定義
太陽的能量來自它中心的熱核聚變比核子彈威力更大的核武器—氫彈，就是利用核聚變來發揮作用的。核聚變的過程與核裂變相反，是幾個原子核聚合成一個原子核的過程。只有較輕的原子核才能發生核聚變，比如氫的同位素氘（dao）、氚（chuan）等。核聚變也會放出巨大的能量，而且比核裂變放出的能量更大。太陽內部連續進行著氫聚變成氦過程，它的光和熱就是由核聚變產生的。
相比核裂變，核聚變幾乎不會帶來放射性污染等環境問題，而且其原料可直接取自海水中的氘，來源幾乎取之不盡，是理想的能源方式。
人類已經可以實現不受控制的核聚變，如氫彈的爆炸。但是要想能量可被人類有效利用，必須能夠合理的控制核聚變的速度和規模，實現持續、平穩的能量輸出。科學家正努力研究如何控制核聚變。
起源
核聚變程式於1932年由澳洲科學家馬克·歐力峰（英語：MarkOliphant）所發現。隨後於1950年代早期，他在澳洲國立大學（ANU）成立了電漿核聚變研究機構（FusionPlasmaResearch）。
原理
核聚變簡單的來說其原理就是愛因斯坦質能方程E=mc2 。
原子核發生聚變時，有一部分質量轉化為能量釋放出來。 只要微量的質量就可以轉化成很大的能量。
兩個輕的原子核相碰，可以形成一個原子核並釋放出能量，這就是聚變反應，在這種反應中所釋放的能量稱聚變能。聚變能是核能利用的又一重要途徑。
核聚變能利用的燃料是氘（D）和氚。氘在海水中大量存在。海水中大約每600個氫原子中就有一個氘原子，海水中氘的總量約40萬億噸。每升海水中所含的氘完全聚變所釋放的聚變能相當於300升汽油燃料的能量。按目前世界消耗的能量計算，海水中氘的聚變能可用幾百億年。氚可以有鋰製造。鋰主要有鋰-6和鋰-7兩種同位素。鋰-6吸收一個熱中子後，可以變成氚並放出能量。鋰-7要吸收快中子才能變成氚。地球上鋰的儲量雖比氘少得多，也有兩千多億噸。用它來製造氚，足夠用到人類使用氘、氘聚變的年代。因此，核聚變能是一種取之不盡用之不竭的新能源。
典型的聚變反應是
41 1H—→4 2He+20-1e+2.67×107 eV
2 1H+2 1H—→3 2He+10n+3.2×106 eV
2 1H+2 1H—→3 1H+1 1H+4×106 eV
3 1H+2 1H—→4 2He+10n+1.76×107 eV
後三個反應的淨反應是
52 1H—→4 2He+3 2He+1 1H+210n+2.48×107 eV
即每5個2 1H聚變後放出2.48×107 eV能量。
要使原子核之間發生聚變，必須使它們接近到飛米級。要達到這個距離，就要使核具有很大的動能，以克服電荷間極大的斥力。要使核具有足夠的動能，必須把它們加熱到很高的溫度（幾百萬攝氏度以上）。因此，核聚變反應又叫熱核反應。核子彈爆炸產生的高溫可引起熱核反應，氫彈就是這樣爆炸的。
受控核聚變是等離子態的原子核在高溫下有控制地發生大量原子核聚變的反應，同時釋放出能量。氘是最重要的聚變燃料，海洋是氘的潛在來源，氫彈爆炸釋放出來的大量聚變能、核子彈爆炸釋放出來的大量裂變能，都是不可控制的。在第一顆核子彈爆炸後僅十多年，人們就找到控制裂變反應的辦法，並建成了裂變電站。原以為氫彈炸爆後能建成聚變電站，但並不如此簡單，即使在地球條件下能發生的聚變反應：
3 1H+2 1H—→4 2He+10n+1.76×107 eV
