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核聚变是另一种能将质量转化为能量的过程，是几个较轻的原子核结合成一个较重的原子核的过程。
由于原子核间有很强的静电排斥力，只有在一亿摄氏度的超高温下，轻核才有足够的能量克服阻力发生聚变，因此超高温是发生核聚变所必需的外部条件，所以核聚变又称为热核反应。原子核的静电斥力与其所带的电荷成正比，因此原子序数越小、质子数越少的轻核聚变所需的动能(温度)就越低。所以只有一些较轻的原子核（例如氢、氘、氚、氦、锂等）才容易发生核聚变。最常见的核聚变反应是氘、氚反应生成氦和中子，同时释放出能量的过程，用反应式表示如下：
氘和氚反应、氘和氘反应是最有希望被人工控制利用的聚变反应。据测算，每升海水中含有0.03克氘，所以地球上仅在海水中就有45万亿吨氘。氚虽然不会自然形成，但用中子轰击锂可产生氚。1升海水中所含的氘，经过核聚变可提供相当于300升汽油燃烧后释放出的能量，可以说是取之不尽。而且核聚变的产物质量小，半衰期极短，不产生放射性核废料，也不产生硫、氮氧化物，是一种极为清洁的能源。从安全的角度看，核聚变不需要中子“点火”，不是链式反应，只要不维持高温高密就立即停止反应。可控核聚变是解决未来能源问题的最理想方案!
