聚變燃料有氘、氚、鋰-6和氘化鋰-6等。氘是氫的穩定同位素，天然水中氘的豐度為0.015%，就全球而言，其存量極其巨大，可謂取之不盡，用之不竭。為了使之與占99.985%的氫分離，可用電解、蒸餾或化學交換等方法製取。氚是氫的放射性同位素，半衰期為12.33年，係用金屬鋰-6或其合金在核反應堆中經中子反應而生成。天然鋰中鋰-7的豐度為92.5%，鋰-6隻占7.5%，通常經過汞齊法將鋰-6濃縮到90％以上。
由於原子核均帶正電，當它們靠近時相互間存在很強的庫倫斥力，即使是單電荷的氫或其同位素的核，在通常條件下也很難發生聚合，隻有當原子核具備了足夠的動能，才能克服庫倫斥力彼此靠近，從而增加發生聚變反應的機率。在加速器或中子管中加速輕核再使之轟擊其他輕核的靶子可以實現聚變反應，但加速輕核所投入的能量遠高於靶上聚變反應所釋放的能量，核反應的規模也很小。大量釋放核聚變能的可行方法是將聚變材料“加熱”到很高的溫度，使其原子核獲得足夠的動能。氘核和氚核在幾百萬K即能發生明顯的聚變反應，即氘-氘聚變和氘-氚聚變反應，溫度更高，則更有利於聚變反應的進行。最能引起興趣的是氘-氚聚變產生氦-4和中子的反應，速率快，釋放的能量高。每次聚變放出的17.6MeV能量中有14.1MeV的能量為中子所帶走，即生成的是高能中子。
但是，人工造成幾百萬K以上的高溫是非常困難的。利用原子彈爆炸提供的條件，已實現了大規模的氫同位素的聚變反應，從而發明了氫彈。通過人工控製的持續的聚變反應建成聚變反應堆，實現聚變能的和平利用，是一種美好的理想。這種反應堆所用的燃料儲量極為豐富，放射性廢物少，安全性好。不過要實現這個理想，尚有很長的研究路程。