الاندماج النووي

كان الكيميائي الأمريكي ويليام دريبر هاركنز أول من اقترح مفهوم الاندماج النووي عام 1915. ^{[ 1 ]} وقد أتاح اختراع فرانسيس ويليام أستون لجهاز مطياف الكتلة عام 1919 اكتشاف أن أربع ذرات هيدروجين أثقل من ذرة هيليوم واحدة. وهكذا، في عام 1920، تنبأ آرثر إدينغتون بشكل صحيح بأن اندماج الهيدروجين إلى هيليوم قد يكون المصدر الرئيسي للطاقة النجمية. ^{[ 2 ]}

اكتشف فريدريك هوند ظاهرة النفق الكمومي عام 1927، وعلاقتها بمستويات الإلكترون. ^{[ 3 ] [ 4 ]} وفي عام 1928، كان جورج غاموف أول من طبّق مفهوم النفق الكمومي على النواة، بدءًا بتحلل ألفا ، ثم على الاندماج النووي كعملية عكسية. وبناءً على ذلك، وضع روبرت أتكينسون وفريتز هوترمانز ، عام 1929، أولى التقديرات لمعدلات الاندماج النووي النجمي. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

في عام 1938، تعاون هانز بيث مع تشارلز كريتشيفيلد لحصر سلسلة تفاعلات البروتون-بروتون التي تهيمن على النجوم الشبيهة بالشمس. وفي عام 1939، نشر بيث اكتشاف دورة CNO الشائعة في النجوم ذات الكتلة الأعلى.

خلال عشرينيات القرن العشرين، أجرى باتريك بلاكيت أولى التجارب الحاسمة في مجال التحويل النووي الاصطناعي في مختبر كافنديش . هناك، قام جون كوكروفت وإرنست والتون ببناء مولدهما مستلهمين من ورقة غاموف البحثية. وفي أبريل 1932، نشرا تجارب على التفاعل التالي:

⁷ ₃ Li+p→ ⁸X → 2 ⁴ ₂ He

حيث تم تأكيد أن النظير الوسيط هو البريليوم-8 قصير العمر للغاية . ^{[ 7 ]} وهذا يدعي أنه أول تفاعل اندماج اصطناعي.

في أوراق بحثية من يوليو ونوفمبر 1933، قام إرنست لورانس وآخرون في مختبر الإشعاع بجامعة كاليفورنيا ، في بعض من أوائل تجارب السيكلوترون ، بإنتاج أول تفاعلات اندماج الديوتيريوم-الديوتيريوم عن طريق الصدفة:

² ₁ D+ ² ₁ D→ ³ ₁ T+ p

² ₁ D+ ² ₁ D→ ³ ₂ He+ ¹ ₀ n

قام مختبر الإشعاع، الذي لم يرصد سوى البروتونات والنيوترونات النشطة الناتجة، ^{[ 8 ] [ 9 ]} بتفسير المصدر بشكل خاطئ على أنه تفكك طارد للحرارة للديوترونات، وهو أمرٌ ثبت استحالته الآن. ^{[ 10 ]} في مايو 1934، نشر مارك أوليفانت ، وبول هارتيك ، وإرنست رذرفورد في مختبر كافنديش، ^{[ 11 ]} تجربة اندماج ديوتيريوم مقصودة، واكتشفوا كلاً من التريتيوم والهيليوم -3 . ويُعتبر هذا على نطاق واسع أول برهان تجريبي على الاندماج النووي. ^{[ 10 ]}

في عام 1938، قام آرثر روليغ في جامعة ميشيغان بأول ملاحظة لاندماج الديوتيريوم والتريتيوم (DT) والنيوترونات المميزة له التي تبلغ طاقتها 14  ميغا إلكترون فولت، والمعروفة الآن بأنها التفاعل الأكثر ملاءمة:

² ₁ D+ ³ ₁ T→ ⁴ ₂ He+ ¹ ₀ n

بدأ البحث في الاندماج النووي للأغراض العسكرية في أوائل أربعينيات القرن العشرين كجزء من مشروع مانهاتن . في عام ١٩٤١، دار نقاش بين إنريكو فيرمي وإدوارد تيلر حول إمكانية استخدام قنبلة انشطارية لخلق ظروف الاندماج النووي الحراري. وفي عام ١٩٤٢، لفت إميل كونوبينسكي انتباه المشروع إلى عمل روليغ حول تفاعل الديوتيريوم-التريتيوم. في البداية، كلف ج. روبرت أوبنهايمر فيزيائيين من جامعتي شيكاغو وكورنيل باستخدام السيكلوترون بجامعة هارفارد لإجراء دراسة سرية للمقطع العرضي لهذا التفاعل، وكذلك تفاعل الليثيوم (انظر أدناه). أُجريت القياسات في جامعات بيردو وشيكاغو ولوس ألاموس بين عامي ١٩٤٢ و١٩٤٦. أعطت الافتراضات النظرية حول اندماج الديوتيريوم-التريتيوم مقطعًا عرضيًا مشابهًا لاندماج الديوتيريوم-الديوتيريوم. مع ذلك، في عام ١٩٤٦، اكتشف إيغون بريتشر تعزيزًا بالرنين ، مما جعل المقطع العرضي لتفاعل الديوتيريوم-التريتيوم أكبر بنحو ١٠٠ مرة. ^{[ ١٢ ]}

منذ عام 1945، استخدم جون فون نيومان وتيلر وعلماء آخرون من مختبر لوس ألاموس جهاز إينياك ، أحد أوائل الحواسيب الإلكترونية، لمحاكاة تفجيرات الأسلحة النووية الحرارية. ^{[ 13 ]} في يناير 1950، بعد عدة أشهر من اكتشاف أول تجربة انشطار سوفيتية ، أعلنت الولايات المتحدة عن برنامج مكثف لتطوير القنبلة الهيدروجينية. ركزت الجهود النظرية الأولية على فكرة تفاعل اندماج ذاتي الاستدامة في "أنبوب" من الديوتيريوم السائل (غير المضغوط)، يبدأ بقنبلة انشطارية وكمية صغيرة من اندماج الديوتيريوم والتريتيوم عند أحد طرفي القنبلة. لكن الحسابات التي أُجريت بعد الإعلان بفترة وجيزة أظهرت أن هذا النهج من غير المرجح أن ينجح: فحتى لو تحقق اندماج الديوتيريوم في مثل هذه الخطة، فإن فقدان الطاقة سيوقف تقدم التفاعل فورًا. أدى البحث عن أفكار جديدة إلى تصميم تيلر-أولام ، نسبةً إلى تيلر وستانيسلاف أولام ، والذي استخدم طاقة الإشعاع المنبعثة من قنبلة انشطارية لضغط وقود الاندماج النووي بشدة ( الانفجار الإشعاعي ) قبل اشتعاله. وقد تحقق ذلك من خلال الفصل المادي بين مكونات الانشطار ("الأولية") والمكونات النووية الحرارية ("الثانوية") ووضعها داخل غلاف يحصر طاقة الإشعاع ويعيد توجيهها بالشكل المناسب. ^{[ 14 ]}

تم اختبار هذا المفهوم لأول مرة خلال تجربة "غرينهاوس جورج" النووية الأمريكية في مايو 1951، باستخدام كمية صغيرة من غاز الديوتيريوم والتريتيوم . أنتج الجهاز أكبر قوة انفجارية حتى ذلك الحين، بلغت 225 كيلوطن ، ناتجة بالكامل تقريبًا عن الانشطار النووي، لكن النتائج التجريبية أكدت صحة المفهوم الأساسي. كما أظهرت تجربة أخرى ضمن سلسلة تجارب "غرينهاوس"، وهي تجربة " غرينهاوس آيتم " ، مفهومًا يُعرف باسم "التعزيز" ، حيث تم إدخال كمية صغيرة من خليط الديوتيريوم والتريتيوم في مركز سلاح انشطاري من نوع الانفجار الداخلي. أدى تفجير السلاح إلى حدوث اندماج نووي طفيف، لكن النيوترونات الناتجة عن تفاعل الاندماج زادت بشكل كبير من كفاءة تفاعل الانشطار، مما ضاعف قوته الانفجارية.

تم إثبات جدوى تصميم تيلر-أولام بشكل كامل في اختبار آيفي مايك الذي أُجري في نوفمبر 1952. كان هذا اختبارًا كامل الحجم ثنائي المراحل لدمج الديوتيريوم السائل ، صممه ريتشارد غاروِن ، وأنتج قوة تعادل أكثر من 10 ميغا طن من مادة تي إن تي. نتج أكثر من 70% من قوة الانفجار عن الانشطار النووي، ومعظمه عن الانشطار السريع لمادة اليورانيوم المستخدمة كغطاء بواسطة النيوترونات الناتجة عن اندماج الديوتيريوم. لم يكن هذا سلاحًا عمليًا، إذ بلغ وزن المعدات المبردة اللازمة للحفاظ على الديوتيريوم في الحالة السائلة 80 طنًا. ^{[ 14 ]}

كان لدى الاتحاد السوفيتي برنامجه الخاص بالقنبلة الهيدروجينية. في أغسطس 1953، أجرى اختبارًا لقنبلة تُعرف باسم RDS-6s . كانت هذه القنبلة نوعًا من الأسلحة "المعززة"، وإن كانت تستخدم طاقة اندماجية أكبر بكثير من النهج الأمريكي. استخدمت وقودًا صلبًا، وهو ديوتيريد الليثيوم ، كوقود للاندماج. بلغت قوتها 400 كيلوطن، منها 20% ناتجة عن الاندماج. وباعتبارها سلاحًا أحادي المرحلة، افتقرت إلى الكفاءة والمرونة التي وعدت بها الأسلحة ثنائية المرحلة، ولكن كان من الممكن نشرها فورًا. ^{[ 15 ]}

تم تحديد ديوتيريد الليثيوم من قبل كل من الولايات المتحدة والاتحاد السوفيتي كوقود اندماجي محتمل للأسلحة. ولأنه صلب، فإنه لا يتطلب تبريداً فائقاً لاستخدامه بفعالية في الأسلحة الكبيرة. وكان نظير الليثيوم-6 شديد التفاعل، ويمكن استخدامه لتوليد التريتيوم طارد للحرارة عبر دورة جيتر .

