核聚變（Nuclear fusion）是輕原子核聚合成較重原子核的核反應。一般核聚變過程中，兩個或兩個以上能量足夠高的輕原子核，通常是核、核（氫的同位素核），克服了由于都帶正電荷而存在的相互之間的庫侖斥力，將距離縮短到核力作用范圍，在核力的作用下形成重原子核，并產生中子或質子，釋放能量。
核聚變可以釋放能量是科學家阿斯頓（F.W.Aston）于年發現的。1932年馬克·奧利芬特（Mark Oliphant）第一個在實驗室完成了氫同位素的聚變。1952年11月1日，基于熱核聚變的首枚氫彈實驗成功。1958年的第二次和平利用原子能國際會議，各國將研究成果解密，公布了一批理論和實驗結果，開始更密切的國際合作。
核聚變能源具有能量密度高、儲量豐富、相對清潔、具有內在安全性等優點，核聚變是一個很重要的潛在能源。
常見核聚變反應有太陽和恒星上的核聚變、氫彈爆炸等。受控熱核聚變尚在研究中。
發展歷程
探索歷程
1919年，科學家阿斯頓（F.W.Aston）發現了核聚變可以釋放出能量。歐內斯特·盧瑟福（L.Rutherford）證明了輕元素以足夠能量相碰撞就有可能產生核反應。
1920年，亞瑟·埃丁頓（Eddington）提出氫氦聚變可能是恒星能量的主要來源。
1929年，阿特金森(R.Atkinson)和奧特邁斯(F.Houtermans)從理論上計算了氫原子在幾千萬度高溫下聚變成氦的可能性，并認為太陽上進行的可能就是這種核聚變反應。
1932年馬克.奧利芬特（Mark Oliphant）第一個在實驗室完成了氫同位素的聚變。
1934年，奧立芬特(Mark Oliphant)發現了第一個D-T核聚變反應。
1938年，分別由德國出生的美國物理學家貝特（H.A.Bethe)和德國天文學家茨澤克（F.V.Wetabckor）各自獨立發現聚變反應或稱為“熱核反應“。
1942年，斯圖亞特·施萊伯（Schreiber）和金(King)在美國普渡大學第一次實現了D-T核聚變反應。
第二次世界大戰的結束和曼哈頓計劃（原子彈爆炸）的成功實施，人們對原子物理和核聚變的興趣與日俱增。
1952年11月1日，基于熱核聚變的首枚氫彈實驗成功。
受控核聚變發展歷程
1951年，阿根廷的Ronald Richter認真提出了用核聚變方法來得到能量。
20世紀50年代，歐美各主要國家開始著手進行磁約核聚變的相關研究。一些可控聚變的概念及相應的實驗裝置如仿星器、縮裝置和磁鏡裝置等相繼被提出。但上述裝置的性能不是很理想，如在箍縮裝置上，等離子體僅能維持幾個微秒。
與此同時，蘇聯也在進行受控磁約束的探索。物理學家塔姆（Tamm）和薩哈羅夫（Sakharov）認為，將環形等離子體中感應電流產生的極向磁場跟外部環向磁場結合起來，可以實現維持等離子體平衡的位形，并提出了實現磁約束容器的裝置托卡馬克（Tokamak）。
1954年，第一個托卡馬克裝置在蘇聯庫爾恰托夫核能研究所建成，并在這個裝置上實現了聚變反應，但其產生的能量極微，放電時間僅維持了，隨后研究人員對裝置進行了改進，整體性能有了很大的提高。
1958年的第二次和平利用原子能國際會議，各國將研究成果解密，公布了一批理論和實驗結果，開始更密切的國際合作。
60年代后期，俄羅斯科學家在Tokamak上克服等離子體的宏觀穩定性上取得顯著進展。磁約束聚變包括托卡馬克、磁鏡、仿埽器、箍縮等多種研究途徑，其中托卡馬克途徑在技術上最成熟，進展也最快，逐漸顯示出其獨特優勢，成為磁約束核聚變研究的主流。
1976年，美國、蘇聯倡議在的框架下由美國、歐洲、日本及俄羅斯工體建造（International Tokamak Experimental Reactor，國際托卡馬克實驗反應堆）。這是一個巨大的科學計劃，目標是驗證工程可行性。
中國核聚變研究歷程
