到19世紀末，對太陽光的光譜測量已經揭示出太陽含有大量的氫和少量的氦。科學家們在20世紀的頭幾十年就充分意識到了這一點，但由於相對論那時才剛剛被發現，而量子物理學也處於早期發展階段，因此不可能將這種觀察應用到恆星如何產生能量的問題上。直到20世紀20年代初，這一直是一個謎，當時英國物理學家弗朗西斯·阿斯頓發現四個氫原子的質量之和略大於一個氦原子的質量。愛因斯坦的理論預測，這種質量上的差異會轉化為能量，因此阿斯頓推測，恆星透過將氫原子聚變成氦來產生能量。這個假設在接下來的20年裡得到了證實，恆星聚變理論現在被認為是現代物理學的重要成果之一。
人們也很快意識到，核聚變反應可以產生大量有用的能量。不僅如此，它所需要的燃料（氫）在地球上是取之不盡，用之不竭的，而且聚變反應唯一的廢料是氦，它是無毒的，不會導致全球變暖。
質能轉換與化學不同，在核反應中，質量不是守恆的。我們總是會發現，反應生成物的質量，與反應物的質量是不同的。這個質量差稱為質量缺陷，我們把它寫成∆m。質量似乎消失了，因為質量缺陷透過愛因斯坦的方程轉化為能量。反應得到的能量為E=∆mc²。為了獲得有用的能量，我們需要∆m為正。在聚變反應中，這意味著我們希望生成物的質量略小於反應物的質量，例如一個氦原子的質量略小於四個氫原子的質量。在裂變中，這意味著我們希望生成物的質量小於反應物的質量，比如鈾原子的質量要略大於反應產生的中子、氪原子和鋇原子的質量之和。在相反的方向上進行反應所需要的能量比釋放的能量要多，原則上，將氦原子分裂成氫是可能的，但這個過程消耗的能量比釋放的能量要多。
結合能既然在反應中核子的數量保持不變，為什麼一個氦原子比四個氫原子輕，為什麼一個鈾原子比一個氪原子和一個鋇原子的總質量重？額外的質量在哪裡？為了回答這個問題，我們先寫出反應的能量守恆方程。設E-p為質子的質能，E-n為中子的質能，E- he為氦原子的質能，∆E為反應釋放的能量。能量方程為：
這告訴我們，在氦原子的原子核中，總能量有兩項。第一個是它的四個核子的質能（兩個質子和兩個中子，我們將它們的質能視為近似相等，因為一個質子的質能約為一箇中子的質能的999/1000），第二個是一個負項，絕對值為∆E。這個負能量叫做結合能。它對應於相互作用的總勢能，其中強大的核力把所有的核子聚集在一起減去帶電粒子之間的斥力庫侖的電勢能。結合能是負的，因為粒子必須做功（失去動能）才能逃離原子核。每核子的結合能是一種特定元素的原子的特性，下面的圖表描述了這種能量：
圖片來源：維基百科共享一個重要的定律是，如果一個反應的生成物的原子核比反應物的每核子有更低的結合能，那麼能量將被釋放。要了解為什麼會這樣，想象一下在反應後的中間狀態（核聚變或裂變），產物核作為一種不受約束的狀態存在了片刻，這種狀態由一堆互不相互作用的質子和中子組成。為了成為原子核，大量的核子必須透過強大的核力相互作用而結合起來。這種相互作用的能量是結合能，結合能是負的，所以當它變成一個原子核時，由一堆核子組成的系統的總能量降低了。但是能量必須是守恆的，所以為了降低系統的熱力學能，它必須向周圍放出一些能量。
你還可以在圖表上看到，比鐵重的元素在裂變時釋放能量，比鐵輕的元素在聚變時釋放能量。
如何引起聚變我們已經確定了核聚變過程中會發生什麼，但我們還需要知道如何使兩個原子核發生聚變。
原子核由不帶電的中子和帶正電的質子組成，它們都帶正電，因此它們相互排斥。然而，當兩個核之間的距離與核直徑相當時，一種叫做強核力的力就會起作用。與靜電力不同的是，靜電力的作用範圍是無限的，而強核力的作用範圍是有限的，因此，如果原子核之間的距離大於這個範圍，那麼強核力相互作用就不會發生。然而，與靜電力不同的是，這種強力是有吸引力的，它將質子和中子結合在一起，對抗斥力。如果我們能使兩個原子核靠得足夠近，使強大的核力壓倒靜電力，它們就會發生聚變。
