Ядерная энергия может также выделяться в ходе реакций синтеза легких ядер. Этот метод производства энергии обладает многими преимуществами, и его привлекательность стимулировала проведение исследований и разработок во всем мире. МАГАТЭ поддерживает научные исследования в области термоядерной энергии с момента своего создания и оказывает государствам-членам помощь в обмене знаниями и накоплении знаний в области науки и технологий термоядерного синтеза.
Во всем мире достигнут впечатляющий прогресс в исследованиях в области термоядерного синтеза и физики плазмы. В последние годы были решены многие научные вопросы. Исследования в области управляемого термоядерного синтеза и физики плазмы в настоящее время осуществляются в более чем 50 государствах-членах МАГАТЭ. Задача доказать, что управляемый термоядерный синтез как источник энергии научно осуществим, является непростой. Поскольку для этого потребуются большие, сложные и дорогостоящие устройства, позволяющие решить связанные с реакторами физические и технологические проблемы, при проведении исследований и разработок в области управляемого термоядерного синтеза необходимо международное сотрудничество.
МАГАТЭ содействует развитию международного сотрудничества и координации с целью оказания помощи в устранении существующих пробелов в области физики, технологий и регулирования и в дальнейшем продвижения в развитии использования термоядерной энергии в мирных целях. Деятельность Агентства в этой области охватывает, наряду с прочим, физику плазмы и энергетику, технологии и материалы термоядерного синтеза как с магнитным, так и с инерционным удержанием плазмы.
Наиболее современным и масштабным в мире экспериментом в области управляемого термоядерного синтеза является проект международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР), в реализации которого участвуют семь международных участников (Индия, Китай, Южная Корея, Япония, Европейский союз, Российская Федерация и Соединенные Штаты Америки). ИТЭР, основанный на концепции токамака (устройства с удержанием плазмы с помощью магнитного поля), в настоящее время сооружается в Кадараше, Франция. Проект реактора предусматривает достижение уровня коэффициента выигрыша в мощности термоядерного реактора, по крайней мере равного 10, и номинальную мощность термоядерного реактора 500 мегаватт (МВт). На этом реакторе будут также испытаны важнейшие технологии, необходимые для термоядерного реактора.
Еще одной инициативой в области термоядерного синтеза является Международная установка по облучению материалов для термоядерного синтеза (ИФМИФ), которая представляет собой совместный проект Европейского союза и Японии, будет сооружена в Японии и, согласно планам, будет работать параллельно с ИТЭР. На ИФМИФ будут тестироваться и отбираться материалы, способные выдерживать экстремальные условия, возникающие при генерации нейтронов высоких энергий в будущих термоядерных реакторах.
Как ожидается, демонстрационная энергетическая установка (DEMO), в настоящее время находящаяся на этапе разработки, будет подключена к энергосети и станет вырабатывать электроэнергию с использованием управляемого термоядерного синтеза. DEMO станет прототипом промышленной электростанции, созданной на основе ИТЭР. Предполагается, что ее строительство будет проводиться в период эксплуатации ИТЭР и ИФМИФ. Для достижения целей установки DEMO ее линейные размеры должны превышать размеры установки ИТЭР примерно на 15 процентов, а плотность плазмы должна быть выше приблизительно на 30 процентов.
МАГАТЭ обеспечивает площадки для различных форумов по тематике управляемого термоядерного синтеза, включая двухгодичную конференцию по энергии термоядерного синтеза, серию семинаров-практикумов по проекту DEMO и многочисленные технические совещания. Оно также выпускает публикации по термоядерному синтезу, такие как журнал "Термоядерный синтез" и книга "Физика термоядерного синтеза"; создает сети учреждений и ученых для рассмотрения ключевых вопросов, представляющих общий интерес; ведет базы данных для сообщества специалистов в области термоядерного синтеза; и поддерживает учебно-образовательную работу в области термоядерного синтеза.