核聚变反应对于温度的要求非常高，通常需要达到上亿摄氏度。在如此高的温度下，气体分子将被完全电离，此时物质以高温等离子体（完全电离的气体）形态存在。为了持续输出反应能量，对于聚变等离子体的有效约束是关键。通常对于此类高温等离子体的约束方式有3种，即引力约束、惯性约束，以及磁约束，具体如下：

太阳发光发热的能量来源是引力约束核聚变。太阳自身质量巨大，可以通过自身巨大的引力把核燃料束缚在一起。太阳内部的压力非常大，在这种极端高温高压的环境下，核燃料发生核聚变反应释放能量。引力约束核聚变作为太阳能量的来源，是一种天然存在的热核聚变反应堆，然而由于人类无法在满足足够小体积的条件下制造出如此大质量的物体，因此目前引力约束核聚变还只是大自然的专利，人类现阶段的技术手段尚无法在地面上制造出可以实现引力约束核聚变的反应堆。

惯性约束是另一种核聚变常用的约束方式，它通常采用高能量的激光或粒子束将燃料加热和压缩为等离子体，在自身惯性作用下，等离子体在极短的时间内来不及向四周飞散，在此过程中被压缩至高温、高密度的物理状态，从而发生核聚变反应，其过程如图1所示。由于这种核聚变的方式是通过等离子体自身的惯性作用约束而实现的，因此被称为惯性约束核聚变。这种约束方式约束的时间尺度较短，形成的等离子体具有较高的温度和密度等特征参数，需要大量的能量输入和精密的控制技术。

对于惯性约束核聚变的研究无论对国民经济、军事应用，还是对于基础研究的探索都具有重要意义。美国的国家点火装置（NIF）和中国的神光系列研究装置都是具有代表性的惯性约束核聚变研究装置。

磁约束被认为是目前最有希望实现大规模受控核聚变反应的一种约束方式。由于带电粒子在磁场中趋向于沿着磁力线运动，而横跨磁力线的运动将会受到限制，这时的磁场可以起到约束带电粒子的作用，约束过程如图2所示。磁约束核聚变通过加热等外部手段将燃料温度提升，极高的温度使得燃料完全电离形成等离子体，采用特殊结构的磁场形式把燃料离子和大量自由电子组成的处于热核反应状态的高温等离子体约束在有限的体积内，使之受到控制地发生核聚变反应，并在此过程中释放出能量。增强磁场可以大幅度地减小带电粒子横越磁力线的扩散和导热特性，使处于磁场中的高温等离子体与反应容器的壁面隔开，从而保护壁面不受高温侵袭。

轻原子核在一定条件下可以发生聚合反应，并在反应过程中损失一部分质量。爱因斯坦的质能方程表明，损失的质量将以能量的形式释放出来，这也是聚变能量来源的物理基础。对于一般的轻核聚变反应，氘氚（D-T）反应由于其碰撞截面较大而被认为是有望最早实现的受控热核聚变反应，下面以氘氚聚变为例，简要介绍磁约束聚变反应堆提供能源的工作原理。

氘氚（D-T）反应（²D+³T→⁴He+n）生成14.1 MeV的中子和3.5 MeV的α粒子，如图3所示，还有少量D-D反应（次级反应或副反应）产生的2.45 MeV的中子。此外，中子与锂（⁶Li）反应，可以生成氚和氦（n+⁶Li→⁴He+³T），如图4所示。在聚变反应堆运行过程中，可以利用中子与锂的反应产生氘氚聚变所需的燃料氚，进而完成核燃料循环中的氚循环过程。

D-T反应生成的氦作为“氦灰”排出，反应产生的高能中子在聚变反应堆的包层中慢化，中子的动能转化为热能。可以采用6Li作为吸收反应产物的包层，包层中还包括中子增殖剂和冷却剂，称为增殖包层。在聚变中子作用下，包层中的6Li可以生成氚再进入反应室作为燃料，形成氚的循环利用。总体来看，该过程需要补充的燃料为氘，同时需要补充因为与中子发生反应而损失掉的⁶Li。氚作为一种较难获得的燃料在该过程中循环使用，只是在反应堆“点火”时需要参与初始反应的氚。对外排出的物质是反应生成的氦，以及更换下来的增殖包层废料。聚变反应产生的中子能量被包层吸收，使得包层温度升高，将升温的能量用于加热工质并推动汽轮机发电。

一个典型氘氚聚变反应堆的主循环过程如图5所示。从该过程可以看出，当前对于受控核聚变能源研究的挑战除了燃烧等离子体自身的加热和稳定性等问题外，抗高通量中子辐照的包层材料及氚循环过程的挑战也是制约聚变发展的重要因素。