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原子核融合（げんしかくゆうごう、Nuclear fusion）とは、軽い元素同士が融合してより重い元素になる反応のことを指す。一般には核融合として知られる。
原子核同士がある程度接近すると、原子核同士が引き合う力（核力）が反発する力（クーロン力）を超え、2つの原子が融合することになる。
融合のタイプによっては融合の結果放出されるエネルギー量が多いことから水素爆弾など大量破壊兵器に用いられる。
恒星の生み出すエネルギーも、基本的には核融合によるものである。
また、現在ある核分裂エネルギーを利用する原子力発電に替えて、核融合エネルギーを用いた発電に注目する者もある。放射性物質など危険な廃棄物が少ないこと、水素など安価な資源を利用できること、などが理由である。
技術的困難としては、1億度程度の高温でなければ反応が起こらず、そのような高温状態では物質はプラズマ状態となり、通常の容器に安定して収納することができない点にある。そのため磁力線を利用してプラズマを保持するトカマク装置が開発されたが、未だに保持時間は1秒程度でしかなく、さらに保持のために投入するエネルギーの方が、反応により得られるエネルギーよりも大きい「赤字」状態である。そのため常温核融合の道も模索されている。
さらに反原発運動の高まりから核融合実験そのものの前途も険しい。
核融合の方法には世界各国にいくつかの方法がある。 日本で研究が進んでいるものはトカマク型と大阪大学で研究が進んでいるレーザー核融合である。