⁶ ₃ لي+ ¹ ₀ ن→ ⁴ ₂ هو+ ³ ₁ ت

أثناء الانفجارات النووية الحرارية، يوفر هذا التريتيوم لتفاعل DT عالي الطاقة، ويستفيد من إنتاجه للنيوترونات، مما يخلق دورة نيوترونية مغلقة. ^{[ 16 ]}

اختبرت الولايات المتحدة جهازًا قابلًا للإيصال يعمل بديوتيريوم الليثيوم عام 1954. حقق جهاز كاسل برافو قوة تفجيرية عالية بشكل غير متوقع بلغت 15  ميغا طن، وأنتج كميات كبيرة من التلوث الإشعاعي . وفي عام 1955، اختبر السوفيت أول جهاز ثنائي المراحل، RDS-37 ، بقوة تفجيرية بلغت 1.5  ميغا طن، بعد أن اكتشفوا مبدأ عمله بشكل مستقل على ما يبدو. وقد سمحت الابتكارات اللاحقة في مجال الأسلحة النووية بتصغير حجم الأسلحة ثنائية المراحل بشكل ملحوظ. ^{[ 15 ]}

على الرغم من أن تفجيرات القنابل الاندماجية كانت تُدرس بشكل عام لإنتاج الطاقة ، إلا أن إمكانية التفاعلات المُتحكم بها والمستدامة ظلت محور التركيز العلمي للطاقة الاندماجية السلمية. وقد استمرت الأبحاث لتطوير الاندماج المُتحكم به داخل مفاعلات الاندماج منذ ثلاثينيات القرن العشرين، حيث أنتج جهاز سكيلا 1 التابع لمختبر لوس ألاموس الوطني أول اندماج نووي حراري في المختبر عام 1958، إلا أن هذه التقنية لا تزال في طور التطوير. ^{[ 18 ]}

كانت أولى التجارب التي أنتجت كميات كبيرة من طاقة الاندماج النووي المُتحكَّم بها هي التجارب التي أُجريت باستخدام مزيج من الديوتيريوم والتريتيوم في مفاعلات التوكاماك . وقد أنتجت التجارب التي أُجريت في مفاعل TFTR التابع لمركز برينستون لفيزياء البلازما (PPPL) في جامعة برينستون ، نيوجيرسي، الولايات المتحدة الأمريكية، خلال الفترة 1993-1996، طاقة اندماج نووي مقدارها 1.6  جيجا جول. وبلغت ذروة طاقة الاندماج النووي 10.3  ميجا واط .3.7 × 10^ ¹⁸ تفاعلًا في الثانية، وبلغت ذروة طاقة الاندماج المتولدة في عملية تفريغ واحدة 7.6  ميغا جول. وحققت التجارب اللاحقة في جهاز JET عام 1997 ذروة طاقة اندماج بلغت 16  ميغا واط (5.8 × 10 ¹⁸ /ثانية ). تم حساب قيمة Q المركزية ، والتي تُعرف بأنها نسبة طاقة الاندماج المحلية المنتجة إلى طاقة التسخين المحلية المطبقة، لتكون 1.3. ^{[ 19 ]} أنتجت تجربة JET في عام 2024  طاقة اندماج قدرها 69 ميغا جول، مستهلكة 0.2  ملغم من الديوتيريوم والتريتيوم.

صُمم المرفق الوطني الأمريكي للإشعال ، الذي يستخدم الاندماج بالقصور الذاتي المُوجَّه بالليزر ، بهدف تحقيق عامل كسب طاقة الاندماج (Q) أكبر من واحد؛ أُجريت أولى التجارب واسعة النطاق على هدف ليزري في يونيو 2009، وبدأت تجارب الإشعال في أوائل عام 2011. ^{[ 20 ] [ 21 ]} في 13 ديسمبر 2022، أعلنت وزارة الطاقة الأمريكية أنه في 5 ديسمبر 2022، نجحوا في تحقيق نقطة التعادل في الاندماج، "حيث تم توصيل 2.05  ميغا جول (MJ) من الطاقة إلى الهدف، مما أدى إلى  إنتاج 3.15 ميغا جول من طاقة الاندماج". ^{[ 22 ]} معدل تزويد خلية الاختبار التجريبية بالطاقة أكبر بمئات المرات من الطاقة المُوَصَّلة إلى الهدف.

قبل هذا الإنجاز، لم تكن تفاعلات الاندماج النووي المُتحكَّم بها قادرة على إنتاج اندماج نووي مُتحكَّم به مُستدام (مُكتفٍ ذاتيًا). ^{[ 23 ]} وأكثر طريقتين تقدماً لتحقيق ذلك هما الحصر المغناطيسي (التصاميم الحلقية) والحصر بالقصور الذاتي (التصاميم الليزرية). ويجري حاليًا تطوير تصاميم عملية لمفاعل حلقي يُفترض أن يُنتج طاقة اندماج نووي تفوق عشرة أضعاف الطاقة اللازمة لتسخين البلازما إلى درجات الحرارة المطلوبة (انظر ITER ). ومن المتوقع حاليًا أن يبدأ مرفق ITER تجارب البلازما في عام 2034، ولكن من غير المتوقع أن يبدأ الاندماج النووي الكامل بين الديوتيريوم والتريتيوم حتى عام 2039. ^{[ 24 ]}

حصلت الشركات الخاصة التي تسعى إلى تسويق الاندماج النووي على 2.6 مليار دولار من التمويل الخاص في عام 2021 وحده، وذهبت إلى العديد من الشركات الناشئة البارزة بما في ذلك على سبيل المثال لا الحصر Commonwealth Fusion Systems و Helion Energy Inc. و General Fusion و TAE Technologies Inc. و Zap Energy Inc. ^{[ 25 ]}

يُعدّ مفاعل الاندماج النووي WEST في فرنسا أحد أحدث الإنجازات في مجال الحفاظ على تفاعل اندماجي مستدام، حيث حافظ على بلازما بدرجة حرارة 90 مليون درجة مئوية لمدة قياسية بلغت ست دقائق. وهو مفاعل من نوع توكاماك، وهو نفس نوع مفاعل ITER المُزمع إنشاؤه. ^{[ 26 ]}

تُعدّ عملية الاندماج النووي النجمي، التي تُمدّ النجوم ، بما فيها الشمس، بالطاقة ، عمليةً بالغة الأهمية. في القرن العشرين، تبيّن أن الطاقة المنبعثة من تفاعلات الاندماج النووي هي المسؤولة عن استمرار حرارة النجوم وضوئها. يُوفّر اندماج النوى في النجم، انطلاقًا من وفرة الهيدروجين والهيليوم الأولية فيه، هذه الطاقة ويُنتج نوى جديدة. وتختلف سلاسل التفاعلات المُشاركة، تبعًا لكتلة النجم (وبالتالي الضغط ودرجة الحرارة في نواته).

في حوالي عام 1920، تنبأ آرثر إدينغتون باكتشاف آلية عمليات الاندماج النووي في النجوم، وذلك في بحثه "التركيب الداخلي للنجوم" . ^{[ 31 ] [ 32 ]} في ذلك الوقت، كان مصدر طاقة النجوم مجهولاً؛ وقد افترض إدينغتون، بشكل صحيح، أن المصدر هو اندماج الهيدروجين إلى هيليوم، مما يُحرر طاقة هائلة وفقًا لمعادلة أينشتاين E = mc² . كان هذا تطورًا لافتًا للنظر بشكل خاص ^، إذ لم يكن الاندماج والطاقة النووية الحرارية قد اكتُشفا بعد، ولا حتى أن النجوم تتكون في معظمها من الهيدروجين . وقد استند بحث إدينغتون إلى ما يلي:

1. تنص النظرية السائدة لطاقة النجوم، وهي فرضية الانكماش، على أن دوران النجم سيتسارع بشكل ملحوظ بسبب قانون حفظ الزخم الزاوي . لكن رصد النجوم المتغيرة من نوع سيفيد أظهر أن هذا لم يحدث.
2. المصدر الوحيد الآخر المعروف والمحتمل للطاقة هو تحويل المادة إلى طاقة؛ وقد أظهر أينشتاين قبل بضع سنوات أن كمية صغيرة من المادة تعادل كمية كبيرة من الطاقة.
3. أظهر فرانسيس أستون أيضًا أن كتلة ذرة الهيليوم تقل بنحو 0.8% عن كتلة ذرات الهيدروجين الأربع التي تتحد لتكوين ذرة هيليوم (وفقًا للنظرية السائدة آنذاك لبنية الذرة، والتي كانت تعتبر الوزن الذري الخاصية المميزة بين العناصر؛ وقد أظهرت أعمال هنري موزلي وأنطونيوس فان دن بروك لاحقًا أن الشحنة النووية هي الخاصية المميزة، وأن نواة الهيليوم، بالتالي، تتكون من نواتي هيدروجين بالإضافة إلى كتلة إضافية). يشير هذا إلى أنه إذا أمكن حدوث مثل هذا الاتحاد، فإنه سيطلق طاقة كبيرة كناتج ثانوي.
4. لو احتوى نجم ما على 5% فقط من الهيدروجين القابل للانصهار، لكفى ذلك لتفسير كيفية حصول النجوم على طاقتها. (من المعروف الآن أن معظم النجوم "العادية" تتكون عادةً من حوالي 70% إلى 75% من الهيدروجين).
5. قد تندمج عناصر أخرى أيضًا، وقد تكهن علماء آخرون بأن النجوم هي "البوتقة" التي تتحد فيها العناصر الخفيفة لتكوين العناصر الثقيلة، ولكن بدون قياسات أكثر دقة لكتلها الذرية، لم يكن من الممكن قول أي شيء آخر في ذلك الوقت.

