要解决人类对能量的长期需求，最好的办法是发展可控热核反应。它是在极高的温度下，使轻原子核发生聚变而产生能量的一种方法。核聚变的原理早在1933年就被发现了，比裂变原理的发现整整早了5年。可是由于技术复杂，人类至今尚未建成聚变核电站。只能由不受控制的热核反应——氢弹来显示聚变过程惊人的威力。
核聚变实际上是宇宙中经常发生的一种能量转换过程。亿万颗恒星，包括我们的太阳在内，辐射的能量都是在氢核聚合成氦核时释放出来的。因此，有人把核聚变装置称作人造“微型太阳”。但核聚变这种自然界中轻而易举、天天发生的过程，却是科学技术上久攻不克的顽固堡垒。
聚变反应遇到的第一个问题是轻核都带有正电，因此会互相排斥。要发生聚合，必须使轻核以极高的速度运动，能克服静电斥力而相撞在一起。看起来这个问题不难，因为把带电粒子加速到很高的能量还是有办法的。如电视机的显像管，就能把电子加速到这样高的速度。利用粒子加速器也可使轻核加速到同样高的速度，用这种高速粒子去轰击轻元素的靶核，原则上就能产生聚变反应。然而实际上，这种做法效率很低，绝大部分入射粒子会反跳回来。散射的概率比聚变的概率高几百万倍。
另一种办法是把聚变燃料加热到极高的温度。这时，杂乱无章的热运动，会使一部分轻核达到足够高的速度，克服斥力而聚合到一起。在这样高的温度下，轻核发生电离而成为正离子，核外电子不再绕核运动，而能在空间自由飞翔。这时的物质既不是固态，也不是液态或气态。在这种状态下，物质的每个体积单元中，都含有相等数目的自由电子和正离子，因此称为等离子体。它是物质的第四种状态。
实际上，宇宙中极大部分物质都以等离子体状态存在。所有恒星，包括太阳在内，主要成分都是氢和氦的等离子体。在地球上，最普通的等离子体则是霓虹灯内的发光气体。
在太阳中产生等离子体，主要是依靠它本身巨大的质量和体积。根据测定，太阳的质量占整个太阳系的99.8％，其中73％是氢，25％是氦，2％是碳、氮、氧等核素。它的平均密度为1410千克／米3，比地球要小好几倍（地球的平均密度为5520千克／米3）。表面温度为5780K。然而，在强大的引力作用下，太阳中心的密度则为105千克／米3，每立方厘米的质子数达到1025，温度高达摄氏1500万度。
但是，即使在这样的条件下，太阳中实际上也只有极少数质子发生聚变反应。大部分质子等了几十亿年还没有轮上。说起来也许不信，太阳中每克物质所发出的热量，比人体在新陈代谢过程中发出的热量小100多倍，其数值只有5×10-3卡／（克·秒）。整个太阳所以能发出非常巨大的能量，只是因为它的总质量很大而已。
既然太阳中每克物质产生的能量比人体小100倍，它又怎能保持它的炽热状态呢？这时，因为单位时间发出的热量与太阳的体积成正比，而散走的热量则与太阳的表面积成正比。因此体积越大，散热越慢，温度越高。在动物界，大象散热的速度就要比老鼠小30倍。如果它的新陈代谢和老鼠一样旺盛，就会被活活烤焦。
预计人类能够建造的热核装置，其尺寸要比太阳小得多，远远小于老鼠和大象的比例关系。因此，为了保证热核聚变的温度条件，能源释放热量的速率应比太阳大得多。现在，人类用一种比较粗暴的方式，来达到热核反应所需的高温。氢弹中的聚变过程，是依靠核裂变炸药来点燃的。聚变过程在极短的一瞬间完成，放出能摧毁一切的巨大能量。
要实现受控的聚变反应，则需采用另外一些方法，例如用强大的电流通过等离子体对它加热，或用激光等高度集中的能量使它升温。然而，要想使聚变释放的能量大于对等离体进行加热所消耗的能量，却并非易事。因为轻核在几百万次碰撞中，才能有一次机会发生聚变反应。因此要达到目的，必须把炽热的等离子体约束一段时间，不马上散掉，而且等离子体内粒子的密度要很大，以增加碰撞的机会。约束时间T（秒）和等离子体的密度N（粒子数／厘米3）有关。密度大，约束时间可短一些。反之，约束时间就要加长。这个条件称为劳逊判据。氘-氚聚变，要求NT大于或等于1014秒／厘米3，反应温度为1亿度。