如果我們從勢能的角度來考慮，這會更清晰，並且首先採用忽略量子力學的經典方法。一個帶電荷q的正電荷粒子，就像氫原子的原子核一樣，產生一個電勢場：
其中ε0是一個物理常數，稱為自由空間的介電常數。這個勢場告訴我們的是如果兩個電荷Q和Q之間距離為r，那麼與它們相互作用相關的勢能是：
你可以看到，當距離r變小時，能量變大。因此，為了使兩個電荷靠得更近，我們需要對兩個電荷的系統做功。就是要使兩個電荷（ q=Q=~1.6 × 10^–19庫倫）靠近到強核力佔主導的距離範圍內（1.7飛秒），因此U=1.35×10^-13焦耳。
讓我們看一個圖解，它說明了兩個質子相互靠近時的情況。
這張圖顯示了兩個質子相互作用的總能量。如果勢能是正的，那麼質子必須做功來減少它們的分離，因此相互作用將傾向於導致質子相互排斥。如果勢能是負的，那麼質子將不得不做功來增加它們的分離，因此相互作用將傾向於吸引。
在曲線A部分，只有靜電相互作用是主動的，電勢是正的。在距離約1.7飛米 (B點）時，強的相互作用開始作用，並立即壓倒靜電相互作用。點B的能量被稱為勢壘的高度，如果質子從勢壘的右邊開始能量小於勢壘的高度，那麼我們把勢壘左邊的區域稱為經典禁帶。在距離小於0.7飛米（D點）時，強相互作用由正轉變為負，因此在曲線D處的粒子將被推回到C點。
勢曲線中靜電作用占主導地位的部分（V(x)在x>1.7 時）稱為靜電勢壘，或庫侖勢壘，如果進入的質子的動能小於這個量，那麼它就不能越過庫侖勢壘。
那麼我們如何給質子足夠的動能呢？最簡單和最有效的方法是使它非常“熱”。當然，溫度不是為單個原子定義的，但是我們可以為大量氫原子樣本定義溫度，稱之為T。溫度T下單原子氣體樣本的平均動能是 ⟨K⟩ = (3/2)kT，其中K為玻爾茲曼常數。
我們發現所需的溫度高得離譜，65億開爾文。這個數量級不僅高於任何在地球上可以達到的合理水平，而且太陽核心的溫度估計“只有”1500萬開爾文。那麼，恆星的聚變是怎麼發生的呢？我們在地球上又怎麼可能發生聚變呢？
勢壘穿透（量子隧穿）答案就在勢壘穿透現象中，也被稱為量子隧穿。我們都知道粒子在原子和亞原子距離尺度上的位置是不明確的，機率的方程為：
對於兩個質子的核聚變，我們發現，假設x = 0處的質子在碰撞過程中不會移動太多，由於入射質子具有平均能量，給定 K⟩= (3/2)kT，因此E = 1935 eV，穿透勢壘的機率約為1.2×10^-17。這看起來似乎是一個非常小的數字，但我們處理的是氫原子的宏觀量。如果一克氫原子射入另一克靜止原子，那麼預計將發生720萬次核聚變事件。
在恆星聚變的具體情況下，我們應該注意到兩個質子的聚變只是所謂質子-質子迴圈的第一步。兩個氫核發生聚變，形成一種非常不穩定的束縛狀態，它會衰變，半衰期估計為10^-22秒。要成為一個穩定的氘核（然後聚變成氦-3，最後聚變成氦-4），其中一個質子必須透過發射一個正電子和一個電子中微子而衰變成中子。這個過程更不可能發生，但儘管如此，恆星還是能夠產生足夠的能量，因為那裡有太多的氫原子。
不管我們試圖誘導哪種聚變過程（兩個普通的氫原子，還是兩個氘原子），都需要把氣體原子加熱到其隨機熱運動的動能足夠大，足以讓它們在碰撞時具有足夠大的隧穿機率，從而發生聚變。在恆星聚變過程中，當恆星形成時，所有的氣體原子都向內坍縮，摩擦和壓力產生了最先點燃反應的熱量。在人工聚變中，我們必須更有創造力。目前主要有三種技術正在研究中。
第一種是中性束注入，這一過程透過向等離子體發射高能粒子來產生熱量。第二種是利用快速振盪的磁場將能量注入等離子體。第三種是歐姆加熱，它利用導體在大電流透過時發熱的事實。高效加熱仍然是核聚變研究的核心問題之一，特別是人工聚變需要比恆星聚變更快的反應速率，需要超過1億開爾文的溫度。