وقد ثبتت صحة كل هذه التكهنات في العقود اللاحقة.

المصدر الرئيسي للطاقة الشمسية، وكذلك طاقة النجوم ذات الأحجام المماثلة، هو اندماج الهيدروجين لتكوين الهيليوم ( تفاعل البروتون-بروتون المتسلسل )، والذي يحدث عند درجة حرارة لب الشمس البالغة 14  مليون كلفن. والنتيجة النهائية هي اندماج أربعة بروتونات لتكوين جسيم ألفا واحد ، مع إطلاق بوزيترونين ونيوترينوين ( يُحوّل اثنين من البروتونات إلى نيوترونات)، بالإضافة إلى الطاقة. في النجوم الأثقل، تُصبح دورة الكربون-نيتروجين- أكسجين (CNO ) وغيرها من العمليات أكثر أهمية. عندما يستهلك النجم جزءًا كبيرًا من هيدروجينه، يبدأ في دمج عناصر أثقل. في النوى الضخمة، يُعد احتراق السيليكون دورة الاندماج النهائية، مما يؤدي إلى تراكم نوى الحديد والنيكل. ^{[ 33 ]}

تُعيق طاقة الربط النووي إنتاج العناصر الأثقل من النيكل عبر الاندماج النووي، وهو أمر غير مُفضل من الناحية الطاقية. تُنتَج هذه العناصر في عمليات غير اندماجية: عملية الالتقاط البطيء للنيوترونات (s-process) ، وعملية الالتقاط السريع للنيوترونات (r-process) ، ومجموعة متنوعة من العمليات التي تُنتج نوى البروتونات (p-neumocystis ). تحدث هذه العمليات في أغلفة النجوم العملاقة، أو المستعرات العظمى ، أو اندماجات النجوم النيوترونية .

تدمج الأقزام البنية الديوتيريوم، وفي حالات الكتلة العالية جدًا تدمج الليثيوم أيضًا. ^{[ 34 ]}

تقترب الأقزام البيضاء المكونة من الكربون والأكسجين ، والتي تكتسب المادة إما من نجم مرافق نشط أو من اندماج أقزام بيضاء، من حد تشاندراسيكار البالغ 1.44 كتلة شمسية. وقبل ذلك مباشرة، يبدأ اندماج الكربون ، مما يؤدي إلى تدمير القزم بحجم الأرض في غضون ثانية واحدة، في مستعر أعظم من النوع Ia . ^{[ 35 ]}

وفي حالات نادرة جداً، قد تندمج الأقزام البيضاء الهيليومية، وهو ما لا يتسبب في انفجار ولكنه يبدأ احتراق الهيليوم في نوع متطرف من النجوم الهيليومية .

تكتسب بعض النجوم النيوترونية الهيدروجين والهيليوم من نجم مرافق نشط. وبشكل دوري، يصل تراكم الهيليوم إلى مستوى حرج، وتنتشر موجة احتراق نووي حراري عبر السطح، في غضون ثانية واحدة. ^{[ 36 ]}

على غرار الاندماج النجمي، تسمح الظروف القاسية داخل أقراص تراكم الثقوب السوداء بحدوث تفاعلات الاندماج. تُظهر الحسابات أن التفاعلات الأكثر طاقة تحدث حول الثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية المنخفضة ، أي أقل من 10 أضعاف كتلة الشمس، مقارنةً بتلك التي تزيد كتلتها عن 100 ضعف كتلة الشمس. وعلى مسافة تتجاوز خمسة أضعاف نصف قطر شوارزشيلد ، يهيمن احتراق الكربون واندماج الهيليوم-3 على التفاعلات. ضمن هذه المسافة، حول الثقوب السوداء ذات الكتلة المنخفضة، يمكن أن يحدث اندماج النيتروجين والأكسجين والنيون والمغنيسيوم . وفي أقصى الحالات، يمكن أن تبدأ عملية احتراق السيليكون باندماج نوى السيليكون والسيلينيوم. ^{[ 37 ]}

خلال الفترة التي امتدت من حوالي 10 ثوانٍ إلى 20 دقيقة بعد الانفجار العظيم ، انخفضت درجة حرارة الكون من أكثر من 100 كيلو إلكترون فولت إلى 1 كيلو إلكترون فولت. وقد سمح هذا بدمج البروتونات والنيوترونات في نوى الديوتيريوم، وبدء سلسلة اندماج سريعة إلى التريتيوم والهيليوم-3، وانتهت في الغالب بالهيليوم-4، مع نسبة ضئيلة من نوى الليثيوم والبريليوم والبورون.

تشير الأدلة الرصدية إلى أن جيوب الغاز في الكون المبكر أصبحت سميكة بما يكفي لتنهار تحت تأثير جاذبيتها الذاتية . وقد أدى ذلك إلى تنشيط الاندماج النووي مع تشكل النجوم الأولى منذ حوالي 13.6 مليار سنة.

الاندماج النووي الحراري هو عملية اندماج النوى الذرية باستخدام درجات حرارة عالية لتقريبها من بعضها البعض بدرجة كافية. تؤدي هذه الحرارة إلى تحول المادة إلى بلازما ، وإذا ما تم حصرها، فقد تحدث تفاعلات اندماج نتيجة تصادمات ذات طاقات حركية حرارية هائلة للجسيمات. يوجد نوعان من الاندماج النووي الحراري: غير المتحكم به ، حيث تُطلق الطاقة الناتجة بطريقة غير متحكم بها، كما هو الحال في الأسلحة النووية الحرارية (القنابل الهيدروجينية) وفي معظم النجوم ؛ والمتحكم به ، حيث تحدث تفاعلات الاندماج في بيئة تسمح بتسخير جزء من الطاقة المنبعثة أو كلها.

تُعدّ درجة الحرارة مقياسًا لمتوسط ​​الطاقة الحركية للجسيمات، لذا فإن تسخين المادة يُكسبها طاقة. بعد بلوغ درجة حرارة كافية، وفقًا لمعيار لوسون ، تصبح طاقة التصادمات العرضية داخل البلازما عالية بما يكفي للتغلب على حاجز كولوم ، وقد تندمج الجسيمات معًا.

في تفاعل اندماج الديوتيريوم والتريتيوم ، على سبيل المثال، تبلغ الطاقة اللازمة لتجاوز حاجز كولوم 0.1 ميغا إلكترون فولت . وبتحويل الطاقة إلى درجة الحرارة، يتضح أن حاجز 0.1 ميغا إلكترون فولت يُتجاوز عند درجة حرارة تتجاوز 1.2 مليار كلفن . 

هناك عاملان ضروريان لخفض درجة الحرارة الفعلية. أولهما أن درجة الحرارة هي متوسط ​​الطاقة الحركية، مما يعني أن بعض النوى عند هذه الدرجة ستمتلك طاقة أعلى بكثير من 0.1  ميغا إلكترون فولت، بينما ستكون طاقة نوى أخرى أقل بكثير. وتُعدّ النوى الموجودة في ذيل توزيع السرعة ذي الطاقة العالية هي المسؤولة عن معظم تفاعلات الاندماج. أما العامل الثاني فهو النفق الكمومي . لا يشترط أن تمتلك النوى طاقة كافية لتجاوز حاجز كولوم بالكامل. فإذا امتلكت طاقة قريبة من هذه الطاقة، يمكنها النفق عبر الحاجز المتبقي. ولهذه الأسباب، سيظل الوقود عند درجات حرارة منخفضة يخضع لتفاعلات الاندماج، ولكن بمعدل أقل.

يُعدّ الاندماج النووي الحراري أحد الأساليب التي يجري البحث فيها في محاولات إنتاج طاقة الاندماج . وإذا ما أصبح الاندماج النووي الحراري مُجدياً للاستخدام، فسيُساهم ذلك بشكلٍ كبير في خفض البصمة الكربونية العالمية .