在太阳中，对等离子体进行约束是不成问题的。它依靠自己的引力，自然而然地做到了这一点。然而在地球上，这却是一项极其困难的任务。如果将我们呼吸的空气加热到等离子体的温度，它的压力将为1000万大气压。地球上没有一种容器能把它约束在一起。而且任何容器材料与等离子体相遇时，不是本身被气化，就是使等离子体立即冷却下来。
多年来，从事聚变研究的科技人员，一直把希望寄托在各式各样的“磁瓶”上。根据磁性流体力学的理论，带电粒子在磁场中将沿磁力线作螺旋运动，而不会横切磁力线离去。磁场越强，回旋半径越小。当磁场强度高达几万高斯，温度为几千万度时，带电粒子的回旋半径只有几毫米。由于等离子体也是一种带电的粒子流，因此可以利用这一原理对它进行约束。
目前，用磁来约束等离子体的最好办法，是利用一种叫做托卡马克的环形装置。1966年，苏联首先在这种装置上取得初步成果。
美国现有一台世界上规模最大的托卡马克装置在运行。这个装置在1982年成功地约束了首批等离子体，使聚变反应进行了50毫秒。等离子体温度达到118亿度。
尽管在托卡马克装置上，物理学家们还要进行大量的研究和探索，动力工作者却已迫不及待地根据它的原理，对聚变核电站进行了概念性设计，并打算建在美国橡树岭实验室内。
在这个设计中，托卡马克反应堆包容在一个很厚的一次安全壳内，外面再罩上一个二次安全壳。与安全壳相邻的，则是汽轮发电机厂房。布局与裂变核电站十分相似。反应堆的环形燃烧室内，氘-氚等离子体在强大磁场的约束下进行热核反应。环形室外侧围有一圈由不锈钢小室构成的包覆层。小室内装满了液态锂或固态的氧化锂小球。这些材料用来吸收氘-氚反应产生的中子的能量，并利用这些中子使锂转化为氚。这些氚分离出来以后，又可送入环形室作为等离子体燃料使用。
反应堆采用半稳态燃烧方式。开始时用一个强大的变压器对环形室内的氘-氚气体放电，产生等离子体，并在环形室内产生电流，以后再点燃许多中性粒子束的注射枪。这些注射枪将能量很高的氘和氚作为燃料，注入等离子体，同时使等离子体的温度上升到热核点火温度。当热核聚变反应开始时，反应释放的Ⅱ粒子（氦核）会进一步加热燃料，使它达到设计的温度水平。在这个水平上，反应堆大约可运行90分钟。依靠不断地向等离子体注入氘和氚的冰冻小球来维持燃烧。限制燃烧周期的因素是变压器维持环形电流的能力，以及等离子燃料中杂质的积累。当燃烧周期快结束时，把一些杂质注入等离子体，使反应中止。然后，把反应室内的全部气体抽净，重新装入新鲜燃料，以备下一个燃烧周期使用。
锂垫吸收中子能量后，形成一个体积式热源。依靠二次冷却剂氦或钠，将热量引出锂垫，作为发电用的蒸汽动力循环的热源。电站生产的电能中，20％用来建立磁场，产生环形电流和注射中性粒子束，其余送入电网。这样，核聚变电站就可源源不断地送出大量的能量。
聚变堆输出同样多的功率时，产生的中子数大约为裂变堆的4倍。因此，聚变反应堆不仅是一个动力源，也是一个强大的中子源。不少动力工作者建议，把明天的聚变技术与今天的裂变技术结合起来。在聚变反应堆周围放上亚临界的裂变燃料垫，利用热核中子使燃料裂变，可以提高整个装置的功率。在聚变堆周围，放上可转换物质铀-238和钍-232，就可使裂变燃料增殖。在其周围放上需要处置的长寿命放射性核素，如锕系元素，就可以使它们在很短的时间内嬗变成短寿命的或稳定的同位素。
