핵융합 에너지는 두 개의 가벼운 원자핵이 합쳐져 더 무거운 원자핵을 형성할 때 방출되는 막대한 에너지를 활용하는 기술이다. 태양과 별들이 이러한 핵융합 반응으로 수십억 년 동안 빛과 열을 내보내고 있으며, 과학자들은 이 우주적 현상을 지구 위에서 통제 가능한 형태로 재현하려는 노력을 계속해왔다.
핵융합 반응은 주로 수소의 동위원소인 중수소와 삼중수소를 이용하여 진행된다. 이들 원자핵이 결합할 때 질량 결손으로 인해 아인슈타인의 E=mc² 공식에 따라 엄청난 에너지가 방출된다. 핵분열 방식의 원자력 발전과 달리, 핵융합은 이론상 폭발적인 연쇄반응이 일어나지 않으며 에너지 밀도가 훨씬 높다. 1킬로그램의 핵융합 연료는 석탄 약 1만 톤이 내보내는 에너지와 같은 양을 생산할 수 있다.
현재 핵융합 에너지의 상용화를 위해 두 가지 주요 방식이 연구 중이다. 먼저 자기장을 이용하여 초고온의 플라즈마를 압축하는 자기 폐쇄 방식은 토카막과 스텔라레이터 같은 장치들이 대표적이다. 다른 방식은 강력한 레이저를 통해 핵융합 연료를 가압하는 관성 폐쇄 방식으로, 최근 몇 년간 기술적 진전을 이루고 있다. 두 방식 모두 1억도 이상의 극도로 높은 온도가 필요하며, 이를 안정적으로 유지하는 것이 가장 큰 기술적 과제이다.
핵융합 에너지 개발의 의의는 다각적이다. 첫째, 매장량이 풍부하고 환경 오염이 거의 없는 청정 에너지원이 될 수 있다는 점이다. 둘째, 핵분열 원자력처럼 고준위 방사성 폐기물을 대량으로 남기지 않는다. 셋째, 통제 불능의 연쇄반응이 이론적으로 불가능하여 안전성이 높다. 다만 아직까지 투입된 에너지보다 더 많은 에너지를 산출하는 순이득 상태, 즉 '핵융합 점화'에 도달하지 못했으며, 이 기술의 상용화는 수십 년 이상 필요할 것으로 예상된다. 국제적으로는 한국, 미국, 중국, 일본, 유럽연합 등이 대규모 핵융합 프로젝트에 투자하고 있으며, 민간 기업들도 이 분야에 진입하고 있다.