يُعدّ الاندماج الأيوني الخفيف القائم على المسرّعات تقنية تستخدم مسرّعات الجسيمات لتحقيق طاقات حركية للجسيمات كافية لتحفيز تفاعلات الاندماج الأيوني الخفيف. ^{[ 41 ]}

يُعدّ تسريع الأيونات الخفيفة عملية سهلة نسبيًا، ويمكن إجراؤها بكفاءة عالية، إذ لا تتطلب سوى أنبوب مفرغ، وزوج من الأقطاب الكهربائية، ومحول جهد عالٍ؛ ويمكن رصد الاندماج النووي بجهد لا يتجاوز 10 كيلوفولت بين الأقطاب. يمكن تهيئة النظام لتسريع الأيونات نحو هدف ثابت مشبع بالوقود، فيما يُعرف باندماج الحزمة-الهدف ، أو بتسريع تيارين من الأيونات باتجاه بعضهما البعض، وهو ما يُعرف باندماج الحزمة-الحزمة . تكمن المشكلة الرئيسية في الاندماج النووي القائم على المُسرّعات (وفي الأهداف الباردة عمومًا) في أن مقاطع التفاعل الاندماجي أقل بكثير من مقاطع التفاعل الكولومبي. ولذلك، فإن الغالبية العظمى من الأيونات تُبدد طاقتها في انبعاث إشعاع الكبح وتأيين ذرات الهدف. وتُعدّ الأجهزة المعروفة باسم مولدات النيوترونات ذات الأنابيب المغلقة ذات صلة وثيقة بهذا النقاش. هذه الأجهزة الصغيرة عبارة عن مسرعات جسيمات مصغرة مملوءة بغاز الديوتيريوم والتريتيوم، مصممة بطريقة تسمح بتسريع أيونات هذه النوى باتجاه أهداف من الهيدريد، تحتوي أيضاً على الديوتيريوم والتريتيوم، حيث يحدث الاندماج النووي، مُطلقاً تدفقاً من النيوترونات. ويتم إنتاج مئات من مولدات النيوترونات سنوياً لاستخدامها في صناعة النفط، حيث تُستخدم في معدات القياس لتحديد مواقع احتياطيات النفط ورسم خرائطها.

بُذلت على مر السنين عدة محاولات لإعادة تدوير الأيونات التي "تفوت" التصادمات. ومن أبرز هذه المحاولات مشروع " ميغما" في سبعينيات القرن الماضي ، الذي استخدم حلقة تخزين جسيمات فريدة لالتقاط الأيونات في مدارات دائرية وإعادتها إلى منطقة التفاعل. وأشارت الحسابات النظرية التي أُجريت خلال مراجعات التمويل إلى أن النظام سيواجه صعوبة بالغة في التوسع لاحتواء كمية كافية من وقود الاندماج ليكون ذا جدوى كمصدر طاقة. وفي تسعينيات القرن الماضي، اقترح نورمان روستوكر تصميمًا جديدًا يستخدم تكوينًا معكوس المجال (FRC) كنظام تخزين، ولا تزال شركة TAE Technologies تدرسه حتى عام 2021.ثمة نهج وثيق الصلة يتمثل في دمج دورتين متناوبتين تدوران في اتجاهين متعاكسين، ^{[ 42 ]} وهو ما تدرسه شركة هيليون إنرجي بنشاط . ولأن هذه النهج جميعها تتطلب طاقات أيونية تتجاوز حاجز كولوم بكثير ، فإنها غالباً ما تقترح استخدام دورات وقود بديلة مثل p- ^11B ، والتي يصعب تطبيقها باستخدام الأساليب التقليدية. ^{[ 43 ]}

الاندماج المحفز بالميونات هو عملية اندماج تحدث في درجات الحرارة العادية. وقد درسها ستيفن جونز بالتفصيل في أوائل ثمانينيات القرن العشرين. إلا أن إنتاج الطاقة الصافية من هذا التفاعل لم ينجح بسبب الطاقة العالية اللازمة لتكوين الميونات ، وقصر عمرها النصفي  (2.2 ميكروثانية) ، وارتفاع احتمالية ارتباط الميون بجسيم ألفا الجديد ، وبالتالي توقف عملية تحفيز الاندماج. ^{[ 44 ]}

تم بحث بعض مبادئ الحبس الأخرى.

• يستخدم الاندماج النووي المُحفَّز بالمادة المضادة كميات ضئيلة من المادة المضادة لإحداث انفجار اندماجي صغير. وقد دُرِسَ هذا النوع من الاندماج بشكل أساسي في سياق جعل الدفع النبضي النووي والقنابل الاندماجية الخالصة ممكنة. إلا أنه لا يزال بعيدًا عن أن يصبح مصدرًا عمليًا للطاقة، نظرًا لتكلفة تصنيع المادة المضادة وحدها.
• أُعلن عن الاندماج الكهروحراري في أبريل 2005 من قِبل فريق في جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس . استخدم العلماء بلورة كهروحرارية مُسخّنة من -34 إلى 7 درجات مئوية (-29 إلى 45 درجة فهرنهايت) ، مُقترنة بإبرة من التنجستن لتوليد مجال كهربائي بقوة 25 جيجا فولت لكل متر تقريبًا، وذلك لتأيين وتسريع نوى الديوتيريوم نحو هدف من ديوتيريد الإربيوم . عند مستويات الطاقة المُقدّرة، ^{[ 45 ]} قد يحدث تفاعل اندماج الديوتيريوم-ديوتيريوم، مُنتجًا الهيليوم-3 ونيوترونًا بطاقة 2.45 ميجا إلكترون فولت . على الرغم من أن الجهاز يُعدّ مُولّدًا مُفيدًا للنيوترونات، إلا أنه غير مُصمّم لتوليد الطاقة الكهربائية لأنه يتطلب طاقة أكبر بكثير مما يُنتجه. ^{[ 46 ] [ 47 ] [ 48 ] [ 49 ]} وقد لُوحظت تفاعلات اندماج الديوتيريوم-تريتيوم باستخدام هدف من الإربيوم المُشعّ بالتريتيوم. ^{[ 50 ]}    
• الطاقة النووية الهجينة (الطاقة النووية الهجينة) هي وسيلة مقترحة لتوليد الطاقة باستخدام مزيج من عمليات الاندماج والانشطار النووي . يعود هذا المفهوم إلى خمسينيات القرن العشرين، وقد دافع عنه هانز بيث لفترة وجيزة خلال سبعينيات القرن نفسه، ولكنه ظل غير مستكشف إلى حد كبير حتى عودة الاهتمام به في عام 2009، بسبب التأخيرات في تحقيق الاندماج النووي الخالص. ^{[ 51 ]}
• استكشف مشروع PACER ، الذي نُفِّذ في مختبر لوس ألاموس الوطني (LANL) في منتصف سبعينيات القرن الماضي، إمكانية إنشاء نظام طاقة اندماجي يعتمد على تفجير قنابل هيدروجينية صغيرة (قنابل اندماجية) داخل تجويف تحت الأرض. وباعتباره مصدرًا للطاقة، يُعد هذا النظام الوحيد الذي أثبت فعاليته باستخدام التقنيات الحالية. مع ذلك، يتطلب هذا النظام إمدادًا كبيرًا ومستمرًا من القنابل النووية، مما يجعل جدواه الاقتصادية موضع شك.
• كان اندماج الفقاعات ، والذي يسمى أيضًا بالاندماج الصوتي، آلية مقترحة لتحقيق الاندماج عبر التجويف الصوتي، وقد برزت في أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين. فشلت المحاولات اللاحقة لتكرارها، وأدين الباحث الرئيسي، روسي تاليارخان ، بسوء السلوك البحثي في ​​عام 2008. ^{[ 52 ]}

إحدى القوى القادرة على حصر الوقود بشكل كافٍ لتحقيق معيار لوسون هي الجاذبية . إلا أن الكتلة المطلوبة هائلة لدرجة أن الحصر الجاذبي لا يوجد إلا في النجوم - فالنجوم الأقل كتلة القادرة على الاندماج النووي المستدام هي الأقزام الحمراء ، بينما تستطيع الأقزام البنية دمج الديوتيريوم والليثيوم إذا كانت كتلتها كافية. في النجوم الثقيلة بما يكفي ، وبعد استنفاد مخزون الهيدروجين في نواتها، تبدأ نواتها (أو غلاف حولها) بدمج الهيليوم لتكوين الكربون . في النجوم الأكثر كتلة (بكتلة لا تقل عن 8-11 كتلة شمسية )، تستمر العملية حتى يتم إنتاج جزء من طاقتها عن طريق دمج العناصر الأخف لتكوين الحديد . ولأن الحديد يمتلك إحدى أعلى طاقات الربط ، فإن التفاعلات التي تنتج عناصر أثقل تكون ماصة للحرارة بشكل عام . لذلك، لا تتشكل كميات كبيرة من العناصر الأثقل خلال فترات الاستقرار في تطور النجوم الضخمة، بل تتشكل في انفجارات المستعرات العظمى . تقوم بعض النجوم الأخف أيضاً بتكوين هذه العناصر في الأجزاء الخارجية من النجوم على مدى فترات طويلة من الزمن، عن طريق امتصاص الطاقة من الاندماج في داخل النجم، عن طريق امتصاص النيوترونات المنبعثة من عملية الاندماج.

نظرياً، تمتلك جميع العناصر الأثقل من الحديد طاقة كامنة قابلة للتحرر. وفي أقصى مراحل إنتاج العناصر، يمكن لهذه العناصر الأثقل أن تُنتج طاقة أثناء عملية انشطارها النووي ، عائدةً إلى حجم الحديد تقريباً . وهكذا، يُطلق الانشطار النووي طاقةً كانت مُخزّنة، أحياناً لمليارات السنين، خلال عملية التخليق النووي النجمي .

