국가핵융합연구소(國家核融合硏究所, National Fusion Research Institute, NFRI)는 미래 녹색에너지원으로 세계가 주목하고 있는 핵융합에너지 개발을 선도하기 위하여 설립된 대한민국 미래창조과학부 산하 한국기초과학지원연구원 부설 핵융합전문 연구기관이다. 대전광역시 유성구 과학로 169-148(어은동)에 위치하고 있다.
국가핵융합연구소는 인류의 에너지 문제를 해결하기 위해 태양에너지의 원리인 핵융합을 지구상에 구현하는 연구를 수행하고 있다. 지구에서 핵융합반응을 만들기 위해서는 태양과 같은 초고온의 환경을 인공적으로 만들어야 한다. 즉, 핵융합 반응은 연료인 중수소와 삼중수소 외에 1억℃ 이상의 초고온 플라즈마 상태가 필요하며, 이때 핵융합 반응이 일어날 수 있도록 초고온의 플라즈마 상태를 유지할 수 있는 용기도 있어야 한다.
우리나라 핵융합 연구의 시작은 1995년 12월 ‘국가 핵융합 연구개발 기본계획’이 확정되면서 시작됐다. 1996년 1월 핵융합연구개발사업단이 출범하고 2002년 9월 핵융합 특수실험동 건물이 준공됐으며, 2003년 6월에는 세계 주요 선진 7개국이 공동 수행하고 있는 국제핵융합실험로(International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER) 프로젝트에 공식적으로 참여하였다.
핵융합연구개발사업단 출범 후, 차세대 초전도 핵융합 연구장치인 케이스타(Korea SuperConducting Tokamak Advanced Research, KSTAR)를 개발하기 시작해, 2004년 6월 대형 진공용기 및 극저온용기 제작을 완료했다. 2007년 9월 KSTAR 완공식을 개최했으며, 이때, 명칭도 국가핵융합연구소로 변경됐다. 2008년 7월 KSTAR에서 최초로 플라즈마를 발생시켰으며, 2010년 11월에는 초전도 핵융합 장치로는 세계 최초로 고성능 H모드를 달성했다. 2014년 12에는 ITER 참여국 중 최초로 ITER에 ‘초전도 도체’를 조달했다.