الطاقة الاندماجية

تحدث تفاعلات الاندماج عندما تقترب نواتان ذريتان أو أكثر من بعضهما البعض لفترة كافية بحيث تتجاوز قوة الجذب النووي بينهما قوة التجاذب الكهروستاتيكي التي تفرق بينهما، مما يؤدي إلى اندماجهما لتكوين نوى أثقل. بالنسبة للنوى الأثقل من الحديد-56 ، يكون التفاعل ماصًا للحرارة ، أي يتطلب طاقة. ^{[ 7 ]} تحتوي النوى الثقيلة الأكبر من الحديد على عدد أكبر بكثير من البروتونات، مما ينتج عنه قوة تنافر أكبر. أما بالنسبة للنوى الأخف من الحديد-56، فيكون التفاعل طاردًا للحرارة ، حيث يطلق طاقة عند اندماجها. ولأن الهيدروجين يحتوي على بروتون واحد في نواته، فإنه يتطلب أقل جهد لتحقيق الاندماج، وينتج عنه أكبر قدر من الطاقة الصافية. كما أن الهيدروجين، لاحتوائه على إلكترون واحد، يُعد أسهل أنواع الوقود تأيينًا.

يعمل التفاعل الكهروستاتيكي التنافري بين النوى عبر مسافات أكبر من تلك التي تقطعها القوة النووية القوية، والتي يبلغ مداها حوالي فيمتومتر واحد - وهو قطر البروتون أو النيوترون. يجب تزويد ذرات الوقود بطاقة حركية كافية لتقترب من بعضها البعض بدرجة كافية حتى تتغلب القوة النووية القوية على التنافر الكهروستاتيكي، وذلك لبدء عملية الاندماج النووي. يُعرف " حاجز كولوم " بكمية الطاقة الحركية اللازمة لتحريك ذرات الوقود إلى مسافة كافية. يمكن تسخين الذرات إلى درجات حرارة عالية للغاية أو تسريعها في مسرع جسيمات لإنتاج هذه الطاقة.

تفقد الذرة إلكتروناتها عند تسخينها إلى ما بعد طاقة تأينها . النواة العارية الناتجة هي نوع من الأيونات . ينتج عن هذا التأين البلازما، وهي سحابة ساخنة من النوى العارية والإلكترونات الحرة التي كانت مرتبطة بها. تتميز البلازما بأنها موصلة للكهرباء وقابلة للتحكم المغناطيسي نظرًا لانفصال الشحنات. تُستخدم هذه الخاصية في العديد من أجهزة الاندماج النووي لحصر الجسيمات الساخنة.

يقيس المقطع العرضي للتفاعل ، ويرمز له بـ σ، احتمالية حدوث تفاعل اندماجي. ويعتمد هذا على السرعة النسبية للنواتين. عمومًا، تزيد السرعات النسبية الأعلى من الاحتمالية، لكن الاحتمالية تبدأ بالتناقص مجددًا عند الطاقات العالية جدًا. ^{[ 8 ]}

في البلازما، يمكن تحديد سرعة الجسيمات باستخدام توزيع احتمالي . إذا كانت البلازما متوازنة حراريًا ، فإن التوزيع يشبه منحنى غاوسيًا أو توزيع ماكسويل-بولتزمان . في هذه الحالة، من المفيد استخدام متوسط ​​المقطع العرضي للجسيمات على توزيع السرعة. يُدخل هذا المتوسط ​​في حساب معدل الاندماج الحجمي: ^{[ 9 ]}

${\displaystyle P_{\text{الانصهار}}=n_{A}n_{B}\langle \sigma v_{A,B}\rangle E_{\text{الانصهار}}}$

أين:

• ${\displaystyle P_{\text{fusion}}}$هي الطاقة الناتجة عن الاندماج، لكل وحدة زمنية وحجمية
• n هي الكثافة العددية للنوع A أو B، للجسيمات في الحجم
• ${\displaystyle \langle \sigma v_{A,B}\rangle }$يمثل المقطع العرضي لهذا التفاعل، وهو متوسط ​​جميع سرعات النوعين v
• ${\displaystyle E_{\text{fusion}}}$هي الطاقة المنبعثة من تفاعل الاندماج هذا.

يُراعي معيار لوسون توازن الطاقة بين الطاقة المُنتجة في تفاعلات الاندماج والطاقة المفقودة في البيئة. ولتوليد طاقة قابلة للاستخدام، يجب أن يُنتج النظام طاقةً أكثر مما يفقده. وقد افترض لوسون توازنًا للطاقة ، كما هو موضح أدناه. ^{[ 9 ]}

${\displaystyle P_{\text{out}}=\eta _{\text{capture}}\left(P_{\text{fusion}}-P_{\text{conduction}}-P_{\text{radiation}}\right)}$

أين:

• ${\displaystyle P_{\text{out}}}$الطاقة الصافية الناتجة عن الاندماج
• ${\displaystyle \eta _{\text{capture}}}$تتمثل كفاءة التقاط مخرجات عملية الدمج في
• ${\displaystyle P_{\text{fusion}}}$معدل الطاقة المتولدة من تفاعلات الاندماج
• ${\displaystyle P_{\text{conduction}}}$وهي خسائر التوصيل عندما تغادر الكتلة النشطة البلازما
• ${\displaystyle P_{\text{radiation}}}$تتمثل خسائر الإشعاع في خروج الطاقة على شكل ضوء وتدفق نيوتروني.

يعتمد معدل الاندماج، وبالتالي _اندماج البلازما ، على درجة حرارة البلازما وكثافتها. تفقد البلازما طاقتها عن طريق التوصيل والإشعاع . ^{[ 9 ]} يحدث التوصيل عندما تصطدم الأيونات أو الإلكترونات أو الجسيمات المتعادلة بمواد أخرى، عادةً سطح الجهاز، وتنقل جزءًا من طاقتها الحركية إلى الذرات الأخرى. ويعتمد معدل التوصيل أيضًا على درجة الحرارة والكثافة. أما الإشعاع فهو الطاقة التي تغادر السحابة على شكل ضوء. ويزداد الإشعاع مع ارتفاع درجة الحرارة وكتلة الأيونات. يجب أن تعمل أنظمة طاقة الاندماج في منطقة يكون فيها معدل الاندماج أعلى من الفاقد.

ينص معيار لوسون على أن الجهاز الذي يحتوي على بلازما متوازنة حراريًا وشبه متعادلة يجب أن يُولّد طاقة كافية للتغلب على فقد الطاقة. وتعتمد كمية الطاقة المنبعثة في حجم معين على درجة الحرارة، وبالتالي على معدل التفاعل لكل جسيم، وكثافة الجسيمات داخل ذلك الحجم، وأخيرًا على زمن الحصر، أي المدة التي تبقى فيها الطاقة داخل الحجم. ^{[ 9 ] [ 11 ]} يُعرف هذا بـ "الناتج الثلاثي": كثافة البلازما، ودرجة حرارتها، وزمن الحصر. ^{[ 12 ]}

في حالة الحصر المغناطيسي، تكون الكثافة منخفضة، في حدود كثافة "الفراغ الجيد". على سبيل المثال، في جهاز ITER ^، تبلغ كثافة الوقود حوالي 1.0 × ^10¹⁹ م⁻³ ، أي ما يعادل جزءًا من مليون من كثافة الغلاف الجوي. ^{[ 13 ]} هذا يعني ضرورة رفع درجة الحرارة و/أو مدة الحصر. وقد تم الوصول إلى درجات حرارة مناسبة للاندماج النووي باستخدام طرق تسخين متنوعة طُوّرت في أوائل سبعينيات القرن الماضي. في الأجهزة الحديثة، اعتبارًا من عام 2019كانت المشكلة الرئيسية المتبقية هي مدة الحصر. تتعرض البلازما في المجالات المغناطيسية القوية لعدد من حالات عدم الاستقرار المتأصلة، والتي يجب كبحها للوصول إلى مدد زمنية مفيدة. إحدى طرق القيام بذلك هي ببساطة زيادة حجم المفاعل، مما يقلل من معدل التسرب الناتج عن الانتشار الكلاسيكي . لهذا السبب يُعدّ مفاعل ITER ضخمًا جدًا.

