁能源，同时又免于那些困扰裂变电站的问题。热核聚变电站不会熔化；它们不会产生长期、高放射性的废料；同时聚变燃料不可以轻易武器化。
国际热核聚变实验堆计划在实现聚变发电方面处于前沿。该项目的核心是一个托卡马克(受控热核反应装置)，这是一个控制聚变反应的环形容器。在这个容器中，磁场控制着氘和氚(氢的两种同位素)构成的等离子，而粒子流、放射波和微波将其加热到2.7亿华氏度，这是维持核聚变反应所需的温度。在反应过程中，氘和氚原子核熔化，产生氦和中子。在核聚变发电站中，这些高能中子将加热托卡马克中的一个装置，而这种高温将被用来让涡轮产生电力。
国际热核聚变实验堆的反应器将是有史以来最大的托卡马克，它能够产生500兆瓦的电力，与一座火电站的发电量相当。但国际热核实验反应器不会用来发电，它只是一个大型的物理实验，尽管它具有很高的潜在利益。只需千分之三十五盎司的氘-氚燃料就能够产生相当于2000加仑燃油所产生的能量。同时，该项目的高级科学官员理查德·皮茨说，其发电过程“天生安全”。“永远不会发生你在裂变界所看到的事情(切尔诺贝利或者福岛核事故)而这正是它如此具有吸引力的原因。”
国际热核聚变实验堆的磁体产生的磁场强度至少相当于电冰箱中磁体所产生磁场的1000倍。要将基于托卡马克的核聚变完全商业化，研究者必须克服几个挑战。首先是产生氚的问题；在任一特定时间，世界上只有约5 0磅的氚，因为它不会自然产生并且会迅速衰变。(氘不具备放射性，能够从水中提取。)尽管国际热核聚变实验堆可以使用核电站产生的氚，但一座完整规模的核聚变电站将需要自己产生所需的供给———聚变反应产生的中子可以用来将贮备的锂转化成氚。
此外，物理学家们还必须确定什么材料最能经受聚变反应的副产品，这些副产品会损耗托卡马克的容器壁。最后，设备中残余的放射物将造成维护方面的问题，因为人们无法在里面安全工作。国际热核聚变实验堆的科学家们必须开发出能够更换重达10吨的部件的机器人。
国际热核聚变实验堆将于2019年在法国开始试验。如果试验成功，该项目获得的数据将帮助国际热核聚变实验堆研究团队设计一个将在2040年前建成的、2000兆瓦至4000兆瓦的示范性核聚变电站。