70年代以來，中國在一系列中、小裝置(、、、、、等)上取得大量研究成果。
90年代，中國建成了超導托卡馬克。中國成為少數擁有超導設備的國家。下一代裝置大型超導托卡馬克列入國家“九五“重大科學工程項目。
1987年“聚變-裂變混合堆項目”正式列入中國“國家高技術研究發展計劃”，由于諸多原因，在2000年中止。
2003年1月，中國正式加入計劃協商。
原理
核聚變是輕核子克服庫侖斥力，后在核力吸引下聚合形成重核子的一個過程，一般過程中發生質量虧損，放出能量。
核聚變原理
存在著穩定的原子核這一事實表明，核子和核子之間有很強的作用力，稱為核力，核力的作用距離很短，是短程力，大約是。核力是短程的強相互作用力，所起的作用主要是吸引。原子核都帶正電，它們之間有庫侖力作用，庫侖力是長程力，表現為斥力。
現在基于核子的原子核結構理論仍不成熟，對核力的性質了解仍不夠。但是可以知道核聚變的過程是輕原子核克服庫侖力，到達核力作用范圍形成重原子核的一個過程。
核聚變屬于核反應的一種，大量實驗表明，反應過程中遵守以下幾個守恒定律：電荷守恒，質量數守恒，能量守恒，動量守恒，角動量守恒，宇稱守恒。
辨析：核聚變反應有反應物也有生成物，但不是化學反應。因為原子是化學變化中的最小微粒，化學方程式的反應物和生成物是原子分子，而不是原子核。例如核聚變反應，反應式左邊為氘核和氚核，右邊為氦核、中子和能量。
核聚變放能原理
質量虧損
不同原子核由不同數目的中子和質子所組成，中子和質子統稱為核子。實驗表明，原子核的質量小于組成它的質子中子的質量之和。通常把這差值稱為質量虧損。式中是核質量數，是核電核數,、和分別是質子、中子和原子核的質量。根據愛因斯坦相對論的質能關系，我們可知，彼此分離的核子（即單個質子或單個中子）形成原子核所放出的能量為我們把這個能量定義為原子的結合能。
比結合能
不同核素原子核含有的核子數量、種類不同，它們的結合能也不同，為此，引入核子平均結合能概念。定義為核子平均結合能，也叫比結合能。
從結合能曲線中，可以看出質量數很小的原子核的平均結合能要比質量數為中等值的原子核的平均結合能小,由此可以推理得：質量數很小的兩個適當的原子核在一定條件下重新組合成一個質量數較大的原子核，如當四個氫（）或兩個氘（）結合成一個氦核等，會釋放出能量，這就是人類利用核能的一重要途徑即核聚變的理論依據。
核聚變發生條件
要使核反應過程能夠發生，原子核或其他粒子（如中子、光子等）必須足夠接近另一個原子核，一般須達到核力作用范圍之內，即小于的數量級。
而要發生核聚變，由于每個核都帶正電，當它們靠近時相互排斥越來越強。因此為了使兩個核相互作用，必須給它們足夠的能量。
例如兩粒氘核克服庫侖斥力，彼此接近到原子核內核子之間的距離（），此時庫侖勢能大約焦耳。
人工核聚變方法
使原子核得到足夠高的能量，以克服它們之間的排斥力，使核聚變反應發生的方法有兩種，分別為用加速器加速提供能量和升高溫度提供能量。此外，人工核聚變還有利用子催化使庫侖斥力減小的冷核聚變。
用加速器提供所需能量的核聚變
利用加速器產生核聚變反應是簡單的，但是利用加速器得到的加速粒子去打固定靶，但是不可能產生富余能量。因為把加速的氘核打到含氘的固定靶上時，能夠發生聚變的概率很小。
例如用的氘核去轟擊含氘的固體靶，通過計算得到它同靶中電子（固定的，能量低）碰撞的能量損失截面而發生聚變反應的截面，二者的比值約。這表示一百萬粒氘核進入靶內，只有一粒核發生了聚變反應，其他的都同靶中電子碰撞損失掉了。即使一次聚變放出的能量，約是的一百倍，這個方法也是得不償失的。
不過在實驗室里它被廣泛地用于研究氘-氘（）和氘-氚（）反應的幾率（或核反應的截面）。事實上，已知的這些反應中有許多都是用這種方法確定的。
高溫下發生的熱核反應
除了利用加速器供給原子核能量的方法，還有一種方法是升高溫度。原子（或原子核）的動能正比于開爾文，因此只要得到足夠高的溫度就可以發生聚變反應。
