根據愛因斯坦質能方程E=mc2，原子核發生聚變時，有一部分質量轉化為能量釋放出來。
只要微量的質量就可以轉化成很大的能量。
兩個氫的原子核相碰，可以形成一個原子核并釋放出能量，這就是聚變反應，在這種反應中所釋放的能量稱聚變能。聚變能是核能利用的又一重要途徑。
最重要的聚變反應有：
式中D是氘核（重氫）、T是氚核（超重氫）。以上兩組反應總的效果是：
即每“燒”掉6個氘核共放出43.24MeV能量，相當于每個核子平均放出3．6MeV。它比n+裂變反應中每個核子平均放出200/236=0.85MeV高4倍。因此聚變能是比裂變能更為巨大的一種核能。
要使原子核之間發生聚變，必須使它們接近到飛米級。要達到這個距離，就要使核具有很大的動能，以克服電荷間極大的斥力。要使核具有足夠的動能，必須把它們加熱到很高的溫度（幾百萬攝氏度以上）。因此，核聚變反應又叫熱核反應。原子彈爆炸產生的高溫可引起熱核反應，氫彈就是這樣爆炸的。
受控核聚變是等離子態的原子核在高溫下有控制地發生大量原子核聚變的反應，同時釋放出能量。氘是最重要的聚變燃料，海洋是氘的潛在來源，一旦能實現以氘為基本燃料的受控核聚變，人們就幾乎擁有了取之不盡、用之不竭的能源。氫彈爆炸釋放出來的大量聚變能、原子彈爆炸釋放出來的大量裂變能，都是不可控制的。在第一顆原子彈爆炸后僅十多年，人們就找到控制裂變反應的辦法，并建成了裂變電站。