可控核聚变的目标是模拟太阳的核聚变过程，在地球上实现持续的能量输出。其核心挑战在于创造并维持能发生聚变的极端环境，即满足劳森判据所要求的上亿摄氏度高温、足够高的等离子体密度以及足够长的能量约束时间。
当前最主流的燃料组合是氘和氚。氘可从海水中大量提取，而具有放射性的氚则需通过聚变产生的中子与锂反应在堆内增殖，这是未来实现燃料自持的关键。实现聚变的两大技术路线是磁约束和惯性约束。
磁约束聚变利用强磁场将高温等离子体约束在真空室中，其中托卡马克是研究最深入、最接近实现净能量增益的路线。国际热核聚变实验堆(ITER)采用超导磁体技术，旨在验证长时间稳态运行的工程可行性。私营企业如Commonwealth Fusion Systems则通过高温超导磁体追求更紧凑、经济的装置设计。另一种磁约束路线仿星器(如德国Wendelstein 7-X)通过外部复杂线圈实现约束，理论上更易于稳态运行，但对工程精度要求极高。
惯性约束聚变采用完全不同的技术路径，如美国国家点火装置(NIF)使用高能激光瞬间压缩并加热靶丸，使其在飞散前发生聚变。NIF虽已实现靶丸能量增益(Q>1)，但驱动器效率较低，且重复频率和靶丸批量制造仍是工程难题。
无论采用何种路线，工程上都面临共性挑战：如何高效加热等离子体、设计能承受极端中子辐照和热负荷的第一壁材料，以及构建能有效吸收中子能量并增殖氚的包层系统。当前，采用高温超导技术的紧凑型托卡马克被视为最具潜力的商业化路径，但可控核聚变的全面实现仍需在物理与材料等核心领域取得持续突破。