تتبع الجسيمات المشحونة كهربائيًا (مثل أيونات الوقود) خطوط المجال المغناطيسي (انظر مركز التوجيه ). وبالتالي، يمكن حصر وقود الاندماج باستخدام مجال مغناطيسي قوي. توجد مجموعة متنوعة من التكوينات المغناطيسية، بما في ذلك الأشكال الحلقية في أجهزة التوكاماك والستيلاراتور ، وأنظمة الحصر بالمرايا المفتوحة.

يتمثل مبدأ الحصر الثالث في تطبيق نبضة طاقة سريعة على جزء كبير من سطح حبيبة وقود الاندماج، مما يؤدي إلى "انضغاطها" وتسخينها في آنٍ واحد إلى ضغط ودرجة حرارة مرتفعين للغاية. إذا كان الوقود كثيفًا وساخنًا بدرجة كافية، فسيكون معدل تفاعل الاندماج مرتفعًا بما يكفي لحرق جزء كبير منه قبل أن يتبدد. ولتحقيق هذه الظروف القصوى، يجب ضغط الوقود البارد في البداية ضغطًا انفجاريًا. يُستخدم الحصر بالقصور الذاتي في القنبلة الهيدروجينية ، حيث يكون المحرك هو الأشعة السينية الناتجة عن قنبلة انشطارية. كما يُجرَّب الحصر بالقصور الذاتي في الاندماج النووي "المتحكم به"، حيث يكون المحرك هو شعاع ليزر أو أيون أو إلكترون ، أو انضغاط Z. وهناك طريقة أخرى تتمثل في استخدام مواد متفجرة شديدة الانفجار تقليدية لضغط الوقود إلى ظروف الاندماج. ^{[ 54 ] [ 55 ]} استُخدم مرفق الانفجار الداخلي المدفوع بالمتفجرات التابع لمعهد أبحاث النظائر المشعة في جامعة تكساس للعلوم التطبيقية (UTIAS) لإنتاج انفجارات داخلية نصف كروية مستقرة ومركزة ومركزة ^{[ 56 ]} لتوليد النيوترونات من تفاعلات الديوتيريوم-ديوتيريوم. وقد أثبتت أبسط الطرق وأكثرها مباشرة أنها استخدام خليط متكافئ من الديوتيريوم والأكسجين مُفجَّر مسبقًا . أما الطريقة الناجحة الأخرى فكانت استخدام ضاغط فويتينكو مصغر ^{[ 57 ]} ، حيث دُفع غشاء مستوٍ بواسطة موجة الانفجار الداخلي إلى تجويف كروي صغير ثانوي يحتوي على غاز ديوتيريوم نقي عند ضغط جوي واحد. ^{[ 58 ]}

توجد أيضًا أجهزة اندماج بالقصور الذاتي الكهروستاتيكي ، والتي تحصر الأيونات عبر مجالات كهروستاتيكية. أشهرها جهاز الاندماج النووي (الفيوزر) . يحتوي هذا الجهاز على مهبط داخل قفص سلكي موجب. تتجه الأيونات الموجبة نحو القفص الداخلي السالب، وتُسخّن بفعل المجال الكهربائي أثناء ذلك. إذا لم تصطدم الأيونات بالقفص الداخلي، فقد تصطدم به وتندمج. مع ذلك، تصطدم معظم الأيونات بالمهبط، مما يُسبب خسائر توصيل عالية جدًا . كما أن معدلات الاندماج في أجهزة الاندماج النووي منخفضة للغاية بسبب تأثيرات فيزيائية متنافسة، مثل فقدان الطاقة على شكل إشعاع ضوئي. ^{[ 59 ]} وقد اقتُرحت تصاميم لتجنب المشاكل المرتبطة بالقفص، وذلك بتوليد المجال باستخدام سحابة غير متعادلة. تشمل هذه التصاميم جهازًا متذبذبًا للبلازما، ^{[ 60 ]} ومصيدة بنينغ ، وجهاز البوليويل . ^{[ 61 ]} لا تزال هذه التقنية في مراحلها الأولى، ولا تزال هناك العديد من التساؤلات العلمية والهندسية.

ابتداءً من عام 1999، قام العديد من الهواة ببناء مفاعلات اندماج نووي منزلية باستخدام أجهزة الاندماج. ^{[ 62 ] [ 63 ] [ 64 ] [ 65 ]} تشمل أجهزة اللجنة الكهروتقنية الدولية الأخرى: جهاز Polywell ، وMIX POPS ^{[ 66 ]} ، ومفهوم Marble. ^{[ 67 ]}

عند درجات الحرارة والكثافات الموجودة في لب النجوم، تكون معدلات تفاعلات الاندماج النووي بطيئة للغاية. على سبيل المثال، عند درجة حرارة لب الشمس ( T ≈ 15  مليون كلفن) وكثافته (160  جم/سم³ ⁾ ، يبلغ معدل إطلاق الطاقة 276  ميكروواط/سم³ ^فقط ، أي ما يقارب ربع المعدل الحجمي الذي يولد به جسم الإنسان في حالة الراحة الحرارة. ^{[ 68 ]} لذا، فإن محاكاة ظروف لب النجوم في المختبر لإنتاج طاقة الاندماج النووي أمر غير عملي تمامًا. ولأن معدلات التفاعل النووي تعتمد على الكثافة ودرجة الحرارة، ولأن معظم مخططات الاندماج تعمل عند كثافات منخفضة نسبيًا، فإن هذه الطرق تعتمد بشدة على درجات حرارة أعلى. معدل الاندماج كدالة لدرجة الحرارة (exp(−E / kT ) )، يؤدي إلى ضرورة الوصول إلى درجات حرارة في المفاعلات الأرضية أعلى بمقدار 10 إلى 100 مرة من درجات الحرارة في باطن النجوم: T ≈(0.1–1.0) × 10 ⁹  K .

في الاندماج النووي الاصطناعي، لا يقتصر الوقود الأساسي على البروتونات، ويمكن استخدام درجات حرارة أعلى، لذا تُختار التفاعلات ذات المقاطع العرضية الأكبر. ومن المخاوف الأخرى إنتاج النيوترونات، التي تُنشّط بنية المفاعل إشعاعيًا، ولكنها تتميز أيضًا بإمكانية استخلاص طاقة الاندماج بشكل كامل وإنتاج التريتيوم . أما التفاعلات التي لا تُطلق نيوترونات فتُسمى تفاعلات غير نيوترونية .

لكي يكون تفاعل الاندماج مصدراً مفيداً للطاقة، يجب أن يستوفي عدة معايير. يجب أن:

يكون التفاعل طاردًا للحرارة

هذا يحد من المتفاعلات إلى الجانب ذي العدد الذري المنخفض (عدد البروتونات) من منحنى طاقة الربط . كما أنه يجعل الهيليوم ⁴يُعدّ هذا المنتج الأكثر شيوعًا نظرًا لتماسكه المحكم للغاية، على الرغم من أن ³هو و ³يظهر حرف H أيضاً.

تتضمن نوى ذات عدد ذري ​​منخفض ( Z )

ويرجع ذلك إلى أن التنافر الكهروستاتيكي الذي يجب التغلب عليه قبل أن تقترب النوى بما يكفي للاندماج ( حاجز كولوم ) يرتبط ارتباطًا مباشرًا بعدد البروتونات التي تحتويها - عددها الذري.

يحتوي على متفاعلين

عند كثافات أقل من الكثافة النجمية، تصبح تصادمات الأجسام الثلاثة غير محتملة للغاية. في حالة الحصر بالقصور الذاتي، يتم تجاوز كل من الكثافة النجمية ودرجة الحرارة لتعويض أوجه القصور في المعامل الثالث لمعيار لوسون، وهو زمن الحصر القصير جدًا في عملية الاندماج بالقصور الذاتي.

امتلك منتجين أو أكثر

وهذا يسمح بالحفاظ المتزامن على الطاقة والزخم دون الاعتماد على القوة الكهرومغناطيسية.

الحفاظ على كل من البروتونات والنيوترونات

المقاطع العرضية للتفاعل الضعيف صغيرة جدًا.