也只能在極高的溫度（＞4000℃）和足夠大的碰撞幾率條件下，才能大量發生。因此實際可作為能源使用的受控熱核聚變反應，必須在產生並加熱電漿到億萬攝氏度高溫的同時，還要有效約束這一高溫電漿。這就是近幾十年內研究的難題和期望攻克的目標。中國的中科院物理所、中科院等離子物理所、西南物理研究院在實驗工程和理論研究各方面都做了許多的工作，也取得了許多重要的進展。
另一定義
比核子彈威力更大的核武器—氫彈，就是利用核聚變來發揮作用的。核聚變的過程與核裂變相反，是幾個原子核聚合成一個原子核的過程。只有較輕的原子核才能發生核聚變，比如氫的同位素氘（dāo）、氚（chuān）等。核聚變也會放出巨大的能量，而且比核裂變放出的能量更大。太陽內部連續進行著氫聚變成氦過程，它的光和熱就是由核聚變產生的。核聚變能釋放出巨大的能量，但人們只能在氫彈爆炸的一瞬間實現非受控的人工核聚變。而要利用人工核聚變產生的巨大能量為人類服務，就必須使核聚變在人們的控制下進行，這就是受控核聚變。
實現受控核聚變具有極其誘人的前景。不僅因為核聚變能放出巨大的能量，而且由於核聚變所需的原料——氫的同位素氘可以從海水中提取。經過計算，1升海水中提取出的氘進行核聚變放出的能量相當於300升汽油燃燒釋放的能量。全世界的海水幾乎是“取之不盡”的，因此受控核聚變的研究成功會使人類擺脫能源危機的困擾。
但是人們還不能進行受控核聚變，這主要是因為進行核聚變需要的條件非常苛刻。發生核聚變需要在1億度的高溫下才能進行，因此又叫熱核反應。可以想像，沒有什麼材料能經受得起1億度的高溫。此外還有許多難以想像的困難需要去克服。儘管存在著許多困難，人們經過不斷研究已取得了可喜的進展。科學家們設計了許多巧妙的方法，如用強大的磁場來約束反應，用強大的雷射來加熱原子等。可以，人們最終會掌握控制核聚變的方法，讓核聚變為人類服務。
國際熱核聚變實驗反應堆利用核能的最終目標是要實現受控核聚變。裂變時靠原子核分裂而釋出能量。聚變時則由較輕的原子核聚合成較重的原子核而釋出能量。最常見的是由氫的同位素氘（讀"刀"，又叫重氫）和氚（讀"川"，又叫超重氫）聚合成較重的原子核如氦而釋出能量。核聚變較之核裂變有兩個重大優點。
一是地球上蘊藏的核聚變能遠比核裂變能豐富得多。據測算，每升海水中大約含有0.03克氘，所以地球上僅在海水中就大約有45萬億噸氘。計算得出，1升海水中所含的氘，經過核聚變可提供差不多相當於300升汽油燃燒後釋放出的能量。地球上蘊藏的核聚變能約為蘊藏的可進行核裂變元素所能釋出的全部核裂變能的1000萬倍，可以說是取之不竭，用之不盡的能源。至於氚，雖然自然界中不存在，但靠中子同鋰作用可以產生，而海水中也含有大量鋰。
二是核聚變既乾淨又安全。因為它不會產生污染環境的放射性物質，所以是乾淨的。同時受控核聚變反應可在稀薄的氣體中持續地穩定進行，所以是安全的。
三是核聚變釋放的能量比核裂變更大。
實現核聚變已有不少方法。最早的著名方法是"托卡馬克"型磁場約束法。它是利用通過強大電流所產生的強大磁場，把電漿約束在很小範圍內以實現上述三個條件。雖然在實驗室條件下已接近於成功，但要達到工業套用還差得遠。要建立托卡馬克型核聚變裝置，需要幾千億美元。
另一種實現核聚變的方法是慣性約束法。慣性約束核聚變是把幾毫克的氘和氚的混合氣體或固體，裝入直徑約幾毫米的小球內。從外面均勻射入雷射束或粒子束，球面因吸收能量而向外蒸發，受它的反作用，球面內層向內擠壓（反作用力是一種慣性力，靠它使氣體約束，所以稱為慣性約束），就像噴氣飛機氣體往後噴而推動飛機前飛一樣，小球內氣體受擠壓而壓力升高，並伴隨著溫度的急劇升高。當溫度達到所需要的點火溫度（大概需要幾十億度）時，小球內氣體便發生爆炸，並產生大量熱能。這種爆炸過程時間很短，只有幾個皮秒（1皮等於1萬億分之一）。如每秒鐘發生三四次這樣的爆炸並且連續不斷地進行下去，所釋放出的能量就相當於百萬千瓦級的發電站。