على النقيض من ذلك، تقترب أنظمة الحصر بالقصور الذاتي من قيم حاصل الضرب الثلاثي المفيدة عبر كثافة أعلى، وتتميز بفترات حصر قصيرة. في مرفق الإشعال الوطني (NIF) ، تكون كثافة حمولة وقود الهيدروجين المجمدة الأولية أقل من كثافة الماء، ثم ترتفع إلى حوالي 100 ضعف كثافة الرصاص. في هذه الظروف، يكون معدل الاندماج مرتفعًا للغاية لدرجة أن الوقود يندمج في أجزاء من الثانية، وهي المدة التي تستغرقها الحرارة المتولدة من التفاعلات لتفجير الوقود. على الرغم من أن مرفق الإشعال الوطني كبير الحجم أيضًا، إلا أن هذا يعود إلى تصميم "محركه"، وليس إلى عملية الاندماج نفسها.

طُرحت عدة طرق لاستخلاص الطاقة الناتجة عن الاندماج النووي. أبسطها تسخين سائل. يُطلق تفاعل الديوتيريوم-تريتيوم، وهو التفاعل الأكثر شيوعًا، جزءًا كبيرًا من طاقته على شكل نيوترونات سريعة الحركة. وبما أن النيوترون متعادل كهربائيًا، فإنه لا يتأثر بنظام الحصر. في معظم التصاميم، يُحصر النيوترون في "غطاء" سميك من الليثيوم يُحيط بقلب المفاعل. عند اصطدام نيوترون عالي الطاقة به، يسخن الغطاء. ثم يُبرد بشكل فعال باستخدام سائل عامل يُشغل توربينًا لتوليد الطاقة.

اقترح تصميم آخر استخدام النيوترونات لتوليد وقود الانشطار في طبقة من النفايات النووية ، وهو مفهوم يُعرف باسم الهجين الانشطاري-الاندماجي . في هذه الأنظمة، يتم تعزيز إنتاج الطاقة من خلال أحداث الانشطار، ويتم استخراج الطاقة باستخدام أنظمة مماثلة لتلك الموجودة في مفاعلات الانشطار التقليدية. ^{[ 14 ]}

تُطلق التصاميم التي تستخدم أنواعًا أخرى من الوقود، ولا سيما تفاعل الاندماج النووي غير النيوتروني بين البروتون والبورون ، جزءًا أكبر بكثير من طاقتها على شكل جسيمات مشحونة. في هذه الحالات، تُصبح أنظمة استخلاص الطاقة القائمة على حركة هذه الشحنات ممكنة. طُوِّرت تقنية التحويل المباشر للطاقة في مختبر لورانس ليفرمور الوطني (LLNL) في ثمانينيات القرن الماضي كطريقة للحفاظ على الجهد الكهربائي مباشرةً باستخدام نواتج تفاعل الاندماج. وقد أثبتت هذه التقنية كفاءة استخلاص طاقة تصل إلى 48%. ^{[ 15 ]}

• التوكاماك : النهج الأكثر تطوراً وتمويلاً. تعتمد هذه الطريقة على تحريك البلازما الساخنة داخل حلقة محصورة مغناطيسياً ، مع وجود تيار كهربائي داخلي. عند اكتماله، سيصبح مشروع ITER أكبر توكاماك في العالم. اعتباراً من سبتمبر 2018، كان هناك ما يقدر بنحو 226 توكاماك تجريبياً، إما قيد التخطيط أو تم إيقاف تشغيلها أو قيد التشغيل (50) في جميع أنحاء العالم. ^{[ 21 ]}
  • التوكاماك الكروي : يُعرف أيضاً باسم التوروس الكروي. وهو نوع من أنواع التوكاماك ذو شكل كروي.
• الستيلاراتور : حلقات ملتوية من البلازما الساخنة. يسعى الستيلاراتور إلى إنشاء مسار بلازما ملتوي طبيعي باستخدام مغناطيسات خارجية. طُوِّرت الستيلاراتورات على يد ليمان سبيتزر عام ١٩٥٠، وتطورت إلى أربعة تصاميم: تورساترون، وهيليوترون، وهيلياك، وهيلياس. ومن الأمثلة على ذلك جهاز ويندلشتاين ٧-إكس ، وهو جهاز ألماني، ويُعد أكبر ستيلاراتور في العالم. ^{[ ٢٢ ]}
• الحلقات الداخلية: تُنشئ أجهزة ستيلاراتور بلازما ملتوية باستخدام مغناطيسات خارجية، بينما تُنشئها أجهزة توكاماك باستخدام تيار مُستحث في البلازما. وتُوفر عدة فئات من التصاميم هذا الالتواء باستخدام موصلات داخل البلازما. وقد أظهرت حسابات مبكرة أن التصادمات بين البلازما ودعامات الموصلات ستُزيل الطاقة أسرع من قدرة تفاعلات الاندماج على تعويضها. وتستخدم التعديلات الحديثة، بما في ذلك تجربة ثنائي القطب المُعلق (LDX)، حلقة صلبة فائقة التوصيل تُعلق مغناطيسيًا داخل حجرة المفاعل. ^{[ 23 ]}
• المرآة المغناطيسية : طُوِّرت بواسطة ريتشارد إف. بوست وفرقه في مختبر لورانس ليفرمور الوطني ( LLNL ) في ستينيات القرن العشرين. ^{[ 24 ]} تعكس المرايا المغناطيسية البلازما ذهابًا وإيابًا في خط مستقيم. وشملت أنواعها المرآة الترادفية ، والزجاجة المغناطيسية، والسطح المخروطي المزدوج . ^{[ 25 ]} قامت الحكومة الأمريكية ببناء سلسلة من أجهزة المرايا في سبعينيات وثمانينيات القرن العشرين، بشكل رئيسي في مختبر لورانس ليفرمور الوطني. ^{[ 26 ]} ومع ذلك، أشارت الحسابات في سبعينيات القرن العشرين إلى أنه من غير المرجح أن تكون هذه الأجهزة ذات فائدة تجارية.
• الحلقة المتعرجة : تتكون هذه الحلقة من عدد من المرايا المغناطيسية مرتبة بشكل متلاصق في حلقة حلقية. أي أيونات وقود تتسرب من إحداها تُحصر في مرآة مجاورة، مما يسمح برفع ضغط البلازما إلى مستويات عالية دون فقدان. تم بناء واختبار منشأة تجريبية، هي حلقة إلمو المتعرجة (EBT)، في مختبر أوك ريدج الوطني (ORNL) في سبعينيات القرن الماضي.
• التكوين المعكوس للمجال : يقوم هذا الجهاز بحبس البلازما في بنية شبه مستقرة ذاتية التنظيم، حيث تُحدث حركة الجسيمات مجالًا مغناطيسيًا داخليًا يقوم بدوره بحبس نفسه. ^{[ 27 ]}
• سفيروماك : يشبه التكوين المعكوس للمجال، وهو بنية بلازما شبه مستقرة تتكون باستخدام المجال المغناطيسي المتولد ذاتيًا للبلازما. يحتوي السفيروماك على مجالين حلقيين وقطبيين، بينما لا يحتوي التكوين المعكوس للمجال على مجال حلقي. ^{[ 28 ]}
• الدينومك : هو شكل كروي يتم تشكيله والحفاظ عليه باستخدام حقن مستمر للتدفق المغناطيسي . ^{[ 29 ] [ 30 ] [ 31 ]}
• انضغاط المجال المعكوس : هنا تتحرك البلازما داخل حلقة. ولها مجال مغناطيسي داخلي. عند الخروج من مركز هذه الحلقة، ينعكس اتجاه المجال المغناطيسي.

