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核聚变，是将两个较轻的核结合而形成一个较重的核并释放能量的一种核反应形式。在此过程中，物质没有守恒，因为有一部分正在聚变的原子核的物质被转化为光子（能量）。核聚变是给活跃的或“主序的”恒星提供能量的过程。

两个较轻的核在融合过程中产生质量亏损而释放出巨大的能量，两个轻核在发生聚变时因它们都带正电荷而彼此排斥，然而两个能量足够高的核迎面相遇，它们就能相当紧密地聚集在一起，以致核力能够克服库仑斥力而发生核反应，这个反应叫做核聚变。

举个例子：两个质量小的原子，比方说氘和氚，在一定条件下（如超高温和高压），会发生原子核互相聚合作用，生成中子和氦-4，并伴随着巨大的能量释放。

原子核中蕴藏巨大的能量。根据质能方程E=mc²，原子核之净质量变化（反应物与生成物之质量差）造成能量的释放。如果是由重的原子核变化为轻的原子核，称为核裂变，如原子弹爆炸；如果是由较轻的原子核变化为较重的原子核，称为核聚变。一般来说，这种核反应会终止于铁，因为其原子核最为稳定。

在20世纪50年代，发展用于民用目的的受控热核聚变开始被认真地研究，并一直持续到今天。在经过60年从以前的实验中做出设计改进之后，两个项目，国家点火装置（National Ignition Facility）和国际热核聚变实验反应堆（ITER）达到盈亏平衡点，也就是在这个过程中产生尽可能多的能量达到需要点燃的反应的能量。