原理上雖然就這么簡單，但是現有的雷射束或粒子束所能達到的功率，離需要的還差幾十倍、甚至幾百倍，加上其他種種技術上的問題，使慣性約束核聚變仍是可望而不可及的。
儘管實現受控熱核聚變仍有漫長艱難的路程需要大家征服，但其美好前景的巨大誘惑力，正吸引著各國科學家在奮力攀登。
控制方法
核聚變能釋放出巨大的能量，但人們只能在氫彈爆炸的一瞬間實現非受控的人工核聚變。而要利用人工核聚變產生的巨大能量為人類服務，就必須使核聚變在人們的控制下進行，這就是受控核聚變。
實現受控核聚變不僅因為核聚變能放出巨大的能量，而且由於核聚變所需的原料——氫的同位素氘可以從海水中提取。經過計算，1升海水中提取出的氘進行核聚變放出的能量相當於100升汽油燃燒釋放的能量。全世界的海水幾乎是“取之不盡”的，因此受控核聚變的研究成功將使人類擺脫能源危機的困擾。
但是人們現在還不能進行受控核聚變，這主要是因為進行核聚變需要的條件非常苛刻。發生核聚變需要在1億度的高溫下才能進行，因此又叫熱核反應。可以想像，沒有什麼材料能經受得起1億度的高溫。此外還有許多難以想像的困難需要去克服。儘管存在著許多困難，人們經過不斷研究已取得了一定的進展。科學家們設計了許多方法，如用強大的磁場來約束反應，用強大的雷射來加熱原子等。可以預計，人們最終將掌握控制核聚變的方法，讓核聚變為人類服務。
主要的幾種可控核聚變方式：
1、超音波核聚變
2、雷射約束（慣性約束）核聚變： 慣性約束核聚變是把幾毫克的氘和氚的混合氣體或固體，裝入直徑約幾毫米的小球內。從外面均勻射入雷射束或粒子束，球面因吸收能量而向外蒸發，受它的反作用，球面內層向內擠壓（反作用力是一種慣性力，靠它使氣體約束，所以稱為慣性約束），就像噴氣飛機氣體往後噴而推動飛機前飛一樣，小球內氣體受擠壓而壓力升高，並伴隨著溫度的急劇升高。當溫度達到所需要的點火溫度（大概需要幾十億度）時，小球內氣體便發生爆炸，並產生大量熱能。這種爆炸過程時間很短，只有幾個皮秒（1皮等於1萬億分之一）。如每秒鐘發生三四次這樣的爆炸並且連續不斷地進行下去，所釋放出的能量就相當於百萬千瓦級的發電站。
3、磁約束核聚變（托卡馬克）：它是利用通過強大電流所產生的強大磁場，把電漿約束在很小範圍內以實現上述三個條件。雖然在實驗室條件下已接近於成功，但要達到工業套用還差得遠。按照目前技術水平，要建立托卡馬克型核聚變裝置，需要幾千億美元。
核能利用
利用核能的最終目標是要實現受控核聚變。裂變時靠原子核分裂而釋出能量。聚變時則由較輕的原子核聚合成較重的較重的原子核而釋出能量。最常見的是由氫的同位素氘（又叫重氫）和氚（又叫超重氫）聚合成較重的原子核如氦而釋出能量。核聚變較之核裂變有以下幾個重大優點。
一是地球上蘊藏的核聚變能遠比核裂變能豐富得多。據測算，在海水中氘和氫之比為1.5×10-4∶1，地球上海水總量約為1018噸，其中蘊藏著大量的氘，提煉氘比提煉鈾容易得多。每升海水中含有0.03克氘，所以地球上僅在海水中就有45萬億噸氘。1升海水中所含的氘，經過核聚變可提供相當於300升汽油燃燒後釋放出的能量。地球上蘊藏的核聚變能約為蘊藏的可進行核裂變元素所能釋出的全部核裂變能的1000萬倍。至於氚，雖然自然界中不存在，但靠中子同鋰作用可以產生，而海水中也含有大量鋰。
