核聚变的基本原理基于爱因斯坦的质能方程E=mc2，它表明质量可以转化为能量。在原子核发生聚变时，质量的一部分会转化为能量释放出来，这种转化过程只需极小的质量就能产生巨大的能量。例如，当两个氢原子核结合形成一个氦原子核时，会释放出聚变能，这是核能利用的一种重要途径。
其中，重要的聚变反应包括氘核(D)和氚核(T)的融合，如D+T反应。这个过程每消耗6个氘核，会释放出43.24MeV的能量，远高于核裂变中每个核子的平均释放量。因此，核聚变能被认为是比裂变能更高效的能量来源。
核聚变的燃料主要来自氘，它在海水中极为丰富，估计全球海水中蕴含的氘总量约为40万亿吨，足够支持人类未来的能源需求。氚可以通过锂的同位素锂-6制造，虽然地球上锂的储量较少，但仍然足够支撑氘聚变的使用。这意味着核聚变能是无限的新能源。
实现核聚变的关键在于将原子核加热到数百万摄氏度的高温，以便克服它们之间的排斥力，让它们接近到飞米级别，这种过程又被称为热核反应。原子弹爆炸的高温即能引发这种反应，而受控核聚变则是指在可控条件下进行的大量核聚变，目标是在产生并约束高温等离子体的同时，实现能源的稳定利用。中国的科研机构如中科院物理所和等离子物理所等在这一领域取得了显著进展。
核聚变是指由质量小的原子，主要是指氘或氚，在一定条件下（如超高温和高压），发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核，并伴随着巨大的能量释放的一种核反应形式。原子核中蕴藏巨大的能量，原子核的变化（从一种原子核变化为另外一种原子核）往往伴随着能量的释放。如果是由重的原子核变化为轻的原子核，叫核裂变，如原子弹爆炸；如果是由轻的原子核变化为重的原子核，叫核聚变，如太阳发光发热的能量来源。