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  核聚變將諸如氫原子核一類的較輕的原子核結合形成較重的原子核。原子核帶正電,故庫侖力會阻礙原子核的結合。克服庫侖勢壘需要大量的能量。輕核所帶的電荷少,因此它們聚變時需要克服的勢壘越小,釋放出的能量就越多。隨著原子核質量的增加到一個臨界點時,聚變反應所需克服的勢能大於反應放出的能量,即沒有淨能量產生。這一臨界點是鑷-62。  <unk>核與<unk>核是核聚變的最佳燃料。它們都是氫原子核的重同位素。由於中子與質子比相對較高,它們的勢壘也就較小。電中性的中子通過核力使得原子核中的核子緊密地結合在一起。<unk>核的中子與質子比(2箇中子,1個質子)是穩定原子核中最高的。增加質子或減少中子都會使得克服勢壘所需的能量變多。  一般條件下<unk>核與<unk>核的混合態不會產生持續的核聚變。由於核子之間的距離小於10fm才會有核力的作用,因此核子必須靠外部能量聚合在一起。就算在溫度極高,密度極大的太陽中心,平均每個質子要等待數十億年才能參與一次聚變。要使聚變能夠實際應用,原子核利用率必須大幅提升:溫度提升到10的8次方K,或施加極大的壓強。實現自持聚變反應並獲得能量增益的關於密度和壓強的必要條件就是慣性侷限融合。這一判據自1950年代氫彈爆炸成功而聞名,而在地球上實現慣性侷限融合十分困難。

  如果要進行核聚變反應,首先就必須提高物質的溫度,使原子核和電子分開,處於這種狀態的物質稱為「電漿」(plasma)。顧名思義,核力是一種非常強大的力量,而其力量所及的範圍僅止於10～10米左右,當質子和中子互相接近至此範圍時,核力就會發揮作用,因而發生核聚變反應。  但由於原子核帶正電,彼此間會互相排斥,所以很難使其彼此互相接近。若要克服其相斥的力量,就必須適當地控制電漿的溫度、密度和封閉時間〔維持時間〕,此三項條件缺一不可。由於提高物質的溫度可以使原子核劇烈轉動,因此溫度升高,密度變大,封閉的時間越長,彼此接近的機會越大。  由於電漿很快就會飛散開來,所以必須先將其封閉。用來使電漿封閉的方法有許多種,太陽內部是利用巨大重力使電漿封閉,而在地球上則必須採取別的方法,磁場的利用便是其中一種。當電漿帶電時,電荷被卷在磁力線上,因此只要製造出磁場,就能夠將電漿封閉,使它們懸浮在真空中。

  相較於核裂變發電,核聚變產生的核廢料半衰期極短(低管理成本、核洩漏時總危害較低、最多隻有一公里內需要撤退)、安全性也更高(不維持對核的約束便會停止反應)。如<unk>和<unk>之核融合反應,其原料可直接取自海水,來源幾乎取之不盡,因而是比較理想的能源取得方式。  核融合也是一種中子源,藉此可以觸發核分裂。利用中子源來觸發核分裂反應稱為次臨界核分裂,次臨界核分裂不但安全性接近核融合,且技術難度較核融合發電低(若是把核融合來當中子源觸發核分裂發電,技術需求也會比僅使用核融合的能量發電低),還可以處理核分裂發電造成的核廢料及過多的原子彈、讓這些核廢料的半衰期由數萬年縮短為數百年。  因此絕大多數的反核能發電社會運動,都不反對核融合發電。

  核融合程式於1932年由澳洲科學家馬克·奧利芬特所發現。隨後於1950年代早期,他在澳洲國立大學成立至今依舊活躍的電漿核融合研究機構(Australian Plasma Fusion Research Facility)。  目前人類已經可以實現不受控制的核聚變,如氫彈的爆炸;也可以觸發可控制核融合,只是輸入的能量大於輸出、或發生時間極短。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;而觸發核融合反應必須消耗能量(約1億度),因此人工核融合所產生的能量與觸發核融合的能量要到達一定的比例才能有經濟效應。科學家正努力研究如何控制核聚變,但是現在看來還有很長的路要走。目前主要的幾種可控制核聚變方式:鐳射約束(慣性約束)核聚變、磁約束核聚變(託卡馬克)。2019年11月,美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室正在進行一項等離子體線性實驗(PLX),旨在結合目前兩種核聚變方式之所長。  2005年,部分科學家相信已經成功做出小型的核聚變,並且得到初步驗證。首個實驗核聚變發電站將選址法國。  根據2014年2月12日英國科學期刊《自然》電子版,美國能源部所屬國家研究機構勞倫斯利福摩爾國家實驗室(英語:Lawrence Livermore National Laboratory)的研究團隊首次確認,使用高功率鐳射進行的核融合實驗,從燃料所釋放出來的能量,超出投入的能量。  2014年10月,洛克希德·馬丁宣佈發明小型核融合反應爐,100兆瓦特反應爐縮小至7x10英尺大小,於1年之內能進行測試,10年內能正式運轉。大部分科學家對此宣告表示懷疑,其小型反應爐與世上任何反應爐構造都不同。  目前正在建設世界上最大的實驗性託卡馬克反應爐為法國南部的國際熱核融合實驗反應爐,專家估計它將在2025年12月進行第一階段測試,若實驗成功,將協助第一批核融合發電廠在 2040年前投入執行,營運成本和核分裂反應爐相當。  2018年11月,中國科學院等離子體物理研究所宣佈在合肥綜合性國家科學中心的EAST磁約束核聚變實驗裝置實現一億度等離子體執行。  燃料中的<unk>是穩定同位素、可以由海水獲得,<unk>的半衰期短、但可以用中子撞擊鋰-6來獲得,氦-3可以是清潔核燃料,但地球的存量很少,必須要到月球或木星上透過宇宙採礦獲取。  D-T反應及D-D反應都會產生中子,而這會讓核融合設施帶有放射線,但這些核廢料比核分裂發電造成的好處理多了;而反應溫度更高的D-反應本身沒有產生中子,但因為反應物包含D,因此會附帶D-D反應、而產生中子;純的反應則只會產生質子、質子可以用電場處理、而且還可以用來直接發電(類似燃料電池的方法), + 反應的原料更好取得,但第三代核融合的技術難度又更高一截。
核聚變,又稱核融合、融合反應或聚變反應,是指將兩個較輕的核結合而形成一個較重的核和一個極輕的核(或粒子)的一種核反應形式。在此過程中,物質沒有守恆,因為有一部分正在聚變的原子核的物質被轉化為光子(能量)。核聚變是給活躍的或“主序的”恆星提供能量的過程。