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当两个轻原子核结合成一个较重的原子核时，也会释放能量。我们称这种结合为聚变，放出的能量称为聚变能。在人工控制下的聚变为受控聚变，在受控聚变的情况下释放能量的装置，称为聚变反应堆或聚变堆。
研究表明，中等质量的元素，例如铁附近的元素，无论裂变还是聚变，都不会释放能量，而且需要吸收能量。重的元素，如铀附近的元素，裂变时会释放能量；与此相反，轻的元素.则在聚合为较重的元素时，释放出能量。
原子核都带正电。两个带正电的原子核聚变成一个较重的原子核时，首先要克服彼此间的静电斥力。轻原子核带的正电少，彼此间的静电斥力小，所以质子数越少的原子核越容易聚变。轻原子核不但容易聚变，而且聚变时放出的能量多。实际上，在考虑轻原子核的聚变时，目前只考虑氢的同位素之间的聚变。氢的各种同位素的质子数最少，只有一个，所以互相间静电斥力最小，在人工的条件下最容易聚变。
氢有三种同位素：氕、氘、氚。氕的原子核只有一个质子。氘的原子核有1个质子和1个中子，比氕原子核重1倍。由于它比氕重1倍，所以化学性质相差较大。在当时，还没有其他两种同位素具有氕和氘这样大的化学性质上的差别。氚原子核有1个质子和2个中子。氢是上述三种同位素的总称，是元素名称。
在氢的同位素中，氘和氚之间的聚变又最容易，所以人们一般将氘和氚称为聚变核燃料。氘和氘之间的聚变就困难些，氕之间的聚变就更困难。因此人们在考虑聚变时，首先考虑的是氘、氚之间的聚变，其后才是考虑氘、氘之间的聚变。由于氚的半衰期只有12. 26年，每过12.26年就要减少一半，所以地球诞生之初存在的氚早已衰变得无影无踪了。自然界中的氚，是宇宙射线的产物，只有几千克。聚变用的氚要人工制造，所以一般不考虑氚、氚聚变。
聚变核燃料和裂变核燃料相比，不仅丰富，而且干净。太阳的巨大能源就是聚变产生的。
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