反應堆型別請注意，與恆星聚變不同的是，幾乎所有的人工反應堆都是透過聚變氘和氚來產生氦，要麼是在D-D迴圈（兩個氘原子產生一個氦），要麼是D-T迴圈（一個氘原子和一個氚產生氦）。
託卡馬克反應堆
託卡馬克反應堆開發於前蘇聯20世紀50年代，是研究和開發最徹底的核聚變反應堆，目前仍是大規模核聚變發電的主要候選反應堆。
託卡馬克反應堆有一個環形室。磁場是由圖中的綠色線圈和等離子體本身傳導的電流產生的。合成的磁場是螺旋狀的，用圖中暗紫色的箭頭表示。因此，它被歸類為磁約束反應堆，也就是說，它利用磁場加熱等離子體。
恆星發生器
恆星發生器是另一種磁約束裝置，它遵循與託卡馬克相同的基本工作原理，但有一個關鍵區別。為了容納等離子體，託卡馬克產生了一個螺旋場。這需要一個大電流透過等離子體本身。這會導致等離子體變得不穩定，增加磁約束失效的可能性，終止反應，並可能損壞反應堆。恆星發生器透過扭曲等離子體和反應堆本身來避免這種情況，而不是創造一個扭曲的磁場。
在託卡馬克設計被首次提出後不久，恩里科·費米和他的同事就注意到了託卡馬克的這個基本問題。然而，以這種方式設計一個反應堆需要極其精確的計算機模擬和繪圖，以及由精確製造的超導線圈產生的極其強大的磁場，這些在費米那個時代都是不可能的。這項技術直到20世紀90年代才得以實現，因此恆星發生器的正式提出也只是最近的事。德國的溫德爾斯坦7-X反應堆於2015年完工，是目前執行中的最大的恆星發生器，這是聚變研究的一個重要里程碑。
溫德爾斯坦7-X的第一次等離子點火。直接驅動
慣性約束過程的簡化描述。你可以在圖中看到這個過程。在第1步，鐳射加熱球團的外層。在第二步，外層蒸發併產生衝擊波。在第三步中，衝擊波迫使小球向內坍塌，從而導致了第四步的聚變。
核燃料球。法恩斯沃斯聚變
法恩斯沃斯聚變裝置（簡稱為fusor）與大多數實驗性聚變裝置的不同之處在於，它的目的不是產生有用的能量。Fusors是無可救藥的低效。然而，它們作為緊湊和易於控制的中子輻射源確實有一些用途。
一個由威斯康星大學麥迪遜分校的物理學家建造的反應堆。“法恩斯沃斯聚變透過慣性靜電約束工作。這個過程類似於慣性約束，但它使用的是電場而不是壓力波。這也可能是實現核聚變最簡單的方法。電場是由兩個同心的，相反的帶電球面網格產生的。原子被磁場拋向反應堆中心，在那裡它們發生碰撞，並有很小的機會發生聚變。下面的圖表說明了這個過程，儘管只是在一個維度上。
慣性靜電約束的簡化圖。帶正電的氘核落在隨機熱運動產生電場的區域。這是一個合理的近似，電場完全包含在這個區域內。磁場使它們向中心加速。原子核在中心碰撞時可能發生聚變。
冷聚變和其他騙局如果核聚變作為一種可行的能源被利用起來，它將理所當然地被視為人類最偉大的科學成就之一，而名譽和財富必將等待著最終解決這個問題的科學家和工程師們。不幸的是，核聚變研究的歷史被善意但過度炒作並最終失敗的專案、騙局、徹頭徹尾的欺詐和自由能源陰謀論者玷汙了。
當評估媒體對任何尖端技術的斷言時，最好保持樂觀，但也要適當地持懷疑態度。在目前的情況下，我們確實有充分的理由保持樂觀。儘管如此，始終要小心落入媒體炒作的陷阱，永遠不要相信任何人試圖說服你一些聽起來好得難以置信的事情。
人工核聚變的未來我們有充分的理由相信，核聚變發電是可能的，並可能成為我們有生之年能源供應的關鍵組成部分。這個問題不再是一個技術和科學的可行性問題，而是一個經濟和政治的問題。
隨著替代能源變得更加可行，以及石油和煤炭供應的地緣政治變得更加不穩定，化石燃料行業終於開始失去對社會的控制。核聚變的進展將是緩慢而穩定的，但我們有充分的理由相信，核聚變將在我們的有生之年為我們的家庭提供能源。