• الدفع غير المباشر: تقوم أشعة الليزر بتسخين بنية تُسمى " هوهلراوم" (Hohlraum) حتى تصل إلى درجة حرارة عالية جدًا، فتبدأ بإشعاع أشعة سينية . تُسخّن هذه الأشعة السينية قرصًا من الوقود، مما يؤدي إلى انضغاطه للداخل وضغط الوقود. يُعدّ المرفق الوطني للإشعال أكبر نظام يستخدم هذه الطريقة ، يليه مباشرةً نظام "ليزر ميغا جول" (Laser Mégajoule ). ^{[ 32 ]}
• الدفع المباشر: تقوم أشعة الليزر بتسخين كريات الوقود مباشرةً. وقد أُجريت تجارب بارزة في مجال الدفع المباشر في مختبر طاقة الليزر (LLE) ومنشآت GEKKO XII . تتطلب عمليات الانضغاط الجيدة كريات وقود ذات شكل مثالي تقريبًا لتوليد موجة صدمية داخلية متناظرة تُنتج بلازما عالية الكثافة.
• إشعال سريع: يستخدم شعاعين ليزريين. يضغط الشعاع الأول وقود الاندماج، ثم يشعله الشعاع الثاني. اعتبارًا من عام 2019^{[ 33 ]} فقدت هذه الطريقة شعبيتها في إنتاج الطاقة.
• الاندماج المغناطيسي بالقصور الذاتي أو الاندماج بالقصور الذاتي ذو البطانة الممغنطة : يجمع هذا النوع من الاندماج بين نبضة ليزر وضغط مغناطيسي. ويُطلق عليه مجتمع تقنية الضغط اسم الاندماج بالقصور الذاتي ذو البطانة الممغنطة، بينما يُطلق عليه مجتمع الاندماج بالقصور الذاتي اسم الاندماج المغناطيسي بالقصور الذاتي. ^{[ 34 ]}
• حزم الأيونات: تحل الأيونات محل الضوء (الليزر) في حزم تعمل على تفتيت وتسخين كريات الوقود. ^{[ 35 ]} ويكمن الاختلاف الرئيسي في أن حزمة الأيونات تتمتع بزخم أعلى بكثير نظرًا لكتلة الأيونات، مقارنةً بليزر ذي قدرة مماثلة. وحتى عام 2019، يبدو من غير المرجح إمكانية تركيز حزم الأيونات بشكل كافٍ مكانيًا وزمنيًا.
• آلة Z : تُمرر تيارًا كهربائيًا عبر أسلاك رفيعة من التنجستن، مما يؤدي إلى تسخينها بدرجة كافية لتوليد أشعة سينية. وكما هو الحال في طريقة الدفع غير المباشر، تقوم هذه الأشعة السينية بضغط كبسولة الوقود.

• الانضغاط Z : يسري تيار كهربائي في اتجاه المحور Z عبر البلازما، مُولِّدًا مجالًا مغناطيسيًا يضغط البلازما. كانت الانضغاطات أول طريقة للاندماج النووي المُتحكَّم به من قِبل الإنسان. ^{[ 36 ] [ 37 ]} يُعاني الانضغاط Z من عدم استقرار مُتأصِّل يُحدِّد ضغطه وتسخينه إلى قيم منخفضة جدًا لا تسمح بالاندماج النووي العملي. كان جهاز زيتا البريطاني، وهو أكبر جهاز من هذا النوع، آخر تجربة رئيسية من هذا النوع. أدت مشاكل الانضغاط Z إلى تصميم التوكاماك، الذي يُعد تركيز البلازما الكثيفة فيه شكلًا مُتحسِّنًا مُحتملًا.
• انضغاط ثيتا : يدور تيار كهربائي حول الجزء الخارجي من عمود البلازما، في اتجاه ثيتا. يُولّد هذا مجالًا مغناطيسيًا يمتد في مركز البلازما، بدلًا من أن يدور حولها. كان جهاز سكيلا، وهو أول جهاز انضغاط ثيتا، أول من أثبت الاندماج النووي بشكل قاطع، لكن الدراسات اللاحقة أظهرت وجود حدود جوهرية تجعله غير مُجدٍ لإنتاج الطاقة.
• تثبيت الانضغاط Z باستخدام التدفق القصي : بحثت دراسة أجريت في جامعة واشنطن تحت إشراف أوري شوملاك في استخدام تثبيت التدفق القصي لتخفيف عدم الاستقرار المعتاد في الانضغاطات Z غير المستقرة. يتضمن ذلك تسريع الغاز المحايد على طول محور الانضغاط. شملت الأجهزة التجريبية مفاعلي FuZE وZap Flow Z-Pinch التجريبيين. ^{[ 38 ]} في عام 2017، أسس المستثمر ورائد الأعمال البريطاني في مجال التكنولوجيا، بنج كونواي ، بالاشتراك مع الفيزيائيين برايان نيلسون وأوري شوملاك، شركة Zap Energy في محاولة لتسويق هذه التقنية لإنتاج الطاقة. ^{[ 39 ] [ 40 ] [ 41 ]}
• الضغط اللولبي : يجمع بين الضغط بزاوية ثيتا والضغط بزاوية زد لتحقيق ثبات أعلى. ^{[ 42 ]}

• بوليويل : محاولات لدمج الحصر المغناطيسي مع المجالات الكهروستاتيكية، لتجنب خسائر التوصيل الناتجة عن القفص. ^{[ 43 ]}

• الاندماج النووي ذو الهدف الممغنط : يحصر البلازما الساخنة باستخدام مجال مغناطيسي ويضغطها باستخدام القصور الذاتي. ومن الأمثلة على ذلك جهاز LANL FRX-L، ^{[ 44 ]} والاندماج النووي العام (ضغط المكبس مع بطانة من المعدن السائل)، واندماج هايبرجيت (ضغط نفاثة البلازما مع بطانة من البلازما). ^{[ 45 ] [ 46 ]}
• غير مُتحكَّم به : بدأ الإنسان عملية الاندماج النووي باستخدام انفجارات انشطارية غير مُتحكَّم بها لتحفيز الاندماج. تضمنت المقترحات المبكرة لتوليد الطاقة بالاندماج استخدام القنابل لبدء التفاعلات. انظر مشروع PACER .