قلة من التفاعلات تستوفي هذه المعايير. وفيما يلي التفاعلات ذات المقاطع العرضية الأكبر: ^{[ 69 ] [ 70 ]}

(1)

2 1 د

+

3 1 T

→

4 2 هو

(

3.561  ميغا إلكترون فولت

)

+

ن ٠

(

14.028  ميغا إلكترون فولت

)

(2i)

2 1 د

+

2 1 د

→

3 1 T

(

1.01  ميغا إلكترون فولت

)

+

ص +

(

3.02  ميغا إلكترون فولت

)

50%

(2ii)

→

3 2 هو

(

0.82  ميغا إلكترون فولت

)

+

ن ٠

(

2.45  ميغا إلكترون فولت

)

50%

(3)

2 1 د

+

3 2 هو

→

4 2 هو

(

3.6  ميغا إلكترون فولت

)

+

ص +

(

14.7  ميغا إلكترون فولت

)

(4)

3 1 T

+

3 1 T

→

4 2 هو

+

2 ن 0

+

11.3  ميغا إلكترون فولت

(5)

3 2 هو

+

3 2 هو

→

4 2 هو

+

2 ص +

+

12.9  ميغا إلكترون فولت

(6i)

3 2 هو

+

3 1 T

→

4 2 هو

+

ص +

+

ن ٠

+

12.1  ميغا إلكترون فولت

57%

(6ii)

→

4 2 هو

(

4.8  ميغا إلكترون فولت

)

+

2 1 د

(

9.5  ميغا إلكترون فولت

)

43%

(7i)

2 1 د

+

6 3 لي

→

2 4 2 هو

+

22.4  ميغا إلكترون فولت

(7ii)

→

3 2 هو

+

4 2 هو

+

ن ٠

+

2.56  ميغا إلكترون فولت

(7iii)

→

7 3 لي

+

ص +

+

5.0  ميغا إلكترون فولت

(7iv)

→

7 4 كن

+

ن ٠

+

3.4  ميغا إلكترون فولت

(8)

ص +

+

6 3 لي

→

4 2 هو

(

1.7  ميغا إلكترون فولت

)

+

3 2 هو

(

2.3  ميغا إلكترون فولت

)

(9)

3 2 هو

+

6 3 لي

→

2 4 2 هو

+

ص +

+

16.9  ميغا إلكترون فولت

(10)

ص +

+

11 5 ب

→

3 4 2 هو

+

8.7  ميغا إلكترون فولت

في التفاعلات التي ينتج عنها ناتجان، تتوزع الطاقة بينهما بنسبة عكسية لكتلتيهما، كما هو موضح. أما في معظم التفاعلات التي ينتج عنها ثلاثة نواتج، فيختلف توزيع الطاقة. وبالنسبة للتفاعلات التي يمكن أن ينتج عنها أكثر من مجموعة واحدة من النواتج، تُعطى نسب التفرع.

يمكن استبعاد بعض التفاعلات المحتملة دفعة واحدة. لا يتمتع تفاعل D- ^{6Li بأي ميزة مقارنةً بتفاعل p+-115B ،} لأنه صعب الاحتراق ^{تقريبًا} بنفس القدر ، ولكنه ينتج عددًا أكبر بكثير من النيوترونات من خلال _{تفاعلات} جانبية ^21D - ^21D . يوجد أيضًا تفاعل p ⁺ -73Li ، لكن مقطعه العرضي منخفض جدًا، إلا ربما عندما تكون _{درجة حرارة النواة} ( Ti _{) أكبر من 1 ميغا إلكترون فولت، ولكن عند هذه الدرجات العالية} ^، _{يصبح التفاعل الماص للحرارة والمنتج للنيوترونات بشكل مباشر ذا أهمية بالغة. أخيرًا} ^، يوجد أيضًا تفاعل p + ^-94Be ، وهو ليس صعب الاحتراق فحسب، بل يمكن تحفيز ^94Be بسهولة على الانقسام إلى جسيمين ألفا ونيوترون.

بالإضافة إلى تفاعلات الاندماج، فإن التفاعلات التالية مع النيوترونات مهمة من أجل "توليد" التريتيوم في قنابل الاندماج "الجافة" وبعض مفاعلات الاندماج المقترحة:

ن ٠	+	6 3 لي	→	3 1 T	+	4 2 He+ 4.784 MeV
ن ٠	+	7 3 لي	→	3 1 T	+	4 2 He+n0− 2.467 MeV

كانت المعادلة الثانية من بين المعادلتين مجهولة عندما أجرت الولايات المتحدة تجربة قنبلة الاندماج النووي "كاسل برافو " عام 1954. وباعتبارها ثاني قنبلة اندماج نووي تُختبر على الإطلاق (والأولى التي تستخدم الليثيوم)، فقد أدرك مصممو "كاسل برافو" (المعروفة أيضًا باسم "الروبيان") فائدة الليثيوم ^-6 في إنتاج التريتيوم، لكنهم لم يدركوا أن انشطار الليثيوم ^-7 سيزيد بشكل كبير من قوة القنبلة. فبينما يتميز الليثيوم ^-7 بمقطع عرضي نيوتروني صغير عند طاقات النيوترونات المنخفضة، إلا أن مقطعه العرضي يكون أعلى عند طاقات أعلى من 5 ميغا إلكترون فولت. ^{[ 71 ]} وقد بلغت قوة القنبلة 15 ميغا طن، أي أكبر بنسبة 150% من القوة المتوقعة البالغة 6 ميغا طن، مما تسبب في تعرض غير متوقع للتساقط النووي.

لتقييم جدوى هذه التفاعلات، بالإضافة إلى المواد المتفاعلة والناتجة والطاقة المنبعثة، يلزم معرفة بعض المعلومات حول المقطع العرضي النووي . لكل جهاز اندماج حد أقصى لضغط البلازما الذي يمكنه تحمله، ويعمل الجهاز الاقتصادي دائمًا بالقرب من هذا الحد الأقصى. عند هذا الضغط، يُحصل على أكبر ناتج اندماج عندما تُختار درجة الحرارة بحيث تكون قيمة ⟨σv⟩ / T² في أعلى قيمة ^{لها . هذه هي} أيضًا درجة الحرارة التي تكون عندها قيمة حاصل الضرب الثلاثي nTτ اللازمة للاشتعال في أدنى قيمة لها، لأن هذه القيمة المطلوبة تتناسب عكسيًا مع ⟨σv⟩ / T² (انظر معيار لوسون ). (تُشعل البلازما ^{إذا أنتجت تفاعلات الاندماج طاقة كافية للحفاظ} على درجة الحرارة دون تسخين خارجي). تُعطى درجة الحرارة المثلى وقيمة ⟨σv⟩/T² ^عند هذه الدرجة لبعض هذه التفاعلات في الجدول التالي.

لاحظ أن العديد من التفاعلات تُشكّل سلاسل. على سبيل المثال، يُنتج مفاعلٌ يُغذّى بالنظيرين 31T و32He بعضًا من النظير ^21D ، _{والذي يُمكن} ^{استخدامه} في ^تفاعل 21D – ^32He إذا ^كانت الطاقات مناسبة. تتمثل إحدى الأفكار المبتكرة في دمج التفاعلين (8) و(9). يُمكن أن يتفاعل النظير 32He الناتج ^من التفاعل _{( 8 )} مع النظير _63Li ^{في التفاعل (9) قبل أن يصل} _إلى حالة التوازن الحراري الكامل. ينتج عن ذلك بروتونٌ ذو طاقة عالية، والذي بدوره يخضع للتفاعل (8) قبل أن يصل إلى حالة التوازن الحراري. يُظهر تحليلٌ مُفصّل أن هذه الفكرة لن تُجدي نفعًا، لكنها مثالٌ جيدٌ على حالةٍ لا يكون فيها الافتراض المعتاد لبلازما ماكسويل مناسبًا.

يمكن لأي من التفاعلات المذكورة أعلاه أن تشكل أساسًا لإنتاج الطاقة الاندماجية . بالإضافة إلى درجة الحرارة والمقطع العرضي المذكورين سابقًا، يجب أن نأخذ في الاعتبار الطاقة الكلية لمنتجات الاندماج E _fus ، وطاقة منتجات الاندماج المشحونة E _ch ، والعدد الذري Z للمتفاعل غير الهيدروجيني.

مع ذلك، ينطوي تحديد تفاعل ² ₁ D – ² ₁ D على بعض الصعوبات. بدايةً، يجب حساب متوسط ​​الفرعين (2i) و(2ii). والأكثر صعوبة هو تحديد كيفية التعامل مع نواتج ³ ₁ T و ³ ₂ He . يحترق ³ ₁ T بشكل جيد للغاية في بلازما الديوتيريوم لدرجة أنه يكاد يكون من المستحيل استخلاصه منها. يُحسَّن تفاعل ² ₁ D – ³ ₂ He عند درجة حرارة أعلى بكثير، لذا قد يكون معدل الاحتراق عند درجة الحرارة المثلى لتفاعل ² ₁ D – ² ₁ D منخفضًا. لذلك، يبدو من المعقول افتراض أن ³ ₁ T ، وليس ³ ₂ He ، يحترق ويضيف طاقته إلى التفاعل الكلي، مما يعني أن التفاعل الكلي سيكون مجموع (2i) و(2ii) و(1).

5 ² ₁ D → ⁴ ₂ He + 2 n ⁰ + ³ ₂ He + p ⁺ , E _fus = 4.03 + 17.6 + 3.27 = 24.9  MeV, E _ch = 4.03 + 3.5 + 0.82 = 8.35  MeV.

لحساب قدرة المفاعل (حيث يتم تحديد معدل التفاعل بواسطة خطوة D–D)، نحسب طاقة الاندماج ² ₁ D – ² ₁ D لكل تفاعل D–D على النحو التالي: E _fus = (4.03  MeV + 17.6  MeV) × 50% + (3.27  MeV) × 50% = 12.5  MeV والطاقة في الجسيمات المشحونة على النحو التالي: E _ch = (4.03  MeV + 3.5  MeV) × 50% + (0.82 MeV) × 50% = 4.2  MeV. (ملاحظة: إذا تفاعل أيون التريتيوم مع الديوتريوم بينما لا يزال لديه طاقة حركية كبيرة، فقد تختلف الطاقة الحركية للهيليوم-4 الناتج اختلافًا كبيرًا عن 3.5 ميغا إلكترون فولت، ^{[ 85 ]} لذا فإن حساب الطاقة في الجسيمات المشحونة هو مجرد تقريب للمتوسط.) كمية الطاقة لكل ديوتريوم مستهلك هي 2/5 من هذا، أو 5.0  ميغا إلكترون فولت ( طاقة نوعية تبلغ حوالي 225  مليون ميغا جول لكل كيلوغرام من الديوتريوم).