第二個優點是既乾淨又安全。因為它不會產生污染環境的放射性物質，所以是乾淨的。同時受控核聚變反應可在稀薄的氣體中持續地穩定進行，所以是安全的。
套用
發生條件
產生可控核聚變需要的條件非常苛刻。大家的太陽就是靠核聚變反應來給太陽系帶來光和熱，其中心溫度達到1500萬攝氏度，另外還有巨大的壓力能使核聚變正常反應，而地球上沒辦法獲得巨大的壓力，只能通過提高溫度來彌補，不過這樣一來溫度要到上億度才行。核聚變如此高的溫度沒有一種固體物質能夠承受，只能靠強大的磁場來約束。由此產生了磁約束核聚變。對於慣性核聚變，核反應點火也成為問題。不過在2010年2月6日，美國利用高能雷射實現核聚變點火所需條件。中國也有“神光2”將為中國的核聚變進行點火。
反應裝置
歐洲聯營環形托卡馬克裝置可行性較大的可控核聚變反應裝置是托卡馬克裝置。托卡馬克是一種利用磁約束來實現受控核聚變的環性容器。它的名字Tokamak來源於環形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnit)、線圈(kotushka)。最初是由位於蘇聯莫斯科的庫爾恰托夫研究所的阿齊莫維齊等人在20世紀50年代發明的。托卡馬克的中央是一個環形的真空室，外面纏繞著線圈。在通電的時候托卡馬克的內部會產生巨大的螺鏇型磁場，把其中的電漿加熱到很高的溫度，以達到核聚變的目的。
中國也有兩座核聚變實驗裝置。
核聚變發電
核聚變發電是21世紀正在研究中的重要技術，主要是把聚變燃料加熱到1億度以上高溫，讓它產生核聚變，然後利用熱能。
核武器
利用核聚變原理，製作氫彈。
優劣勢
優勢
（1）核聚變釋放的能量比核裂變更大（2）無高端核廢料，可不對環境構成大的污染
（3）燃料供應充足，地球上重氫有10萬億噸（每1升海水中含30毫克氘，而30毫克氘聚變產生的能量相當於300升汽油）
核聚變能利用的燃料是氘（D）和氚。氘在海水中大量存在。海水中大約每6500個氫原子中就有一個氘原子，海水中氘的總量約45萬億噸。每升海水中所含的氘完全聚變所釋放的聚變能相當於300升汽油燃料的能量。按世界消耗的能量計算，海水中氘的聚變能可用幾百億年。氚可以由鋰製造。鋰主要有鋰-6和鋰-7兩種同位素。鋰-6吸收一個熱中子後，可以變成氚並放出能量。鋰-7要吸收快中子才能變成氚。地球上鋰的儲量雖比氘少得多，也有兩千多億噸。用它來製造氚，足夠用到人類使用氘、氘聚變的年代。因此，核聚變能是一種取之不盡用之不竭的新能源。
在可以預見的地球上人類生存的時間內，水的氘，足以滿足人類未來幾十億年對能源的需要。從這個意義上說，地球上的聚變燃料，對於滿足未來的需要說來，是無限豐富的，聚變能源的開發，將“一勞永逸”地解決人類的能源需要。六十多年來科學家們不懈的努力，已在這方面為人類展現出美好的前景。
氘是相當豐富的氫同位素，在海洋中每6500個氫原子就有1個氘原子，這意味著海洋是極大量氘的潛在來源。僅在1L海水中就有1.03×10^22個氘原子，就是說每1Km^3海水中氘原子所具有的潛在能量相當於燃燒13600億桶原油的能量，這個數字約為地球上蘊藏的石油總儲量。經過計算，1升海水中提取出的氘進行核聚變放出的能量相當於300升汽油燃燒釋放的能量。
劣勢
反應要求與技術要求極高。從理論上看，用核聚變提供部分能源，是非常有益的。但人類還沒有辦法，對它們進行較好的利用。
（對於核裂變，由於原料鈾的儲量不多，政治干涉很大，放射性與危險性大，核裂變的優勢無法完全利用。截至2006年，核能（核裂變能）發電占世界總電力約15%。說明了核裂變的套用的規模之大，更能說明優勢比核裂變更大的核聚變能源前景更加光明。科學家們估計，到2025年以後，核聚變發電廠才有可能投入商業運營。2050年前後，受控核聚變發電將廣泛造福人類。