• الاندماج النووي المحصور في الشبكة (LCF) :تُعرَّض المعادن المشبعة بالديوترون لأشعة غاما أو حزم الأيونات، كما هو الحال في مفاعل الاندماج النووي ذي البلازما المقيدة (IEC) ، مما يجنب استخدام البلازما المحصورة ذات درجة الحرارة العالية المستخدمة في معظم أنواع المفاعلات الأخرى. ^{[ 47 ] [ 48 ]}
• الاندماج المحفز بالميونات : في الجزيئات ثنائية الذرة لنظائر الهيدروجين ،تُستبدلالإلكتروناتبالميونات : وهي جسيمات ذات كتلة أكبر ولها نفس الشحنة الكهربائية . تؤدي كتلتها الأكبر إلى انكماش الجزيء والتغلب على معظم التنافر الكهروستاتيكي ( حاجز كولوم ) اللازم للاندماج. ^{[ 49 ]} اعتبارًا من عام 2007، يتطلب إنتاج الميونات طاقة أكبر مما يمكن الحصول عليه من الاندماج المحفز بالميونات. ^{[ 50 ]}
• الإضاءة الليزرية عالية الكثافة : تشير دراسة نظرية صينية متعددة المؤسسات (مركز تكنولوجيا تطبيقات الليزر المكثف، جامعة الدفاع الوطني للتكنولوجيا، الأكاديمية الصينية لفيزياء الهندسة) إلى أن الإضاءة الليزرية عالية الكثافة (> ^10²⁰ واط/سم² ⁾ يمكن أن تخفض بشكل كبير (~10 أضعاف) درجات حرارة اندماج النوى، مما يرفع معدلات التفاعل بشكل ملحوظ (10³ ^- 10⁹ ^أضعاف ). وتكمن الآلية في أن الليزر ذي الطول الموجي الأطول، القريب من الأشعة تحت الحمراء ، أكثر كفاءة من الليزر ذي الطول الموجي الأقصر في التغلب على حاجز كولوم الذي يمنع عادةً اندماج النوى، وذلك من خلال تفاعلات متعددة الفوتونات تزيد من احتمالية النفق الكمي النووي . ويمكن استخدام هذه التقنية للمساعدة في معظم تفاعلات وأجهزة الاندماج النووي. ^{[ 51 ] [ 52 ]}

عند استخدامها بمفردها، وبعزلة، تستهلك هذه الطرق بطبيعتها طاقة أكثر مما يمكنها توفيره عبر الاندماج النووي.

• جهاز الاندماج النووي : يعمل مجال كهربائي على تسخين الأيونات إلى ظروف الاندماج. يستخدم الجهاز عادةً قفصين كرويين، أحدهما مهبط والآخر مصعد، داخل فراغ. لا تُعتبر هذه الأجهزة خيارًا عمليًا لتوليد طاقة صافية نظرًا لارتفاع خسائر التوصيل والإشعاع. ^{[ 53 ]} ومع ذلك، فهي سهلة البناء لدرجة أن الهواة تمكنوا من دمج الذرات باستخدامها. ^{[ 54 ]}
• الاندماج النووي باستخدام حزمة متصادمة : يمكن لحزمة من الجسيمات عالية الطاقة تُطلق على حزمة أخرى أو هدف أن تبدأ عملية الاندماج النووي. وقد استُخدمت هذه التقنية في سبعينيات وثمانينيات القرن الماضي لدراسة المقاطع العرضية لتفاعلات الاندماج النووي. ^{[ 8 ]} مع ذلك، لا يمكن استخدام أنظمة الحزم لتوليد الطاقة لأن الحفاظ على تماسك الحزمة يتطلب طاقة أكبر من الطاقة الناتجة عن الاندماج النووي.

استُخدم نظام تعلّم معزز عميق للتحكم في مفاعل توكاماك . ^{[ 56 ]} تمكّن النظام من التلاعب بالملفات المغناطيسية لإدارة البلازما، كما تمكّن من التكيف باستمرار للحفاظ على السلوك المناسب (وهو أكثر تعقيدًا من الأنظمة القائمة على الخطوات). في عام 2014، بدأت جوجل العمل مع شركة TAE Technologies، المتخصصة في الاندماج النووي ومقرها كاليفورنيا، للتحكم في مفاعل JET الأوروبي المشترك للتنبؤ بسلوك البلازما. ^{[ 57 ]} طوّرت DeepMind أيضًا نظام تحكم باستخدام TCV . ^{[ 57 ]} حقق باحثون في مختبر برينستون لفيزياء البلازما (PPPL) وجامعة برينستون تقدمًا ملحوظًا باستخدام الذكاء الاصطناعي للتحكم في البلازما في مفاعل توكاماك، محققين احتواءً عاليًا دون حدوث انفجارات طاقة ضارة عند الحواف (أنماط معروفة بالتمركز عند الحواف) في مفاعلي توكاماك: DIII-D و KSTAR . ^{[ 58 ]} أدى تعاون دولي ضمّ بعض الباحثين أنفسهم من جامعة برينستون ومختبر برينستون لفيزياء البلازما (PPPL)، بالإضافة إلى باحثين من جامعة تشونغ آنغ وجامعة كولومبيا وجامعة سيول الوطنية ، إلى تطوير نظام ذكاء اصطناعي جديد يُعرف باسم Diag2Diag، والذي يُكمّل بيانات الاستشعار المفقودة لأنظمة الاندماج النووي، مُقدّماً تفاصيل أكثر مما يُمكن أن يُوفّره مستشعر حقيقي. كما قدّمت البيانات التي جُمعت من بحث Diag2Diag دعماً جديداً لنظرية رائدة حول التحكم في اضطرابات البلازما. ^{[ 59 ] [ 60 ]}

• التسخين الكهروستاتيكي: يمكن للمجال الكهربائي أن يبذل شغلاً على الأيونات أو الإلكترونات المشحونة، مما يؤدي إلى تسخينها. ^{[ 61 ]}
• حقن الحزمة المحايدة : يُؤيَّن الهيدروجين ويُسرَّع بواسطة مجال كهربائي لتكوين حزمة مشحونة تُمرَّر عبر مصدر لغاز الهيدروجين المحايد باتجاه البلازما، التي تُؤيَّن بدورها وتُحصر بواسطة مجال مغناطيسي. يُسرَّع جزء من غاز الهيدروجين الوسيط باتجاه البلازما عن طريق التصادمات مع الحزمة المشحونة مع بقائه محايدًا: وبالتالي، لا تتأثر هذه الحزمة المحايدة بالمجال المغناطيسي وتصل إلى البلازما. بمجرد دخولها البلازما، تنقل الحزمة المحايدة الطاقة إليها عن طريق التصادمات التي تُؤيِّنها وتسمح بحصرها بواسطة المجال المغناطيسي، مما يؤدي إلى تسخين المفاعل وإعادة تزويده بالوقود في عملية واحدة. يُحوَّل الجزء المتبقي من الحزمة المشحونة بواسطة المجالات المغناطيسية إلى مصارف حزم مبردة. استُخدم تسخين الحزمة المحايدة على نطاق واسع في مفاعل PLT خلال الفترة 1975-1986. وقد حققت درجات حرارة الأيونات القصوى رقمًا قياسيًا عالميًا، حيث وصلت إلى 75 مليون كلفن، وهو ما يتجاوز بكثير الحد الأدنى المطلوب لجهاز اندماج عملي. ^{[ 62 ]}
• التسخين بترددات الراديو: تتسبب موجة الراديو في تذبذب البلازما (مثل فرن الميكروويف ). يُعرف هذا أيضًا باسم تسخين رنين السيكلوترون الإلكتروني ، باستخدام الجيروترونات على سبيل المثال ، أو التسخين العازل . ^{[ 63 ]}
• إعادة الاتصال المغناطيسي : عندما تزداد كثافة البلازما، قد تتغير خصائصها الكهرومغناطيسية، مما قد يؤدي إلى إعادة الاتصال المغناطيسي . تُسهم إعادة الاتصال في الاندماج النووي لأنها تُضخ الطاقة فورًا في البلازما، مما يُسخنها بسرعة. يُمكن أن تصل نسبة الطاقة اللازمة لتسخين الأيونات إلى 45% من طاقة المجال المغناطيسي. ^{[ 64 ] [ 65 ]}
• التذبذبات المغناطيسية: يمكن تزويد الملفات المغناطيسية بتيارات كهربائية متغيرة تعمل على تسخين البلازما المحصورة داخل جدار مغناطيسي. ^{[ 66 ]}
• إفناء البروتونات المضادة: يمكن للبروتونات المضادة المحقونة في كتلة من وقود الاندماج أن تحفز تفاعلات نووية حرارية. وقد تم بحث هذه الإمكانية كطريقة لدفع المركبات الفضائية، والمعروفة باسم الدفع النبضي النووي المحفز بالمادة المضادة ، في جامعة ولاية بنسلفانيا في إطار مشروع AIMStar المقترح .