將電子溫度加熱到跟入射粒子一樣高時，此時的物質已不是一般的固體，而是等離子體了。等離子體是大量正離子和電子的集合體，是物質的一種新形態，稱為物質的第四態。
由高溫引起的聚變反應叫做“熱核反應”。這個方法消除了散射電子的能量損失。電子溫度加熱到跟入射離子一樣高，也就是其平均動能相等。同時，在高溫系統里，原子核在被約束住不逃逸的情況下，許多原子核碰撞，即使只發生散射，其效果是能量再分配而不是損耗，溫度和平均能量都不變。而原子核在任意方向上運動，可以不斷碰撞，直到發生核聚變為止。這與使用加速器加速粒子情況大不相同。
氫彈爆炸就是一種人工實現的不可控的熱核反應。太陽上也發生的是熱核反應。
冷核聚變
冷核聚變發生于子催化下。熱核反應的種種條件都是因為靜電斥力的存在，使離子核之間難以靠攏。
負子與電子一樣，帶一個負電荷，而質量是電子的207倍，負子進入靶原子，可將電子打出，取代電子，根據量子場理論，負子離核距離比電子近。兩個含原子可形成一個介子分子，或分子離子。通過這種途徑而相互接近的兩個原子核更易于聚合而形成新的原子核，同時放出子，反應終了子未變，像催化劑一樣。
但子催化壽命只有兩微秒多，一個子大約可催化一百多個氘-氚聚變，一個子至少催化個聚變反應才能使它催化產生的能量大于產生它的能量。
受控熱核反應
氫彈爆炸就是人工實現的不可控熱核反應，是很難作為一般能源來加以利用的。受控熱核反應就是要根據人們的需要，有控制地源源不斷地產生聚變，以提供能源。為了達到這個目的，必須造成一個穩定的高溫等離子體，使它有足夠的時間產生聚變反應，放出的能量能夠超過維持這反應所消耗的能量。
臨界要求
受控熱核反應中產生的聚變核能，減去輻射和其他能量損失以后，還能超過加熱物質所需要的能量，并在能量上有所增益。為達到這一點，對產生反應的輕核等離子體的溫度、密度和約束時間將有一定的要求，其臨界要求稱為勞森〔J.D.Lawson）判據。
勞森判據最簡單的形式為,即。是等離子體的動能，是軔致輻射的能量損失，為聚變功率。這里為軔致輻射功率，為等離子體約束時間，為溫度。
對于一個裝置來說，產生的能量是不可能完全轉變成輸入能量的。加入轉換效率后，裝置起動條件為，整理可得。這就是勞森判據的一般形式。
實現方法
為了實現受控熱核聚變并獲得能量增益，必須滿足勞森判據。核心問題是設法產生并約束一個熱絕緣的穩定的高溫等離子體，其密度要足夠的高，被約束的時間要足夠的長。等離子體的密度越大，粒子碰撞發生的核聚變反應概率就越大；高溫和等離子體維持時間越長，聚變反應就越充分。
約束高溫等離子體的方法有磁約束、慣性約束，引力約束，但引力約束在地球上是無法實現的。太陽中的熱核聚變反應是引力約束聚變，太陽的巨大質量所產生的引力，把太陽上的高溫等離子體約束在一起，維持熱核反應的進行。氫彈爆炸屬于慣性約束聚變，在氫彈中所進行的聚變反應過程非常短暫，根本沒有對燃料等離子體采取任何約束措施，只依靠燃料本身的慣性保持避免它們過早解體。
目前，研究受控熱核聚變的實驗裝置多種多樣，但是，根據其實現約束的原理，這些裝置可以分為兩類：磁約束和慣性約束。
磁性約束
根據等離子體中帶電粒子與磁場間的洛侖茲力作用以及高溫等離子體的穩定性研究，精心設計的各種特殊的磁場形態實現對高溫等離子體的約束。電流的歐姆加熱使等離子體的溫度自動上升。
慣性約束
精確利用來自四面八方的激光束、相對論電子束或高能重離子束，在一個很短的時間內，同時射向一個微小的靶丸，使其加熱、壓縮以產生熱核聚變。在這種情況下，由于約束時間短，可不考慮輻射能量損失。除了激光外，還有用電子束、重離子束約束的，但是未成功。
常見核聚變反應
太陽和其他恒星上的核聚變
太陽和恒星的核聚變是四個(氫)結合成一個的過程,但是四個不會一下就結合成為一個，而要通過一定的反應鏈來實現。