与裂变动力堆相比较，聚变动力堆的安全性也十分优异。由于它每次只能燃烧反应室内的那些燃料，其总量不到1克，因此决不会出现能量的失控。然而，要真正设计出一个聚变核电站，还要解决一系列重大的技术问题。最棘手的是反应室壁面上会出现大面积的辐照损伤，即“第一壁”问题。事情是这样的，可控聚变堆产生的中子通量，比快中子增殖堆几乎要高出10倍左右。在电站30年运行寿期内，第一壁材料中的每个原子，由于与快中子碰撞，要移位500次以上。这会使容器的材料显著地肿胀起来而变脆。其次要严格地防止氚的泄漏。聚变反应室内，等离子体本身的氘装量虽然小于1克，但电站内总的氚装量，包括锂垫和氚回收系统中的氚装量在内，可以高达10千克。由于氚极易以氚水的形式被生物机体所吸收，因此即使漏出一小部分，也是一次重大的放射性事故。
磁约束聚变堆还有一个严重缺陷：等离子体十分稀薄，燃料的功率密度只有1～10兆瓦／米3。与此对照，压水堆堆芯的功率密度为100兆瓦／米3，快中子增殖堆则为400兆瓦／米3。由于聚变堆不能像裂变堆那样，让冷却剂直接流过反应区，故只能在等离子区的外围设置非常复杂的结构，进行热量的收集。当反应区的功率密度很低时，其外围结构的尺寸就要增大，因而大大提高了电站的建造成本。
为了绕过这些困难，现在还在研究另一种实现劳逊条件的方法，即利用惯性约束原理。这个方法的基本要点，就是用激光极其迅速地加热等离子体，使它达到点火温度而发生聚变。这时，燃料由于自己的惯性仍保持在一起，在没有来得及散开以前，就释放出足够多的能量而完成整个过程。实际上，氢弹中能量的释放，就是在惯性约束下进行的。
要使氢弹中的能量有控点、一点一点地释放，可以设想把氢弹做得很小很小，使每次爆炸只有很少的燃料参加反应。例如，把氘和氚做成与针尖大小差不多的冰粒。每次爆炸的能量相当于几千克炸药。改变单位时间内爆炸的次数，就可控制聚变能释放的速率。然而，究竟用什么方法，才能将燃料极其迅速地加热到聚变温度呢？这里当然不能再依靠裂变的原子弹，因为它的临界体积太大，而要利用武器研究中发展起来的另一种新技术，这就是激光。
20世纪60年代初期，物理学家发现了激光现象。利用激光物质的特殊性能，可以获得一种高度单色的平行光束。经过聚焦，这一光束的能量可集中到一个非常小的点上，并在极短的瞬间，以迅雷不及掩耳之势，将能量释放出来。利用这样的激光，就有可能在一百亿分之一秒的时间内，在氘一氚靶丸解体以前，把它加热到热核点火温度。
然而，为了满足劳逊条件NT大于或等于1014秒／厘米3，要求燃料中的粒子密度非常高。当T=10-10秒时，粒子密度r1必须大于1024粒子数／厘米3。这个密度比固体密度还要大10倍左右。
如何才能做到这一点呢？唯一的办法是在点火以前，先把燃料狠狠地压缩一下。然而这里不能利用普通的机械压缩的方法，也不能用化学的爆炸压缩的方法。科学家们从激光本身找到了一条妙计。这就是利用很多束激光，在同一瞬问，从四面八方射向靶丸。在几个毫微秒的时间内，把靶丸表面加热到上亿度的高温。这时，燃料表面迅速蒸发、电离。消融沸腾的材料，以每秒上万千米的速度飞向周围的直空区。在喷离过程中，同时产生一个向心的反作用力，造成一个冲击波，把靶丸压缩到其密度比液态氢高出10000倍左右，其内部的压力达到10-12大气压。这样高的密度在天文学中也是不常见的，只有在高度密实的白矮星中才能找到。
靶丸在压缩时被加热到热核反应的温度。这时氘-氚聚变产生的高能d粒子，被吸收在材料的内部，使其温度进一步升高，燃烧更加猛烈。只要经过10-12秒，就可烧掉相当多的燃料。在这以后，释放的能量将靶丸炸开，于是反应中止。这样的微型热核爆炸每秒进行10～100次，释放的能量被周围的锂垫所吸收，转化成热能，就可产生蒸汽来驱动汽轮发电机，发出电能。