研究進展
EAST全超導非圓截面核聚變實驗裝置中國新一代熱核聚變裝置EAST2010年9月28日首次成功完成了放電實驗，獲得電流200千安、時間接近3秒的高溫電漿放電。
負責這一項目的中國科學院電漿所所長李建剛研究員說，此次實驗實現了裝置內部1億度高溫，電漿建立、圓截面放電等各階段的物理實驗，達到了預期效果。
EAST裝置是中國耗時8年、耗資2億元人民幣自主設計、自主建造而成的。
國際熱核聚變實驗堆裝置示意圖美、法等國在20世紀80年代中期發起了耗資46億歐元的國際熱核實驗反應堆（ITER）計畫，旨在建立世界上第一個受控熱核聚變實驗反應堆，為人類輸送巨大的清潔能量。這一過程與太陽產生能量的過程類似，因此受控熱核聚變實驗裝置也被俗稱為“人造太陽”。
中國於2003年加入ITER計畫。位於安徽合肥的中科院電漿所是這個國際科技合作計畫的國內主要承擔單位，其研究建設的EAST裝置穩定放電能力為創記錄的1000秒，超過世界上所有正在建設的同類裝置。
EAST大科學工程總經理萬元熙教授說，與ITER相比，EAST在規模上小很多，但兩者都是全超導非圓截面托卡馬克，即兩者的電漿位形及主要的工程技術基礎是相似的，而EAST至少比ITER早投入實驗運行10至15年。
從長遠來看，核能將是繼石油、煤和天然氣之後的主要能源，人類將從“石油文明”走向“核能文明”。
聚變意義
到下世紀中葉，世界的人口會達到雙倍，並且能源需求達到三倍。這很大程度上是由於開發中國家的工業化和經濟成長。繼續使用化石燃料（煤，石油和天然氣）會迅速耗盡這些有限的局部的自然資源。這裡，也許，還有50-100年的石油和天然氣供應，和足夠用幾百年的煤。燃燒這些化石燃料造成不可挽回的環境危害。
另一方面，地球海洋中的氘，使用先進的核聚變反應堆會是充足的燃料，供大家使用數百萬年。氚-氘核聚變反應堆的廢料普通的無害的氦元素。
太陽能和可再生能源科技會扮演者一定的角色在大家未來的能源中。雖然它們有固有的安全性和無限制燃料供應的特點，但它們有地理上的限制，氣候依賴和世界上的人口和工業化不可見的能源需求。
另一個選擇，核裂變，正遭受著一個消極的公共觀點。高放射性廢物處置，和武器級核材料的擴散威脅是主要關切的。在當前的燃料供應下，鈾，很多，但是最終還是有限的使用數百年。
成功的核聚變技術的前景，另一方面講，有希望成為實際上無限能源，且只有非常小的危險。磁約束裝置的輻射很容易防護，並且（不像裂變鈾燃料發電廠），如果發生了意外，磁約束被破壞，反應會立即停止。核聚變確實看上去可能成為未來的能量來源。
終極目標
據國外媒體報導，美國宇航局科學任務理事會副主任約翰·格倫斯菲爾德認為人類必須研製出核聚變動力的火箭，傳統的化學能火箭不適合進行星際旅行，即便是在太陽系之內的行星際飛行，核動力火箭將提供更快的速度和強大的能量源，也可以解決登入其他行星時所遇到的能源問題。核聚變火箭將大大縮短深空飛行的時間，為人類充分探索和利用太陽系開闢道路，美國宇航局目前正在研製核動力火箭動力系統，此類發動機將是下一個重大的科技飛躍，可以想像，如果我們能在一兩個月之內前往土星，那將是多么美妙的情景。
