核聚变，即氢原子核（例如氘和氚）结合成较重原子核（例如氦），放出巨大能量。因为化学是在分子、原子层次上研究物质性质，组成，结构与变化规律的科学，而核聚变是发生在原子核层面上的，所以核聚变不属于化学变化[1] 。
核聚变示意图
原子核中蕴藏巨大的能量，原子核的质量的变化（从一种原子核变化为另外一种原子核）往往伴随着能量的释放或吸收（质能方程）。核聚变是核裂变相反的核反应形式，并且从理论上来说，核聚变反应会终止于铁（Fe），因为铁的原子核最为稳定。
如果要进行热核聚变反应，首先就必须提高物质的温度（几百万度以上的高温），使原子核和电子分开，处于这种状态的物质称为等离子体。核力是一种非常强大的力量，但其力量所及的范围仅止于10^-15米左右，当质子和中子互相接近至此范围时，核力就会发挥作用，因而发生核聚变反应[2] 。
冷核聚变是指常温、常压下发生的核聚变反应的假说。冷核聚变不同于恒星内部、热核武器和实验性聚变反应堆中高温、高压的“热”核聚变，也不包括常温的μ子催化聚变。目前，并不存在被主流物理学共识接受的冷核聚变理论或现象。
1919年阿斯顿(F. W. Aston)在实验中发现“氦-4的质量比组成氦的4个氢原子的质量之和大约小1% 左右。根据爱因斯坦质能关系，其质量差恰好等于四个氢原子核聚合成一个氦-4时释放的能量。卢瑟福也几乎在同一时期证明了足够大能量的轻原子核相互碰撞可以发生核反应[3] 。
1920年，英国天文学家亚瑟·爱丁顿(Arthur Eddington)的《恒星内部构造》认为，包括太阳在内的恒星是由氢的核聚变提供动力的。
1929年，阿特金森(Atkinson)和奥特迈斯(Houtermans) 从理论上计算了氢原子在几千万度高温下聚变成氦的可能性，认为太阳上进行的可能就是这种核聚变反应。
1934 年，奥立芬特(Oliphant)发现了第一个 D-D 核反应。
1942年，施莱伯(Schreiber)和金(King)在美国普渡大学首次发现了 D-T 核反应。
1951年，美国在核试验中完成了人类首次核聚变。
1952年，美国在氢弹试验中首次进行了大规模核聚变。