核融合的核心是將兩個原子核強迫結合，形成較重的原子核，過程中釋放出巨大的能量。
原子通常會互相排斥，因為它們的原子核帶有正電荷。為了進行融合，原子核必須被帶到非常接近的距離（約 10⁻¹⁵ 公尺內），使強核力壓倒該排斥力。在極高溫度和壓力的條件下（數億攝氏度），原子核可以達到如此接近的距離。
這正是太陽核心內部發生的事。重力將氫等離子體壓縮到極高密度和高溫，使質子不斷融合，釋放出維持地球上所有生命的光與熱。在地球上，我們希望在受控環境中複製這個過程，沒有太陽的強大重力，利用磁場、雷射或電場來限制熱等離子體。
在地球上以這種過程複製太陽的能量，將能使用比化石燃料更具永續性的資源來產生能源，且不會產生碳排放。成功的商業核融合反應爐將為人類文明帶來變革。
質子-硼-11 核融合
在地球上用於產生核融合能源的燃料主要是氫同位素。在所有這些核融合反應中，質子–硼-11 (p-¹¹B) 獨樹一幟。在相同條件下，D-T 反應比其他反應產生更多能量。燃料氫-1 和硼-11 自然界含量豐富，且可以產生核融合能源，而不會像許多其他核融合反應那樣產生長效放射性廢棄物。來自 p-B 反應的核融合能源極具野心且備受爭議，但它可能是最具永續性的長期解決方案。
質子–硼核融合幾乎完全是無中子反應：它在主要反應中不產生中子，而是透過巨大的能量爆發產生三個氦-4 原子核（α 粒子）。這從根本上改變了核融合反應爐的樣貌及其功能。
反響
當質子（普通氫原子核¹H）以足夠能量與硼-11原子核（¹¹B）碰撞時，會短暫形成激發碳-12原子核，隨後立即分裂成三個α粒子：
p（氫-1）+ ¹¹B（硼-11）→3 × ⁴He（阿爾法粒子）+ 8.7 MeV
每次反應釋放約 870 萬電子伏特的動能，完全由帶電粒子而非中子攜帶。
硼-11約佔自然存在硼的80%。它穩定、無放射性，且在全球硼酸鹽礦床中豐富。氫（質子）當然是宇宙中最常見的元素。這些燃料便宜、廣泛取得且無毒。
風中子優勢
這是 p-¹¹B 核融合的定義性特徵。在 D-T 反應中，大約 80% 的核融合能量是由高能中子攜帶的，這些中子會撞擊反應爐壁，導致原子位移損傷，並使材料隨時間產生放射性。管理中子是傳統核融合面臨的重大工程挑戰之一。
在質子–硼核融合中，主要產物是三個帶電的 α 粒子，即高速移動的氦原子核。沒有中子意味著沒有爐壁活化、電漿腔體無需輻射屏蔽、結構組件壽命更長，且廢棄物處理情況顯著簡化。在反應爐的使用壽命結束後，材料僅會因微量的次級反應而產生輕微活化，在數十年而非數百年內即可達到安全水平。
存在一個次級副反應，一小部分硼-11 會捕獲一個質子並經歷不同的路徑，產生碳-12 和伽馬射線，但這個分支很微小且可控。p-¹¹B 的總中子產量比 D-T 核融合低幾個數量級。
直接能量轉換
由於核融合產物是帶電粒子，p-¹¹B 為直接能量轉換開啟了大門——這種方法理論上可以將高達 70% 或更多的反應能量直接轉換為電能，繞過傳統發電廠使用的低效率渦輪機和熱交換器循環。在直接轉換方案中，α 粒子的動能在靜電場中減速，直接產生電壓。這可能使 p-¹¹B 反應爐的電效率遠高於任何蒸汽循環電廠。
誰在參與？
許多公司和研究小組正在專門從事 p-¹¹B 核融合，或開發適用於該技術的技術。加州的 TAE Technologies（前身為 Tri Alpha Energy）已使用場反轉配置建造了一系列電漿裝置，並明確將氫–硼作為其最終目標。澳洲的 HB11 Energy 正在探索雷射驅動方法，使用高功率雷射點燃富含硼的靶標；他們在 2021 年報告了雷射驅動 p-¹¹B 反應產生 α 粒子的實驗證據，其水平高於經典理論的預測，引發了科學界的極大興趣。Focused Energy 等公司也在開發相關的慣性約束技術。
進展是真實存在的，但距離實現淨能量增益裝置仍有很大差距。主流電漿物理學家的共識是，p-¹¹B 在開發時程上落後 D-T 數十年，儘管這個潔淨、無中子、基本上無限的能源獎勵值得持續的嚴肅投資。
其他核融合方法
並非所有的核融合反應都是平等的。物理學家研究了幾種候選反應，每種反應都有不同的燃料需求、點火溫度和副產物。
氘-氚（D-T）
這是研究最廣泛且目前最先進的核融合反應。氘（氫-2）和氚（氫-3）融合產生氦-4 和一個高能中子。點火溫度相對較「低」，約為 1 億 °C，使其成為最容易實現的反應。正在法國建設的大型國際核融合實驗項目 ITER 即採用這種方法。缺點是氚很稀有，必須從鋰中培育，且高能中子會隨時間導致反應爐材料顯著活化。
氘–氘（D-D）
僅使用從普通海水中提取的氘，這實際上是取之不盡的。然而，D-D 反應需要比 D-T 更高的溫度，且能量產量較低。隨著時間推移，D-D 反應會產生四種產量約略相等的產物。如果能達到足夠高的反應速率，三種帶電產物（質子、氚核和氘核）將具有與 p-11B 類似的直接轉換潛在優勢，但它也會產生中子，儘管顯著少於 D-T。然而，這種產物的複雜性使 D-D 成為核融合教育和研究的絕佳選擇。
氘-氦-3（D-³He）
這是一個極具吸引力的反應，因為它產生的中子極少，幾乎是「無中子」的，從而減少了材料損傷和放射性活化。它還允許將帶電粒子輸出直接轉換為電能的可能性。問題在於：氦-3 在地球上極其稀有，儘管它在月球表面存量較大，使其成為一個長期但具物流挑戰性的燃料。