Термоя́дерные реа́кции, реакции между ядрами лёгких атомов, протекающие при температуре настолько высокой, что многие ядра могут преодолеть электростатическое отталкивание (кулоновский барьер) и сблизиться на расстояние действия ядерных сил. Для лёгких ядер энергетически выгодно слияние с образованием более тяжёлых ядер (ядерный синтез – ЯС). Однако такие ядра могут оказаться короткоживущими или распадаться при последующих соударениях. Кроме того, реакции ЯС могут с небольшой вероятностью протекать и в термодинамически неравновесных системах, а также при низких энергиях реагирующих ядер за счёт туннельного эффекта. При сверхвысокой плотности вещества возможны пикноядерные реакции за счёт нулевых колебаний ядер в узлах кристаллической решётки. Таким образом, реакции ЯС не сводятся исключительно к термоядерным реакциям. Реакции ЯС, происходящие при высоких температурах, называются термоядерным синтезом. В природе термоядерные реакции являются главным источником энергии звёзд и основой дозвёздных и звёздных процессов нуклеосинтеза. Термоядерные реакции служат физической основой управляемого термоядерного синтеза (УТС), рассматриваемого как перспективное направление энергетики будущего.

Основными термоядерными реакциями в звёздах массой меньше или порядка массы Солнца считаются реакции протон-протонного цикла, основу которого составляет ЯС с участием протонов. Эти реакции имеют малое сечение, поэтому маловероятны и реализуются лишь благодаря большому количеству звёздного вещества, удерживаемому собственной гравитацией звезды. В среднем по всем каналам водородного цикла с учётом электрон-позитронной аннигиляции можно считать тепловыделение $Q=26,73 МэВ.$ Скорость цикла определяется наиболее медленными реакциями слияния протонов, так что накопления промежуточных продуктов синтеза не происходит.

В звёздах большей массы при температуре более 18 млн К доминируют термоядерные реакции углеродно-азотного цикла, в результате которого также синтезируется гелий из водорода, а углерод служит катализатором процесса (Х. Бете, Нобелевская премия, 1967). Термоядерные реакции углеродно-азотного цикла могут идти с образованием различных промежуточных элементов и по разным каналам.

Физическую основу УТС составляют термоядерные реакции, имеющие наибольшее сечение, в первую очередь дейтерий-тритиевая (DT) реакция: $D+T→4He+n+17,6$ MэВ. Она эффективно протекает в плазме с температурой ⩾100 млн К, удовлетворяющей критерию Лоусона. Предполагается, что УТС на базе этой термоядерной реакции может быть осуществлён в установках токамак. Более высоких температур (⩾700 млн К) требует DD-реакция, для которой имеются практически неисчерпаемые ресурсы дешёвого горючего: $D+D→T+p+4,03$ МэВ или $→3He+n+3,27$ MэВ. Ещё более высокие температуры необходимы для экологически привлекательных безнейтронных реакций $D+3He→4He+p+18,3$ МэВ, $p+11B→ 34He+8,7$ МэВ, что сильно осложняет их реализацию. В земных условиях термоядерные реакции с положительным энерговыходом осуществлены пока лишь в термоядерном оружии.