يعتمد مفاعل نووي حراري تجريبي على تفاعل الاندماج الحراري للذرات، والذي يتطلب درجات حرارة وضغطًا عاليًا جدًا لتحقيقه. ويحتوي المفاعل النووي على مادة مشعة، مثل الديوتيريوم، ويتم تنشيط هذه المادة بواسطة إشعاعات نووية.
يتم زيادة درجة حرارة المادة المشعة بواسطة تعريضها لمصدر حراري خارجي، مثل ضوء الليزر أو مصدر حراري كهربائي. وعندما يصل الديوتيريوم إلى درجة حرارة كافية، يتم تحليله إلى بعض الأجزاء، ويتم الاندماج بين المكونات، وهو ما يولد الطاقة الحرارية الكافية لتسخين نظام الماء والبخار المرتبط بالمفاعل.
يتم جمع الطاقة الحرارية الناتجة من هذا التفاعل لتسخين الماء وإنتاج البخار الذي يتم استخدامه في دورات تحويل الطاقة الحرارية إلى الطاقة الكهربائية التي يتم استخدامها في الحياة اليومية. يستخدم هذا النوع من المفاعلات النووية الحرارية في الوقت الحالي بشكل تجريبي، ولكنه يقدم إمكانيات كبيرة لإنتاج الطاقة النووية النظيفة في المستقبل.