可以發生聚變反應的輕核有很多種，但首選的聚變材料是氫以及它的同位素氘和氚。氫的原子核隻有一個質子；氘和氚的原子核中，除各有一個質子以外，氘核中還有一個中子，氚核中則有兩個中子。質子帶正電，中子不帶電，原子核帶正電，就是因為其中的質子帶正電。氫、氘、氚的核中各隻有一個質子，它們在所有物質的原子核中帶正電量最少。因經它們的核之間靜電斥力最小，也就是說它們最容易發生聚變。不但容易發生聚變，而且釋放出的聚變能也比其他類的聚變反應多。在氫類的核聚變中，又以氘核和氚核的聚變反應最好。氫彈用的聚變材料主要是氘和氚，這是它之所以稱為“氫”彈的原因。氫彈中裝了一個小型的原子彈作為引爆裝置。原子彈爆炸產生極高的溫度和壓力，使氫彈在一瞬間發生熱核反應而爆炸。這種一瞬間發生的大規模熱核聚變反應，不受人工控製，巨大的聚變能一下子被釋放幹淨，無法按照人們的意誌來有效地加以利用。
能不能像控製裂變反應那樣，造出熱核反應堆來控製熱核反應呢？對於科學家來說，這還是一件非常困難的事。
當然，就像上麵所說的，首先要將聚變材料（氘和氚）加熱到1億攝氏度的高溫。在這樣的高溫下，原子核外的電子已經與核完全脫離，使聚變材料完全變成由自由的帶電粒子——原子核和脫離了原子核的電子組成的氣體，稱為等離子體。
另外，雖然在億度高溫的等離子體中原子核已具有了足夠的動能，但仍不能保證它們能互相碰撞。為了加大它們碰撞的機會，要對等離子體進行控製，即要把它“壓縮”到一個很小的空間內，使粒子的密度大大增加。一般這個密度要達到每立方米中的粒子數大於1萬億億個。
熱核反應堆如果能使材料達到1億攝氏度的高溫並將粒子密度壓縮到每立方米1萬億億個，且能使這種狀態維持到1秒鍾以上，熱核反應就能發生並可持續地進行下去。以後的高溫，就可以靠已經發生的聚變所產生的能量中的一部分來維持了。
但是，溫度如此高的等離子體無法用任何容器來容納。於是科學家想出用封閉磁場組成的“容器”來約束。這個“容器”又叫磁籠，它看不見，摸不著，不怕高溫。這種約束等離子體的方法叫磁約束。
前蘇聯科學家設計的熱核反應裝置——托卡馬克采用的就是磁約束裝置。在這種裝置中，聚變反應是在環狀圓管內進行的。管上繞的通電超導線圈產生強磁場，使等離子體在管的中心線上做圓周運動，不和管壁接觸。首先用電磁感應產生的大電流的歐姆熱將等離子體加熱到1000萬攝氏度，再用注入高能中性粒子束等方法使等離子體達到億度高溫。
除前蘇聯外，美國、西歐、日本等都建有托卡馬克裝置，其中在20世紀80年代建成了世界著名的“四大托卡馬克係統”，即美國普林斯頓大學的托卡馬克聚變實驗堆、建在英國的歐洲聯合核聚變實驗室的托卡馬裝置、建在日本茨城縣那珂町的日本原子力研究所的JT60和建在莫斯科的俄羅斯的T15。1991年11月9日，歐洲聯合核聚變實驗室首次成功地完成了受控核聚變反應實驗，聚變的時間持續了2秒鍾，溫度高達3億℃，且有1700千瓦的能量輸出。當然，實驗與實用之間還存在著相當大的距離。
除了磁約束方法外，近年來科學家們又進行利用強大的激光或核粒子束對氘和氚的固體球誘發核聚變的研究，並已初見成效，這種方法稱為慣性約束法。
現在世界上已有數百座熱核反應實驗裝置。我國也有了近10個小型托卡馬克裝置，其中最大的是1989年9月建成的“中國環流1號”。它的建成使我國又獲得了一個研究熱核聚變的有力工具。
目前，美、英、俄、日等14國正在聯合建造一座“國際熱核反應堆”，估計在2005年投入使用。這個托卡馬克型的反應堆有10層樓那麼高，裝有能量轉換和傳導設備，可以直接用於發電試驗。然而，即使發電試驗成功，人類要用上利用聚變能發出的電，估計也要在2020年以後才能實現。