تتسم عمليات تشخيص مفاعل الاندماج العلمي بالتعقيد والتنوع الشديدين. ^{[ 67 ]} ستكون عمليات التشخيص المطلوبة لمفاعل طاقة الاندماج متنوعة، ولكنها أقل تعقيدًا من تلك المطلوبة للمفاعل العلمي، إذ بحلول وقت التسويق التجاري، ستكون العديد من أنظمة التشخيص والتحكم في الوقت الفعلي قد وصلت إلى مستوى عالٍ من الكفاءة. مع ذلك، ستكون بيئة تشغيل مفاعل الاندماج التجاري أقسى على أنظمة التشخيص مقارنةً بالمفاعل العلمي، لأن العمليات المستمرة قد تنطوي على درجات حرارة بلازما أعلى ومستويات أعلى من تشعيع النيوترونات. في العديد من المناهج المقترحة، سيتطلب التسويق التجاري القدرة الإضافية على قياس وفصل غازات المحول، مثل الهيليوم والشوائب، ومراقبة عملية توليد الوقود، مثل حالة بطانة الليثيوم السائل المستخدمة في توليد التريتيوم. ^{[ 68 ]} فيما يلي بعض التقنيات الأساسية.

• حلقة التدفق : تُدخل حلقة سلكية في المجال المغناطيسي. عند مرور المجال عبر الحلقة، يتولد تيار كهربائي. يقيس هذا التيار إجمالي التدفق المغناطيسي عبر الحلقة. وقد استُخدمت هذه التقنية في تجربة ستيلاراتور المدمجة الوطنية ^{[ 69 ]} ، وجهاز البوليويل ^{[ 70 ]} ، وأجهزة LDX . يمكن استخدام مسبار لانغمير ، وهو جسم معدني موضوع في البلازما. يُطبق عليه جهد كهربائي، مما يُكسبه فرق جهد مع البلازما المحيطة. يجمع المعدن الجسيمات المشحونة، ساحبًا تيارًا كهربائيًا. ومع تغير الجهد، يتغير التيار، مما يُشكل منحنى التيار- الجهد. يمكن استخدام منحنى التيار-الجهد لتحديد كثافة البلازما المحلية، والجهد، ودرجة الحرارة. ^{[ 71 ]}
• تشتت طومسون : يمكن استخدام تشتت الضوء من البلازما لإعادة بناء سلوكها، بما في ذلك الكثافة ودرجة الحرارة. وهو شائع في الاندماج بالقصور الذاتي ^{[ 72 ]} ، ومفاعلات التوكاماك ^{[ 73 ]} ، وأجهزة الاندماج النووي. في أنظمة الاندماج بالقصور الذاتي، يؤدي إطلاق شعاع ثانٍ على رقاقة ذهبية مجاورة للهدف إلى توليد أشعة سينية تخترق البلازما. في مفاعلات التوكاماك، يمكن تحقيق ذلك باستخدام مرايا وكواشف لعكس الضوء.
• كاشفات النيوترونات : يمكن لعدة أنواع من كاشفات النيوترونات تسجيل معدل إنتاج النيوترونات. ^{[ 74 ] [ 75 ]}
• تُصدر كواشف الأشعة السينية أشعة مرئية، وأشعة تحت الحمراء، وأشعة فوق بنفسجية، وأشعة سينية كلما تغيرت سرعة جسيم ما. ^{[ 76 ]} إذا كان السبب هو انحراف الجسيم بفعل مجال مغناطيسي، فإن الإشعاع يكون إشعاع سيكلوتروني عند السرعات المنخفضة، وإشعاع سنكروتروني عند السرعات العالية. أما إذا كان السبب هو انحراف الجسيم بفعل جسيم آخر، فإن البلازما تُشع أشعة سينية، تُعرف بإشعاع بريمسترالونغ . ^{[ 77 ]}

تمتص البطانيات النيوترونية النيوترونات، مما يؤدي إلى تسخينها. ويمكن استخلاص الطاقة من هذه البطانية بطرق مختلفة:

• يمكن تشغيل التوربينات البخارية عن طريق الحرارة المنقولة إلى سائل عامل يتحول إلى بخار، مما يؤدي إلى تشغيل المولدات الكهربائية. ^{[ 78 ]}
• أغطية النيوترونات: يمكن لهذه النيوترونات إعادة توليد وقود الانشطار المستهلك. ^{[ 79 ]} يمكن إنتاج التريتيوم باستخدام غطاء توليد من الليثيوم السائل أو طبقة من الحصى المبردة بالهيليوم مصنوعة من حصى خزفية حاملة لليثيوم. ^{[ 80 ]}
• التحويل المباشر للطاقة : يمكن تحويل الطاقة الحركية للجسيم إلى جهد كهربائي . ^{[ 24 ]} اقترح ريتشارد ف. بوست هذه التقنية لأول مرة في أواخر الستينيات، بالاقتران مع المرايا المغناطيسية . وقد طُرحت هذه التقنية لأجهزة التركيز البلازمي الكثيف وتكوين المجال المعكوس . تحوّل هذه العملية جزءًا كبيرًا من الطاقة العشوائية لمنتجات الاندماج إلى حركة موجهة. ثم تُجمع الجسيمات على أقطاب كهربائية عند جهود كهربائية عالية مختلفة. وقد أثبتت هذه الطريقة كفاءة تجريبية بلغت 48%. ^{[ 81 ]}
• تمرر أنابيب الموجات المتنقلة ذرات الهيليوم المشحونة بجهد عدة ميغا فولتات، وهي حديثة الخروج من تفاعل الاندماج النووي، عبر أنبوب ملفوف بسلك من الخارج. يؤدي مرور هذه الشحنة بجهد عالٍ إلى سحب الكهرباء عبر السلك.

يشير مصطلح الحصر إلى جميع الظروف اللازمة للحفاظ على كثافة البلازما وسخونتها لفترة كافية لحدوث الاندماج النووي. المبادئ العامة:

• التوازن : يجب أن تكون القوى المؤثرة على البلازما متوازنة. ويُستثنى من ذلك الحصر بالقصور الذاتي ، حيث يجب أن يحدث الاندماج أسرع من زمن التشتت.
• الاستقرار : يجب بناء البلازما بحيث لا تؤدي الاضطرابات إلى تشتت البلازما.
• النقل أو التوصيل : يجب أن يكون فقدان المادة بطيئًا بما يكفي. ^{[ 9 ]} تحمل البلازما الطاقة معها، لذا فإن الفقدان السريع للمادة سيعطل الاندماج. يمكن أن تُفقد المادة عن طريق النقل إلى مناطق مختلفة أو التوصيل عبر مادة صلبة أو سائلة.

لإنتاج اندماج ذاتي الاستدامة، يجب استخدام جزء من الطاقة المنبعثة من التفاعل لتسخين المواد المتفاعلة الجديدة والحفاظ على ظروف الاندماج.