目前人們認為在太陽和其他恒星中主要存在兩種反應過程：
質子-質子反應鏈
碳-氮反應鏈
循環結果是使個質子()聚合成一個粒子（）和兩個正電子（）、個中微子，放出能量。
氫彈爆炸
據一般猜測，氫彈中的爆炸材料主要是氘、氚、鋰的某種凝聚態物質。比較大的可能性是氘化鋰和氚化鋰的混合物，鋰的作用是在爆炸過程中補充氚的供應。反應式為
一般認為氫彈爆炸所需要的初始高溫是由裂變的原子彈提供的。裝在氫彈內的裂變物質爆炸產生高溫高壓，使輕核聚變，放出更大的能量。
人工可利用的聚變反應
質子-質子反應鏈和碳-氮反應鏈，反應截面（一個入射粒子同單位面積靶上一個靶核發生反應的概率）太小，反應時間太長，在地球上不可能把那么高溫度的等離子體約束那么長的時間，所以在地球上人工實現是不可能的。在地球上人工可能利用的輕核聚變反應，應是在溫度不太高時具有較大截面的反應。這類反應主要有以下兩種：
此外還可利用的聚變反應有：
研究進展
磁約束核聚變研究從科學研究到能源應用大致可分為四個階段：科學可行性驗證、工程可行性驗證、示范反應堆和商用反應堆。總體上看，國際磁約束核聚變研究正處在點火裝置和氘氚燃燒實驗階段，并逐步向反應堆工程實驗階段過渡。
成果
20世紀90年代，歐盟的、美國的和日本的這3個大型托卡馬克裝置在磁約束核聚變研究中獲得許多重要成果：
等離子體溫度達億度，這一溫度大大超過氘氚反應達到點火的溫度要求，已接近了氘氦聚變反應堆點火對溫度的要求；
脈沖聚變輸出功率超過；
聚變輸出功率與外部輸人功率之比Q（能量增益〕等效值超過。在實驗上驗證了托卡馬克途徑實現聚變的科學可行性，表明了托卡馬克是最有可能首先實現聚變能源商業化的途。
前沿問題
目前，國際磁約束聚變研究的前沿問題包括：燃燒等離子體物理、先進托卡馬克隱定運行和可靠控制、工況下的等離子體與材料的相互作用、長脈沖和隱態條件下的物理和技術、聚變等離子體性能的預測、反應堆核環境條件下的材料和部件、示范堆的集成設計；急需解決的科學和技術問題有：托卡馬克主要物理過程研究；先進托卡馬克運行模式探索；長脈沖條件下的物理和技術；等離子體條件下的等離子體與材料的相互作用；聚變等離子體性能的預；聚變實驗/示范堆的集成設計；反應堆核環境條件下的材料和部件。
研究進程
2006年，中國科學院等離子體物理研究所研制的世界第一座具有偏濾器位形的非圓截面全超導托卡馬克裝置投入運行，主要研究長脈沖物理。
2018年11月，中國科學院合肥物質科學研究院等離子體物理研究所宣布在合肥綜合性國家科學中心的全超導托卡馬克核聚變實驗裝置（）實現一億度等離子體運行。
2021年5月，創造新的世界紀錄，成功實現可重復的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運行，將1億攝氏度20秒的原紀錄延長了5倍。
2022年10月19日，中國環流器二號裝置（）等離子體電流突破100萬安培（1兆安）。
2022年12月，美國能源部宣布，勞倫斯利佛摩國家實驗室科學家首度達成“能量凈增益”，即在核聚變反應達成產出的能量遠高于引發反應所使用能量，將有助發展潔凈能源。
2023年4月12日21時，中國有“人造太陽”之稱的全超導托卡馬克核聚變實驗裝置（）創造新的世界紀錄，成功實現穩態高約束模式等離子體運行403秒，
2023年8月，“中國環流三號”首次實現100萬安培等離子體電流下的高約束模式運行。
2025年1月20日，中國有“人造太陽”之稱的全超導托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）在安徽合肥創造新世界紀錄，首次完成1億攝氏度1000秒“高質量燃燒”，標志中國聚變能源研究實現從基礎科學向工程實踐的重大跨越，對人類加快實現聚變發電具有重要意義。同年3月5日，緊湊型聚變能實驗裝置（BEST）項目首塊頂板順利澆筑，標志著這一世界級科研設施的建設進入全面加速階段。作為全超導托卡馬克核聚變實驗裝置(EAST)的后續項目，總用地面積約16萬平方米，總建筑面積約15萬平方米。會在第一代EAST裝置的基礎上，首次演示聚變能發電。