ومن الجوانب الفريدة الأخرى لتفاعل ² ₁ D – ² ₁ D أنه يوجد متفاعل واحد فقط، وهو ما يجب أخذه في الاعتبار عند حساب معدل التفاعل.

بهذا الاختيار، نقوم بجدولة معلمات أربعة من أهم التفاعلات

يمثل العمود الأخير نسبة طاقة الاندماج النووي المنبعثة على شكل نيوترونات، وهي نسبة طاقة الاندماج المنبعثة على شكل نيوترونات. يُعد هذا مؤشرًا هامًا على حجم المشاكل المرتبطة بالنيوترونات، مثل أضرار الإشعاع، والحماية البيولوجية، والتعامل عن بُعد، والسلامة. بالنسبة للتفاعلين الأولين، تُحسب هذه النسبة كالتالي: ( E fus ₋ E ch ₎ / E _fus . أما بالنسبة للتفاعلين الأخيرين، حيث تكون هذه النسبة صفرًا، فإن القيم المذكورة هي تقديرات تقريبية تستند إلى التفاعلات الجانبية التي تُنتج نيوترونات في بلازما في حالة توازن حراري.

بالطبع، يجب خلط المواد المتفاعلة بنسب مثالية. يتحقق ذلك عندما يُمثل كل أيون متفاعل مع إلكتروناته المرتبطة به نصف الضغط. بافتراض ثبات الضغط الكلي، فإن كثافة جسيمات الأيون غير الهيدروجيني أقل من كثافة جسيمات الأيون الهيدروجيني بمعامل 2/( Z + 1) . لذا، ينخفض ​​معدل هذه التفاعلات بنفس المعامل، بالإضافة إلى أي اختلافات في قيم ⟨σv⟩ / T² ^. _من جهة أخرى، ولأن تفاعل 2¹D – ^2¹D يحتوي على متفاعل واحد فقط، فإن معدله يكون ضعف معدله عند تقسيم الوقود بين نوعين هيدروجينيين مختلفين، مما يُؤدي _إلى تفاعل أكثر ^كفاءة .

وبالتالي، توجد "عقوبة" مقدارها 2/( Z + 1) للوقود غير الهيدروجيني، ناتجة عن حاجته إلى عدد أكبر من الإلكترونات، التي تكتسب ضغطًا دون المشاركة في تفاعل الاندماج. (عادةً ما يُفترض أن تكون درجة حرارة الإلكترونات مساوية تقريبًا لدرجة حرارة الأيونات. مع ذلك، يناقش بعض الباحثين إمكانية الحفاظ على الإلكترونات أبرد بكثير من الأيونات. في هذه الحالة، المعروفة باسم "نمط الأيونات الساخنة"، لا تنطبق "العقوبة"). في الوقت نفسه، توجد "ميزة" مقدارها 2 لـ ² ₁ D – ² ₁ D، لأن كل أيون يمكنه التفاعل مع أي من الأيونات الأخرى، وليس مع جزء منها فقط.

يمكننا الآن مقارنة هذه التفاعلات في الجدول التالي.

تُؤخذ القيمة القصوى لـ ⟨σv⟩ / T² ^{من جدول سابق. عامل "الجزاء/المكافأة " هو العامل} المتعلق بمتفاعل غير هيدروجيني أو تفاعل أحادي النوع. تُحسب القيم في عمود "التفاعلية العكسية" بقسمة1.24 × 10⁻²⁴ ناتج ضرب العمودين الثاني والثالث. يشير هذا إلى العامل الذي تحدث به التفاعلات الأخرى ببطء مقارنةً بتفاعل ² ₁ D – ³ ₁ T في ظل ظروف مماثلة. يرجّح عمود " معيار لوسون " هذه النتائج بمعامل E ^ch _، ويعطي مؤشرًا على مدى صعوبة تحقيق الاشتعال في هذه التفاعلات، مقارنةً بصعوبة تفاعل ² ₁ D – ³ ₁ T. أما العمود قبل الأخير، المسمى "كثافة الطاقة"، فيرجّح التفاعلية العملية بمعامل E _fus . ويشير العمود الأخير إلى مدى انخفاض كثافة طاقة الاندماج للتفاعلات الأخرى مقارنةً بتفاعل ² ₁ D – ³ ₁ T، ويمكن اعتباره مقياسًا للجدوى الاقتصادية.

لن تحدث عملية الاندماج النووي في العديد من الأنظمة بشكل منفرد، بل ستختلط مع الإلكترونات التي تعمل مجتمعةً على معادلة الشحنة الكهربائية الكلية للأيونات وتشكيل بلازما . وعادةً ما تكون درجة حرارة الإلكترونات مساوية أو أعلى من درجة حرارة الأيونات، لذا ستصطدم بها وتُصدر إشعاعًا سينيًا بطاقة تتراوح بين 10 و30 كيلو إلكترون فولت، وهي عملية تُعرف باسم إشعاع الكبح .

بسبب الحجم الهائل للشمس والنجوم، لن تتمكن الأشعة السينية الناتجة عن هذه العملية من التسرب، بل ستُعيد طاقتها إلى البلازما. ويُقال إنها معتمة للأشعة السينية. لكن أي مفاعل اندماج أرضي سيكون شفافًا بصريًا للأشعة السينية ضمن هذا النطاق الطاقي. يصعب عكس الأشعة السينية، لكنها تُمتص بكفاءة (وتتحول إلى حرارة) في طبقة من الفولاذ المقاوم للصدأ لا يتجاوز سمكها بضعة ملليمترات (وهي جزء من درع المفاعل). هذا يعني أن عملية كبح الإشعاع (bremsstrahlung) تنقل الطاقة خارج البلازما، مما يُبردها.

تُعدّ نسبة طاقة الاندماج المُنتَجة إلى إشعاع الأشعة السينية المفقود عبر الجدران مؤشرًا هامًا للأداء. وعادةً ما تصل هذه النسبة إلى أقصى قيمة لها عند درجة حرارة أعلى بكثير من تلك التي تُحقق أقصى كثافة للطاقة (انظر القسم الفرعي السابق). يُبيّن الجدول التالي تقديرات درجة الحرارة المُثلى ونسبة الطاقة عند تلك الدرجة لعدة تفاعلات:

من المرجح أن تكون النسب الفعلية لطاقة الاندماج إلى طاقة إشعاع الكبح أقل بكثير لعدة أسباب. أولًا، تفترض الحسابات أن طاقة نواتج الاندماج تنتقل بالكامل إلى أيونات الوقود، التي تفقد بدورها طاقتها للإلكترونات عن طريق التصادمات، والتي بدورها تفقد طاقتها عن طريق إشعاع الكبح. مع ذلك، ولأن نواتج الاندماج تتحرك بسرعة أكبر بكثير من أيونات الوقود، فإنها ستفقد جزءًا كبيرًا من طاقتها مباشرةً للإلكترونات. ثانيًا، يُفترض أن الأيونات في البلازما هي أيونات وقود خالصة. عمليًا، ستكون هناك نسبة كبيرة من أيونات الشوائب، مما سيؤدي إلى خفض النسبة. على وجه الخصوص، يجب أن تبقى نواتج الاندماج نفسها في البلازما حتى تفقد طاقتها، وستبقى لبعض الوقت بعد ذلك في أي نظام حصر مقترح. أخيرًا، تم إهمال جميع قنوات فقدان الطاقة الأخرى غير إشعاع الكبح. العاملان الأخيران مترابطان. من الناحية النظرية والتجريبية، يبدو أن حصر الجسيمات والطاقة مرتبطان ارتباطًا وثيقًا. في نظام حصر الطاقة الذي يحافظ على الطاقة بكفاءة، ستتراكم نواتج الاندماج. أما إذا تم طرد هذه النواتج بكفاءة، فسيكون حصر الطاقة ضعيفاً أيضاً.

تكون درجات الحرارة التي تزيد من قدرة الاندماج مقارنةً بإشعاع الكبح أعلى في جميع الحالات من درجة الحرارة التي تزيد من كثافة القدرة وتقلل من القيمة المطلوبة لناتج الاندماج الثلاثي . لن يُغير هذا كثيرًا من نقطة التشغيل المثلى لـ 2 1 D – 3 1 T نظرًا لانخفاض نسبة إشعاع الكبح، ولكنه سيدفع أنواع الوقود الأخرى إلى أنظمة تكون فيها كثافة القدرة، مقارنةً بـ 2 1  D – 3  1  T ، أقل، ويصبح تحقيق الحصر المطلوب أكثر صعوبة. بالنسبة لـ 2 1  D – 2  1  D و 2 1  D – 3 2 He ، ستكون خسائر إشعاع الكبح مشكلة خطيرة، وربما مانعة. أما بالنسبة لـ 3 2 He – 3 2 He و p + – 6  3 Li و p + – 11 5 B، فيبدو أن خسائر إشعاع الكبح تجعل من المستحيل تشغيل مفاعل اندماج يستخدم هذه الأنواع من الوقود ببلازما شبه متعادلة ومتجانسة. وقد تم النظر في بعض الحلول لهذه المعضلة، ولكن تم رفضها. [ 86 ] [ 87 ] لا ينطبق هذا القيد على البلازما غير المحايدة وغير المتجانسة ؛ ومع ذلك، فإن هذه البلازما لها تحدياتها الخاصة التي يجب التعامل معها.