The easiest nuclear reaction, at the lowest energy, is D+T:

²₁D + ³₁T → ⁴₂He (3.5 MeV) + ¹₀n (14.1 MeV)

This reaction is common in research, industrial and military applications, usually as a neutron source. Deuterium is a naturally occurring isotope of hydrogen and is commonly available. The large mass ratio of the hydrogen isotopes makes their separation easy compared to the uranium enrichment process. Tritium is a natural isotope of hydrogen, but because it has a short half-life of 12.32 years, it is hard to find, store, produce, and is expensive. Consequently, the deuterium-tritium fuel cycle requires the breeding of tritium from lithium using one of the following reactions:

¹₀n + ⁶₃Li → ³₁T + ⁴₂He

¹₀n + ⁷₃Li → ³₁T + ⁴₂He + ¹₀n

يُستمد النيوترون المتفاعل من تفاعل الاندماج النووي D-T الموضح أعلاه، وهو التفاعل الذي يُنتج أكبر قدر من الطاقة. التفاعل مع الليثيوم ^-6 طارد للحرارة ، مما يُوفر زيادة طفيفة في طاقة المفاعل. أما التفاعل مع الليثيوم ^-7 فهو ماص للحرارة ، ولكنه لا يستهلك النيوترون. تُعد تفاعلات تكاثر النيوترونات ضرورية لتعويض النيوترونات المفقودة نتيجة امتصاصها بواسطة عناصر أخرى. من أبرز المواد المرشحة لتكاثر النيوترونات البريليوم والرصاص ، ولكن تفاعل الليثيوم ^-7 يُساعد في الحفاظ على كثافة عالية من النيوترونات. يتكون الليثيوم الطبيعي بشكل أساسي من الليثيوم ^-7 ، الذي يتميز بانخفاض مقطعه العرضي لإنتاج التريتيوم مقارنةً بالليثيوم ^-6 ، لذا تستخدم معظم تصميمات المفاعلات أغطية توليد تحتوي على الليثيوم ^-6 المُخصب .

تشمل العيوب التي تُعزى عادةً إلى طاقة الاندماج النووي D-T ما يلي:

• يؤدي تزويد المفاعل بالنيوترونات إلى تنشيط مواد المفاعل بالنيوترونات. ^{[ 93 ] : 242}
• يتم نقل 80% من الطاقة الناتجة بواسطة النيوترونات، مما يحد من استخدام التحويل المباشر للطاقة. ^{[ 94 ]}
• يتطلب ذلك استخدام النظير المشع التريتيوم. وقد يتسرب التريتيوم من المفاعلات. وتشير بعض التقديرات إلى أن هذا سيمثل إطلاقاً كبيراً للإشعاع البيئي. ^{[ 95 ]}

يُتوقع أن يكون تدفق النيوترونات في مفاعل اندماج الديوتيريوم-تريتيوم التجاري أعلى بنحو 100 مرة من تدفقها في مفاعلات الطاقة الانشطارية، مما يطرح تحديات في تصميم المواد . بعد سلسلة من اختبارات الديوتيريوم-تريتيوم في مختبر JET ، كان وعاء التفريغ مشعًا بدرجة كافية استدعت معالجته عن بُعد لمدة عام كامل بعد الاختبارات. ^{[ 96 ]}

في بيئة الإنتاج، تتفاعل النيوترونات مع الليثيوم في غطاء التوليد المُكوّن من حبيبات سيراميك الليثيوم أو الليثيوم السائل، مُنتجةً التريتيوم. تنتقل طاقة النيوترونات إلى الليثيوم، الذي يُنقل بدوره لتوليد الكهرباء. يحمي غطاء الليثيوم الأجزاء الخارجية للمفاعل من تدفق النيوترونات. تستخدم التصاميم الحديثة، وخاصةً التوكاماك المُتطور، الليثيوم داخل قلب المفاعل كعنصر تصميمي. يتفاعل البلازما مباشرةً مع الليثيوم، مما يمنع مشكلة تُعرف باسم "إعادة التدوير". وقد تم إثبات ميزة هذا التصميم في تجربة توكاماك الليثيوم .

يُعدّ دمج نواتي ديوتيريوم ثاني أسهل تفاعل اندماج نووي. للتفاعل فرعان يحدثان باحتمالية متساوية تقريبًا:

² ₁ D+ ² ₁ D→ ³ ₁ T+ ¹ ₁ H

² ₁ D+ ² ₁ D→ ³ ₂ He+ ¹ ₀ n

يُعدّ هذا التفاعل شائعًا في الأبحاث. تبلغ الطاقة المثلى لبدء هذا التفاعل 15  كيلو إلكترون فولت، وهي أعلى بقليل من طاقة تفاعل الديوتيريوم-التريتيوم. ينتج الفرع الأول التريتيوم، لذا فإن مفاعل الديوتيريوم-الديوتيريوم ليس خاليًا من التريتيوم، على الرغم من أنه لا يتطلب إدخال التريتيوم أو الليثيوم. ما لم تُزال التريتونات بسرعة، فإن معظم التريتيوم المُنتَج يُحرق في المفاعل، مما يُقلل من التعامل مع التريتيوم، مع عيب إنتاج المزيد من النيوترونات ذات الطاقة الأعلى. تبلغ طاقة النيوترون الناتج من الفرع الثاني لتفاعل الديوتيريوم-الديوتيريوم 2.45 ميجا إلكترون فولت (0.393 بيكو جول) ، بينما تبلغ طاقة النيوترون الناتج من تفاعل الديوتيريوم-التريتيوم 14.1 ميجا إلكترون فولت (2.26 بيكو جول) ، مما يؤدي إلى زيادة إنتاج النظائر وتلف المواد. عندما تُزال التريتونات بسرعة مع السماح للهيليوم ^-3 بالتفاعل، تُسمى دورة الوقود "الاندماج المُثبَّط بالتريتيوم". ^{[ 97 ]} يتحلل التريتيوم المُزال إلى ^{الهيليوم-3} بنصف عمر يبلغ 12.32 سنة. وبفضل إعادة تدوير ناتج تحلل الهيليوم ^-3 إلى المفاعل، لا يحتاج مفاعل الاندماج إلى مواد مقاومة للنيوترونات السريعة.    

بافتراض الإزالة الكاملة للتريتيوم وإعادة تدوير الهيليوم ^-3 ، فإن 6% فقط من طاقة الاندماج تحملها النيوترونات. ويتطلب اندماج الديوتيريوم-ديوتيريوم المُثبَّط بالتريتيوم حصرًا للطاقة أطول بعشر مرات مقارنةً باندماج الديوتيريوم-تريتيوم، وضعف درجة حرارة البلازما. ^{[ 98 ]}

يتمثل أحد أساليب الجيل الثاني لتوليد طاقة الاندماج النووي المتحكم بها في الجمع بين الهيليوم-3 ( ^3He ) والديوتيريوم ( ^2H ):

² ₁ D+ ³ ₂ He→ ⁴ ₂ He+ ¹ ₁ H

ينتج عن هذا التفاعل ⁴ ذرات هيليوم وبروتون عالي الطاقة. وكما هو الحال في دورة وقود الاندماج النووي غير النيوتروني p- ^11B ، تُطلق معظم طاقة التفاعل على شكل جسيمات مشحونة، مما يقلل من تنشيط غلاف المفاعل، ويسمح باحتمالية حصاد طاقة أكثر كفاءة (عبر أي من المسارات المتعددة). ^{[ 99 ]} عمليًا، تُنتج التفاعلات الجانبية D-D عددًا كبيرًا من النيوترونات، مما يجعل p- ^11B الدورة المفضلة للاندماج النووي غير النيوتروني. ^{[ 99 ]}

يُقلل الاندماج النووي غير النيوتروني بشكل كبير من مشاكل علم المواد ومخاوف منع الانتشار النووي . نظريًا، يُعد الهيليوم ^-3 أكثر أنواع الوقود غير النيوتروني تفاعلًا . مع ذلك، يتطلب الحصول على كميات معقولة من ^{الهيليوم-3} عمليات تعدين واسعة النطاق خارج كوكب الأرض، على سطح القمر أو في الغلاف الجوي لكوكبي أورانوس أو زحل. لذا، يُعد دمج البروتون (أي البروتون ) والبورون ، المتوفرين بكثرة، الوقودَ الأكثر واعدةً لهذا النوع من الاندماج. لا يُطلق اندماجهما أي نيوترونات، ولكنه يُنتج جسيمات ألفا (الهيليوم) المشحونة عالية الطاقة، والتي يُمكن تحويل طاقتها مباشرةً إلى طاقة كهربائية.

