核聚变反应主要利用氢核素。核聚变不会形成核裂变所出现的常年和高水平的核幅射，不形成核边角料，其实也不形成温室二氧化碳，基本不污染环境。
借助核能的最终目标是要实现受控核聚变。裂变时靠原子核分裂而释出能量。聚变时则由较轻的原子核聚合成较重的较重的原子核而释出能量。最常见的是由氢的核素氘（读"刀"，又叫重氢）和氚（读"川"，又叫超重氢）聚合成较重的原子核如氦而释出能量。核聚变较之核裂变有两个重大优点。一是月球上蕴涵的核聚变能远比核裂变能丰富得多。据测算，每升海水中富含0.03克氘，所以月球上仅在海水中就有45万亿吨氘。1升海水中所含的氘，经过核聚变可提供相当于300升柴油燃烧后释放出的能量。月球上蕴涵的核聚变能约为蕴涵的可进行核裂变元素所能释出的全部核裂变能的1000万倍，可以说是取之不竭的能源。至于氚，尽管自然界中不存在，但靠中子同锂作用可以形成，而海水中也富含大量锂。
第二个优点是既干净又安全。由于它不会形成污染环境的放射性物质，所以是干净的。同时受控核聚变反应可在黏稠的二氧化碳中持续地稳定进行，所以是安全的。
目前实现核聚变已有不少技巧。最早的知名方式是"托卡马克"型磁场约束法。它是借助通过强悍电压所形成的强悍磁场，把等离子体约束在很小范围内以实现上述三个条件。似乎在实验室条件下已接近于成功，但要达到工业应用还差得远。根据目前技术水平，要构建托卡马克型核聚变装置，须要几千亿美金。
另一种实现核聚变的方式是惯性约束法。惯性约束核聚变是把几微克的氘和氚的混和二氧化碳或固体，放入半径约几毫米的小球内。从外边均匀射入激光束或粒子束，球面因吸收能量而向外蒸发，受它的反作用，球面外层向内挤压（反斥力是一种惯性力，靠它使二氧化碳约束，所以称为惯性约束），如同喷气客机二氧化碳往前喷而促使客机前飞一样，小球内二氧化碳受挤压而压力下降，并伴随着气温的大幅下降。当体温达到所须要的打火气温（大约须要几十亿度）时，小球内二氧化碳便发生爆燃核聚变和核裂变方程式，并形成大量热能。这些爆燃过程时间很短，只有几个飞秒（1皮等于1万亿分之一）。如每秒钟发生三四次这样的爆燃而且连续不断地进行下去，所释放出的能量就相当于百万千瓦级的发电厂。
原理上似乎就如此简单，而且现有的激光束或粒子束所能达到的功率，离须要的还差几十倍、甚至几百倍，加上其他种种技术上的问题，使惯性约束核聚变仍是可望而不可及的。
反应的方程式：
21h+31h
=10n+42he
后面的是上标核聚变和核裂变方程式，前面的是下标