核聚变发电利用轻原子核“聚变”所释放的能量。当两个轻原子核融合时，所产生的原子核质量比原来两个原子核质量之和略轻。这一质量差没有消失，而是被转化为能量。令人惊讶的是，这种微小的质量损失转化为巨大的能量，使得追求核聚变能非常值得。
物质通常有三种状态：固态、液态和气态。如果气体被置于极高温下，就会变成等离子体。在等离子体中，电子被从原子中剥离出来。失去围绕原子核运行电子的原子被认为处于电离状态，并被称为离子。因此，等离子体是由离子和自由电子组成的。在这种状态下，科学家们可以激发离子，使其相互碰撞、聚变，并释放能量。
为提取能量而保持等离子体稳定，这比较困难。等离子体处于无序状态、超热，易发生混沌和其他不稳定性。虽然对等离子体的认识、建模和控制极其复杂，但研究人员在过去的几十年里已取得巨大的进步。
科学家们使用磁约束装置操纵等离子体。此类最常见聚变反应堆是托卡马克和仿星器。对未来聚变能电厂而言，目前这些是前景最好的概念。
这两种类型反应堆均利用带电粒子与磁力发生反应这一事实。反应堆中的强磁体使离子受到约束。电子也被反应堆的力所束缚，并在周围环境中起作用。磁力不断地使这些粒子在其环形反应堆内旋转，以防止它们逃离等离子体。