¹ ₁ H+ ¹¹ ₅ B→ 3 ⁴ ₂ He

من المرجح أن تُنتج التفاعلات الجانبية نيوترونات تحمل حوالي 0.1% فقط من الطاقة، ^{[ 100 ] : 177-182،} مما يعني عدم استخدام تشتت النيوترونات لنقل الطاقة، وانخفاض تنشيط المادة آلاف المرات. تبلغ درجة الحرارة المثلى لهذا التفاعل 123 كيلو إلكترون فولت ^{[ 101 ]،} وهي أعلى بعشر مرات تقريبًا من درجة حرارة تفاعلات الهيدروجين النقي، ويجب أن يكون حصر الطاقة أفضل بـ 500 مرة من المطلوب لتفاعل الديوتيريوم-تريتيوم. إضافةً إلى ذلك، فإن كثافة الطاقة أقل بـ 2500 مرة من كثافة الطاقة في تفاعل الديوتيريوم-تريتيوم، مع أنها، لكل وحدة كتلة من الوقود، لا تزال أعلى بكثير مقارنةً بمفاعلات الانشطار.

نظرًا لأن خصائص الحصر في التوكاماك والاندماج باستخدام كريات الليزر محدودة، فإن معظم المقترحات المتعلقة بالاندماج غير النيوتروني تستند إلى مفاهيم حصر مختلفة جذريًا، مثل جهاز بوليويل وتركيز البلازما الكثيف . في عام 2013، أعلن فريق بحثي بقيادة كريستين لابون في المدرسة المتعددة التقنيات (École Polytechnique ) عن رقم قياسي جديد لمعدل اندماج البروتون-البورون، حيث قُدِّر عدد تفاعلات الاندماج بـ 80 مليون تفاعل خلال نبضة ليزر مدتها 1.5 نانوثانية، أي ما يزيد 100 ضعف عن الأرقام المسجلة في التجارب السابقة. ^{[ 102 ] [ 103 ]}

في البلازما المُحاطة بمجال مغناطيسي (المعروفة بالبلازما الممغنطة)، يتناسب معدل الاندماج طرديًا مع قوة المجال المغناطيسي مرفوعة للأس الرابع. ولهذا السبب، تسعى العديد من شركات الاندماج النووي التي تعتمد على المجالات المغناطيسية للتحكم في البلازما إلى تطوير أجهزة فائقة التوصيل ذات درجة حرارة عالية. في عام 2021، طورت شركة SuperOx، وهي شركة روسية يابانية، عملية تصنيع جديدة لإنتاج أسلاك YBCO فائقة التوصيل لمفاعلات الاندماج. وقد أظهرت هذه الأسلاك الجديدة قدرة على توصيل تيار كهربائي يتراوح بين 700 و2000 أمبير لكل مليمتر مربع. وتمكنت الشركة من إنتاج 186 ميلًا من الأسلاك في غضون تسعة أشهر. ^{[ 112 ]}

حتى على نطاقات الإنتاج الصغيرة، تتعرض أجهزة الاحتواء لكميات هائلة من المادة والطاقة. لذا، يجب أن تراعي تصاميم احتواء البلازما ما يلي:

• دورة تسخين وتبريد، تصل إلى حمل حراري ^قدره  10 ميجاوات/م² .
• الإشعاع النيوتروني ، الذي يؤدي بمرور الوقت إلى تنشيط النيوترونات والتقصف .
• أيونات عالية الطاقة تغادر بطاقة تتراوح من عشرات إلى مئات الإلكترون فولت .
• تغادر جسيمات ألفا بطاقة تصل إلى ملايين الإلكترون فولت .
• الإلكترونات تغادر بطاقة عالية.
• الإشعاع الضوئي (الأشعة تحت الحمراء، المرئية، فوق البنفسجية، الأشعة السينية).

بحسب النهج المتبع، قد تكون هذه التأثيرات أعلى أو أقل من تلك الخاصة بمفاعلات الانشطار النووي. ^{[ 113 ]} وبحسب النهج المتبع، تُؤخذ في الاعتبار عوامل أخرى مثل الموصلية الكهربائية ، والنفاذية المغناطيسية ، والمتانة الميكانيكية. كما يجب ألا ينتهي المطاف بالمواد كنفايات مشعة طويلة الأمد . ^{[ 104 ]}

للاستخدام طويل الأمد، يُتوقع أن تصطدم كل ذرة في الجدار بنيوترون وتُزاح حوالي 100 مرة قبل استبدال المادة. تؤدي تصادمات النيوترونات عالية الطاقة هذه مع ذرات الجدار إلى امتصاص النيوترونات، مما يُشكل نظائر غير مستقرة للذرات. عند تحلل النظير، قد يُصدر جسيمات ألفا أو بروتونات أو أشعة غاما . تُشكل جسيمات ألفا، بمجرد استقرارها عن طريق التقاط الإلكترونات، ذرات الهيليوم التي تتراكم عند حدود الحبيبات، وقد تؤدي إلى انتفاخ المادة أو ظهور فقاعات أو تقصفها. ^{[ 113 ] [ 114 ]}

يُعتبر التنجستن على نطاق واسع المادة الأمثل للمكونات المواجهة للبلازما في أجهزة الاندماج من الجيل التالي، وذلك بفضل خصائصه الفريدة وإمكانية تطويره. فانخفاض معدلات تناثره وارتفاع درجة انصهاره يجعلان منه مادةً مناسبةً بشكل خاص للبيئات عالية الإجهاد في مفاعلات الاندماج، مما يسمح له بتحمل الظروف القاسية دون تدهور سريع. إضافةً إلى ذلك، يُعدّ انخفاض احتفاظ التنجستن بالتريتيوم من خلال الترسيب المشترك والزرع أمرًا بالغ الأهمية في سياقات الاندماج، حيث يُساعد على تقليل تراكم هذا النظير المشع. ^{[ 115 ] [ 116 ] [ 117 ] [ 118 ]}

تم اقتراح استخدام المعادن السائلة (الليثيوم، الغاليوم ، القصدير  )، على سبيل المثال، عن طريق حقن تيارات بسمك 1-5 مم تتدفق بسرعة 10  م/ث على ركائز صلبة.