傳統的火箭發動機可分為固態和液體發動機，固體火箭發動機的燃料為固態，其特點為維護簡單，結構較輕，適合於質量較小的推力要求，用於中小型火箭。液體火箭發動機的燃料以液態為主，比如太空梭使用液態氫和液態氧作為動力，可快速燃料釋放強大能量。適用於大型火箭，比沖明顯優於固態火箭發動機，但液體火箭發動機結構較為複雜，加注燃料和維護更換都具有一定危險性。發射升空的長征2F型火箭是典型的液態燃料火箭，四個捆綁式助推器、芯一級和芯二級都採用了液體火箭發動機。
有些運載火箭則使用固態和液態發動機作為混合動力，比如阿麗亞娜五型ES火箭，就使用了固態助推火箭，太空梭也使用了固體火箭助推器。美國宇航局的專家認為，傳統的化學能火箭可以讓人類抵達遙遠的太陽邊緣，但是需要花費更多的時間，比如往返火星的探索之旅，美國宇航局計畫表中提到的時間為2030年代中期，需要花費大約500天的時間，如果我們能加快飛行速度，並配合有效的減速發動機，就可以減少太空人在空間飛行中受到的輻射劑量，較短的旅程也可以節省食物和水。
美國宇航局和世界各地的研究機構正在研發先進的宇宙飛船推進技術，其中包括只在科幻小說中才能耳聞的“曲速推進”發動機，物質和反物質動力系統等，雖然這些動力系統對現有的航天科技而言顯得遙不可及，但是在這個探索過程中可能會有其他重大的發現。除了核動力發動機外，太陽帆技術似乎是目前最容易實現的航天動力，美國宇航局和日本空間機構已經測試了空間太陽帆技術，但空間太陽帆為動力的飛船可能只適合超遠距離的空間飛行，其加速過程較為緩慢。
科學家認為核動力火箭是未來一段時間可實現新型宇航動力，而核聚變技術用於宇宙飛船可能還需要很長的路要走，還沒有成熟的可控核聚變反應堆，使用核裂變技術研發動力系統或許也是一個途徑。美國宇航局先進概念研究所提出了幾種核聚變發動機的方案，根據華盛頓大學的科學家計算，使用核聚變技術可大大縮短火星之旅的時間，我們可以在一個月之內將太空人送上火星，比500天的時間還少很多。
儘管過去幾十年內科學家已經投入了大量資金研發可控核聚變技術，但依然沒有製造出實用化的聚變堆，更不用說短期內作為宇宙飛船的動力系統，格倫斯菲爾德認為核聚變技術是未來三十年內需要有所突破的宇航動力，人類要想進入更遙遠的宇宙深空，動力系統需要進行革命性地突破，地球上的可控核聚變研究應該加快腳步，然後開始測試空間核聚變動力。
在第36屆推進器大會上，美國宇航局就提出了核動力火箭技術，只需一次發射就可以完成太陽系內側行星的探索。1946年，美國宇航局與美國空軍聯合開展了NERVA
計畫以及Rover計畫，試圖打造出核動力推進技術，NERVA
發動機包括反應器、渦輪泵以及推進劑存儲設備等；蘇聯研究人員在上個世紀50年代計畫在飛行器上安裝四台核動力渦輪發動機，這些核動力技術都是基於核裂變技術，在這方面我們有著較為成熟的技術。
常見的核裂變技術發動機包括核脈衝火箭、核電火箭、核熱火箭以及核衝壓火箭等，以核熱火箭為例，其反應堆結構比陸基核電站的規模要小很多，鈾-235的純度要求更高，達到90%以上，在高比衝要求下，發動機核心溫度將達到3000K左右，需要耐高溫性能極佳的材料。核動力技術用於太空環境時，也會面臨核輻射的危險，如果克服這些困難，那么在核聚變發動機無法實現的前提下，核裂變發動機技術也能為太陽系內的探索服務，甚至可進行無人飛船前往遙遠太陽系外的星際之旅，還可帶來強大續航力，這是傳統化學能發動機所不能比擬的！
行業動態
英國13歲國小生在學校實驗室實現核聚變
傑米·愛德華茲2014年3月，英國一名13歲的國小生宣布自己在學校實驗室實現了核聚變，他表示他用氘聚變氦的過程中檢測到了中子，證明聚變成功，他也因此成為世界上實現聚變的最年輕的人。
