核聚變（Nuclear Fusion），又稱核融合、融合反應、聚變反應或熱核反應，是在極高的溫度和壓力下將兩個較輕的核（主要是氘和氚）結合形成一個較重的核和一個較輕核(或粒子)的一種核反應形式。在此過程中，物質沒有守恆。因為有一部分正在聚變的原子核的物質被轉化為光子（能量）。這是一種與核裂變相反的核反應形式，相較於核裂變具有以下優勢：
以氘的聚變反應為例，每「燒」掉6個氘核共放出43.24MeV能量，相當於每個核子平均放出3.6MeV。它比n+裂變反應中每個核子平均放出0.85MeV高3倍，因此聚變能是一種比裂變能更為巨大的核能。
在氘氚聚變過程中主要產生的核廢料來源於反應裝置的牆壁，與聚變過程中產生的中子以及具有放射性的氚發生核反應後，會變成具有放射性的核廢料，這是「第一代」聚變。而「第二代」聚變是氘和氦3反應，這個反應本身不產生中子，但氘氘反應會產生中子，不過總量非常非常少，對環境的汙染已經非常微小。而「第三代」聚變是讓氦3跟氦3反應，這種聚變完全不會產生中子，這個反應堪稱終極聚變。
地球上重氫有10萬億噸，平均每1升海水中含30毫克氘，而30毫克氘聚變產生的能量相當於300升汽油。按世界消耗的能量計算，海水中氘的聚變能可用幾百億年。從這個意義上說，聚變能源的開發，將「一勞永逸」的解決人類的能源需求。
但是，目前世界上的核電廠所採用的核反應形式都是核裂變，究其原因就是核聚變的反應要求與技術要求極高，產生可控核聚變需要滿足非常苛刻的條件。舉個例子，太陽就是靠核聚變反應給整個太陽系帶來光和熱，其中心溫度達到1500萬攝氏度，另外還有巨大的壓力才能使核聚變正常反應，而地球上沒辦法獲得這麼巨大的壓力，只能通過提高溫度來彌補，不過這樣一來溫度要到上億攝氏度才行。如此高的溫度沒有一種固體物質能夠承受，可以採用的約束方式主要有三種：1.重力場約束；2.慣性約束；3.磁約束。目前被認為最有前途的方式是第三種。它是利用強大電流所產生的強大磁場，把等離子體約束在很小範圍內以實現聚變反應的苛刻條件。雖然在實驗室條件下已接近於成功，但要達到工業應用還差很遠。
儘管實現受控熱核聚變仍有漫長艱難的路程需要我們徵服，但其美好前景的巨大誘惑力，正吸引著各國科學家在奮力攀登。可以預見，在不久的將來，核能將是繼石油、煤和天然氣之後的主要能源，人類將從「石油文明」走向「核能文明」。