في التصور الكلاسيكي، يمكن فهم النوى على أنها كرات صلبة تتنافر بفعل قوة كولوم، لكنها تندمج بمجرد اقتراب الكرتين من بعضهما بما يكفي للتلامس. وبتقدير نصف قطر نواة الذرة بحوالي فيمتومتر واحد، فإن الطاقة اللازمة لاندماج ذرتي هيدروجين هي:

${\displaystyle E_{\ce {thresh}}={\frac {1}{4\pi \epsilon _{0}}}{\frac {Z_{1}Z_{2}}{r}}{\ce {->[{\text{2 protons}}]}}{\frac {1}{4\pi \epsilon _{0}}}{\frac {e^{2}}{1\ {\ce {fm}}}}\approx 1.4\ {\ce {MeV}}}$

وهذا يعني أنه بالنسبة لنواة الشمس، التي لها توزيع بولتزمان بدرجة حرارة تبلغ حوالي 1.4  كيلو إلكترون فولت، فإن احتمال وصول الهيدروجين إلى العتبة هو10⁻²⁹ ^، أي أن الاندماج لن يحدث أبدًا. ومع ذلك، يحدث الاندماج في الشمس بسبب ميكانيكا الكم.

تزداد احتمالية حدوث الاندماج النووي بشكل كبير مقارنةً بالصورة الكلاسيكية، وذلك بفضل تداخل نصف القطر الفعال مع طول موجة دي برولي ، بالإضافة إلى النفق الكمومي عبر حاجز الجهد. ولتحديد معدل تفاعلات الاندماج، تُعدّ قيمة المقطع العرضي هي الأهم ، إذ تصف احتمالية اندماج الجسيمات من خلال تحديد مساحة تفاعل مميزة. غالبًا ما يُقسّم تقدير مساحة المقطع العرضي للاندماج إلى ثلاثة أجزاء:

${\displaystyle \sigma \approx \sigma _{\text{geometry}}\times T\times R,}$

أين${\displaystyle \sigma _{\text{geometry}}}$يمثل المقطع العرضي الهندسي، وT يمثل شفافية الحاجز، و R يمثل خصائص التفاعل.

${\displaystyle \sigma _{\text{geometry}}}$وهو من رتبة مربع طول موجة دي برولي${\displaystyle \sigma _{\text{geometry}}\approx \lambda ^{2}={\bigg (}{\frac {\hbar }{m_{\text{r}}v}}{\bigg )}^{2}\propto {\frac {1}{\epsilon }}}$أين${\displaystyle m_{\text{r}}}$هي الكتلة المختزلة للنظام و${\displaystyle \epsilon }$هو مركز طاقة الكتلة للنظام.

يمكن تقريب T باستخدام شفافية غاموف، والتي تأخذ الشكل التالي:${\displaystyle T\approx e^{-{\sqrt {\epsilon _{G}/\epsilon }}}}$أين${\displaystyle \epsilon _{G}=(\pi \alpha Z_{1}Z_{2})^{2}\times 2m_{\text{r}}c^{2}}$يمثل عامل غاموف، ويُستمد من تقدير احتمالية النفق الكمومي عبر حاجز الجهد. أما α فهو ثابت البنية الدقيقة ، وقيمته 1/137.036.

يحتوي R على جميع الخصائص الفيزيائية النووية للتفاعل المحدد، ويأخذ قيمًا مختلفة تمامًا اعتمادًا على طبيعة التفاعل. ومع ذلك، بالنسبة لمعظم التفاعلات، فإن تغير${\displaystyle R(\epsilon )}$صغيرة مقارنة بالتغير الناتج عن عامل غاموف، وبالتالي يتم تقريبها بواسطة دالة تسمى عامل S الفيزيائي الفلكي .${\displaystyle S(\epsilon )}$وهو متغير بشكل طفيف في الطاقة. وبجمع هذه التبعيات معًا، فإن أحد التقريبات لمقطع التفاعل الاندماجي كدالة للطاقة يأخذ الشكل التالي:

${\displaystyle \sigma (\epsilon )\approx {\frac {S(\epsilon )}{\epsilon }}e^{-{\sqrt {\epsilon _{G}/\epsilon }}}}$

يمكن اشتقاق أشكال أكثر تفصيلاً للمقطع العرضي من خلال النماذج القائمة على الفيزياء النووية ونظرية المصفوفة R.

تُعطي صيغة فيزياء البلازما الخاصة بمختبر الأبحاث البحرية ^{[ 88 ]} المقطع العرضي الكلي بالبارن كدالة لطاقة (بالكيلو إلكترون فولت) الجسيم الساقط باتجاه أيون هدف ساكن، ويتم حسابه باستخدام الصيغة التالية:

${\displaystyle \sigma ^{\text{NRL}}(\epsilon )={\frac {A_{5}+{\big (}(A_{4}-A_{3}\epsilon )^{2}+1{\big )}^{-1}A_{2}}{\epsilon (e^{A_{1}\epsilon ^{-1/2}}-1)}}}$بقيم المعاملات التالية:

كما أشار بوش-هيل ^{[ 89 ]} إلى حساب مقاطع عرضية باستخدام مصفوفة R، تتناسب مع بيانات الرصد بمعاملات تقريبية منطقية من نوع باديه . مع كون الطاقة بوحدة كيلو إلكترون فولت والمقاطع العرضية بوحدة ملي بارن، يكون للعامل الشكل التالي:

${\displaystyle S^{\text{Bosch-Hale}}(\epsilon )={\frac {A_{1}+\epsilon {\bigg (}A_{2}+\epsilon {\big (}A_{3}+\epsilon (A_{4}+\epsilon A_{5}){\big )}{\bigg )}}{1+\epsilon {\bigg (}B_{1}+\epsilon {\big (}B_{2}+\epsilon (B_{3}+\epsilon B_{4}){\big )}{\bigg )}}}}$، مع قيم المعاملات التالية:

معاملات بوش-هيل للمقطع العرضي للانصهار

	DT(1)	DD(2ii)	DHe 3 (3)	الرابع​
${\displaystyle \epsilon _{G}}$	31.3970	68.7508	31.3970	34.3827
A1	5.5576 × 10 4	5.7501 × 10 6	5.3701 × 10 4	6.927 × 10 4
A2	2.1054 × 10 2	2.5226 × 10 3	3.3027 × 10 2	7.454 × 10 8
A3	−3.2638 × 10 −2	4.5566 × 10 1	−1.2706 × 10 −1	2.050 × 10 6
A4	1.4987 × 10 −6	0	2.9327 × 10 −5	5.2002 × 10 4
A5	1.8181 × 10 −10	0	−2.5151 × 10 −9	0
ب1	0	−3.1995 × 10 −3	0	6.38 × 10 1
B2	0	−8.5530 × 10 −6	0	−9.95 × 10 −1
ب3	0	5.9014 × 10 −8	0	6.981 × 10 −5
ب٤	0	0	0	1.728 × 10 −4
نطاق الطاقة القابل للتطبيق [كيلو إلكترون فولت]	0.5–5000	0.3–900	0.5–4900	0.5–550
${\displaystyle (\Delta S)_{\text{max}}\%}$	2.0	2.2	2.5	1.9

أين${\displaystyle \sigma ^{\text{Bosch-Hale}}(\epsilon )={\frac {S^{\text{Bosch-Hale}}(\epsilon )}{\epsilon \exp(\epsilon _{G}/{\sqrt {\epsilon }})}}}$

في أنظمة الاندماج النووي التي تكون في حالة توازن حراري، تتوزع الجسيمات وفقًا لتوزيع ماكسويل-بولتزمان ، أي أن للجسيمات نطاقًا من الطاقات يتمركز حول درجة حرارة البلازما. وقد تم نمذجة الشمس والبلازما المحصورة مغناطيسيًا وأنظمة الاندماج بالقصور الذاتي بدقة لتكون في حالة توازن حراري. في هذه الحالات، تكون القيمة المهمة هي المقطع العرضي للاندماج، محسوبًا كمتوسط ​​لتوزيع ماكسويل-بولتزمان. ويُدرج دليل معادلات فيزياء البلازما التابع لمختبر الأبحاث البحرية تفاعلات المقاطع العرضية للاندماج، محسوبة كمتوسط ​​لتوزيع ماكسويل-بولتزمان.${\displaystyle \mathrm {cm^{3}/s} }$.

للطاقات${\displaystyle T\leq 25{\text{ keV}}}$يمكن تمثيل البيانات بواسطة:

${\displaystyle ({\overline {\sigma v}})_{DD}=2.33\times 10^{-14}\cdot T^{-2/3}\cdot e^{-18.76\ T^{-1/3}}\mathrm {~{cm}^{3}/s} }$

${\displaystyle ({\overline {\sigma v}})_{DT}=3.68\times 10^{-12}\cdot T^{-2/3}\cdot e^{-19.94\ T^{-1/3}}\mathrm {~{cm}^{3}/s} }$

حيث T بوحدات keV.