2026年1月2日，中國科學院合肥物質科學研究院等離子體物理研究所科研團隊宣布，EAST實驗證實托卡馬克密度自由區的存在，找到突破密度極限的方法，為磁約束核聚變裝置高密度運行提供了重要的物理依據。同月6日，全高溫超導托卡馬克核聚變實驗裝置洪荒70取得重要進展，在第5319次實驗中實現了120秒穩態長脈沖等離子體運行。這一實驗結果標志著洪荒70已經具備可靠的長脈沖運行能力，進一步驗證了高溫超導托卡馬克的工程可靠性和運行穩定性。這也是全球首次由一家商業公司研發建造的核聚變裝置，成功實現了百秒量級的等離子體電流長脈沖運行。
核聚變能源的優缺點
優點
能量密度高：單位質量的氘聚變所放出的能量是單位質量的裂變所放出的能量的倍左右，海水中的氘提取出來使它發生聚變反應，放出的能量相當于燃燒汽油的能量。
儲量極為豐富：每克氘經聚變可以放出千瓦時的能量，地球表面海水含氘大約噸。
相對清潔：核聚變的最終聚變產物僅為無放射性的氦，不產生二氧化碳等溫室氣體，也不產生長壽命放射性廢物。
具有內在安全性：燃燒等離子體一旦形成，任何運行故障都能使等離子體迅速冷卻，從而使聚變反應在短時間內自動停止。
產物有廣泛用途：核聚變反應所產生的大量高能中子在軍事上及其他領域都有廣泛的用途。
缺點
核聚變的缺點是會產生一定的放射性廢物，需要加以處理。其次，要實現受控熱核反應，需要滿足較多條件（以上溫度、長時間的等離子體的穩定約束），目前技術障礙還是沒有完全克服。
核聚變的應用
核聚變反應的應用有：制作核武器氫彈、產生高能中子，用于研究核內部結構、獲得原子能（新能源，處于研究階段）-核聚變發電。等。
核聚變發電方面：為了考察核聚變的可行性、安全性、環境和經濟潛力，中國已經設計和評估了一系列核聚變發電廠（命名為FDS系列），重點是在中子學、熱工水力、電磁學、材料、結構和性能分析方面進行包層設計優化。發展了四個概念，即以嬗變長壽命核廢料和裂變核燃料增殖為目標的聚變次臨界系統（FDS-I）、以發電為目標的聚變動力堆（FDS-Ⅱ）、聚變基制氫堆（FDS-Ⅲ）和球形托卡馬克緊湊堆（FDS-ST）。研究了He/PBLI雙冷高放廢物嬗變包層、He單冷PBLI氚增殖包層、He/PBLI雙冷包層、高溫液體PBLI包層和實驗包層模塊（TBMs）及其實驗策略。
參考資料 >
中國衛星首次拍攝太陽高清圖.中國科學院.2023-08-08
百年瞬間丨中國第一顆氫彈爆炸試驗成功.中國政府網.2023-08-08
我國“人造太陽”EAST裝置實現1億攝氏度等離子體運行.中國政府網.2023-08-30
中國“人造太陽”實現1.2億度101秒等離子體運行.中國科學院.2023-08-30
突破1兆安放電 我國新一代“人造太陽”科研再獲新進展.中國日報網.2023-08-30
美能源部宣布核聚變實驗取得重大突破.新華網.2023-08-30
403秒！中國“人造太陽”獲重大突破.中國政府網.2023-08-30
新一代人造太陽“中國環流三號”取得重大科研進展.人民網.2023-08-30
燃！中國“人造太陽”創造“億度千秒”世界紀錄.中國網-今日頭條.2025-01-21
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合肥加快建設聚變能實驗裝置.百家號.2025-04-28
120秒穩態運行!我國核聚變再現突破 行業催化密集釋放.新浪財經.2026-01-08
洪荒70全高溫超導托卡馬克裝置完成120秒穩態長脈沖等離子體運行.鳳凰財經.2026-01-08