يُعاني الجرافيت من معدل تآكل كبير نتيجةً للتذرية الفيزيائية والكيميائية، يصل إلى عدة أمتار سنويًا، مما يستلزم إعادة ترسيب المادة المتذرية. ولا يتطابق موقع إعادة الترسيب عادةً مع موقع التذرية، مما يسمح بتآكل صافٍ قد يكون مُكلفًا للغاية. وتكمن المشكلة الأكبر في إعادة ترسيب التريتيوم مع الجرافيت المُعاد ترسيبه. وقد يتراكم التريتيوم في الجدار والغبار ليصل إلى عدة كيلوغرامات، مما يُمثل هدرًا للموارد وخطرًا إشعاعيًا في حال وقوع حادث. وقد لاقى الجرافيت رواجًا كمادة للتجارب قصيرة الأمد، ولكن من غير المرجح أن يُصبح المادة الأساسية المُواجهة للبلازما في المفاعلات التجارية. ^{[ 104 ] [ 119 ]}

تُعاني المواد الخزفية، مثل كربيد السيليكون (SiC)، من مشاكل مشابهة لتلك التي يُعاني منها الجرافيت. إذ يبلغ احتباس التريتيوم في مكونات كربيد السيليكون المواجهة للبلازما حوالي 1.5 إلى 2 ضعف احتباسه في الجرافيت، مما يُؤدي إلى انخفاض كفاءة الوقود وزيادة مخاطر السلامة في مفاعلات الاندماج. يميل كربيد السيليكون إلى احتجاز كميات أكبر من التريتيوم، مما يُحد من توافره للاندماج ويزيد من خطر تراكمه الخطير، الأمر الذي يُعقّد إدارة التريتيوم. ^{[ 120 ] [ 121 ]} علاوة على ذلك، لا يزال التذرية الكيميائية والفيزيائية لكربيد السيليكون كبيرة، مما يُساهم في تراكم التريتيوم من خلال الترسيب المشترك بمرور الوقت ومع زيادة كثافة الجسيمات. ونتيجة لذلك، تم استبعاد المواد الكربونية من مفاعلات ITER و DEMO والأجهزة المماثلة. ^{[ 122 ]}

معدل تذرية التنجستن أقل بكثير من معدل تذرية الكربون، كما أن التريتيوم يندمج بنسبة أقل بكثير في التنجستن المُعاد ترسيبه. مع ذلك، فإن شوائب بلازما التنجستن أكثر ضررًا بكثير من شوائب الكربون، وقد يكون التذرية الذاتية عالية، مما يتطلب ألا تكون البلازما الملامسة للتنجستن ساخنة جدًا (بضع عشرات من الإلكترون فولت بدلًا من مئات الإلكترون فولت). كما أن للتنجستن مشاكل تتعلق بالتيارات الدوامية والانصهار في حالات غير طبيعية، بالإضافة إلى بعض المشاكل الإشعاعية. ^{[ 104 ]}

أظهرت التطورات الحديثة في مجال مواد أجهزة الاحتواء أن بعض أنواع السيراميك قادرة على تحسين عمر هذه الأجهزة. وتشير الدراسات التي أُجريت على أطوار MAX ، مثل كربيد السيليكون والتيتانيوم، إلى أنه في ظل درجات حرارة التشغيل العالية للاندماج النووي، تخضع المادة لتحول طوري من بنية سداسية إلى بنية مكعبة مركزية الوجوه (FCC)، مدفوعةً بنمو فقاعات الهيليوم. تتراكم ذرات الهيليوم بشكل تفضيلي في طبقة السيليكون ضمن البنية السداسية، نظرًا لأن ذرات السيليكون أكثر حركة من ذرات التيتانيوم والكربون. ومع ازدياد عدد الذرات المحتجزة، تنفصل طبقة التيتانيوم والكربون، مما يجعل ذرات السيليكون ذرات بينية عالية الحركة في البنية المكعبة مركزية الوجوه الجديدة. ويؤدي إجهاد الشبكة البلورية الناتج عن فقاعات الهيليوم إلى انتشار ذرات السيليكون خارج المناطق المضغوطة، عادةً باتجاه سطح المادة، مُشكلةً طبقة واقية من ثاني أكسيد السيليكون. ^{[ 123 ]}

برزت معالجة مواد الأوعية بسيليكات الحديد كنهج واعد لتحسين مواد الاحتواء في مفاعلات الاندماج النووي. تستهدف هذه الطريقة تقصف الهيليوم عند حدود الحبيبات، وهي مشكلة شائعة تنشأ نتيجة تراكم ذرات الهيليوم وتكوّن فقاعات. مع مرور الوقت، تتحد هذه الفقاعات عند حدود الحبيبات، مما يؤدي إلى تمددها وتدهور السلامة الهيكلية للمادة. في المقابل، يُنشئ إدخال سيليكات الحديد مواقع تنوية داخل المصفوفة المعدنية، وهي مواقع أكثر ملاءمة من الناحية الديناميكية الحرارية لتجمع الهيليوم. يُحفز هذا التجمع الموضعي حول جسيمات سيليكات الحديد النانوية إجهادًا في المصفوفة بدلًا من إضعاف حدود الحبيبات، مما يحافظ على قوة المادة وطول عمرها. ^{[ 124 ] [ 125 ]}

يُعدّ احتمال وقوع الحوادث وتأثيرها على البيئة عاملين حاسمين في قبول الاندماج النووي اجتماعيًا، وهو ما يُعرف أيضًا بالترخيص الاجتماعي . ^{[ 126 ]} لا تتعرض مفاعلات الاندماج للانصهار الكارثي . ^{[ 127 ]} يتطلب إنتاج الطاقة الصافية معايير دقيقة ومضبوطة لدرجة الحرارة والضغط والمجال المغناطيسي، وأي تلف أو فقدان للتحكم المطلوب سيؤدي إلى توقف التفاعل بسرعة. ^{[ 128 ]} تعمل مفاعلات الاندماج بكمية وقود تكفي لثوانٍ أو حتى أجزاء من الثانية في أي لحظة. وبدون إعادة تزويد الوقود بشكل فعال، تتوقف التفاعلات فورًا. ^{[ 127 ]}

تمنع القيود نفسها حدوث تفاعلات متسارعة. فعلى الرغم من أنه من المتوقع أن يصل حجم البلازما إلى 1000 متر ^مكعب (35000 قدم ^مكعب ) أو أكثر، إلا أنها لا تحتوي عادةً إلا على بضعة غرامات من الوقود. ^{[ 127 ]} وبالمقارنة، يُزوّد ​​مفاعل الانشطار عادةً بكمية كافية من الوقود تكفي لأشهر أو سنوات، ولا حاجة إلى وقود إضافي لمواصلة التفاعل. هذا المخزون الكبير من الوقود هو ما يُتيح إمكانية حدوث انصهار نووي. ^{[ 129 ]}  

في أنظمة الاحتواء المغناطيسي، تتولد مجالات مغناطيسية قوية في الملفات التي تُثبّت ميكانيكيًا بواسطة هيكل المفاعل. قد يؤدي انهيار هذا الهيكل إلى تحرير هذا التوتر، مما يسمح للمغناطيس بالانفجار للخارج. ستكون خطورة هذا الحدث مماثلة لحوادث صناعية أخرى أو انفجار جهاز التصوير بالرنين المغناطيسي ، ويمكن احتواؤه بفعالية داخل مبنى احتواء مماثل لتلك المستخدمة في مفاعلات الانشطار النووي.

في نظام الاحتواء بالقصور الذاتي الذي يعمل بالليزر، يقلل الحجم الأكبر لغرفة التفاعل من الإجهاد الواقع على المواد. ورغم إمكانية حدوث عطل في غرفة التفاعل، فإن إيقاف إمداد الوقود يمنع حدوث عطل كارثي. ^{[ 130 ]}

انطفاء المغناطيس هو توقف غير طبيعي لعمل المغناطيس يحدث عندما يخرج جزء من الملف فائق التوصيل من حالة التوصيل الفائق (يعود إلى حالته الطبيعية). قد يحدث هذا بسبب شدة المجال المغناطيسي داخل المغناطيس، أو بسبب سرعة تغير المجال المغناطيسي (مما يؤدي إلى تيارات دوامية وتسخين ناتج في مصفوفة الدعم النحاسية)، أو بسبب مزيج من الاثنين.

في حالات نادرة، قد يتسبب عيب في المغناطيس في انطفاء مفاجئ. عند حدوث ذلك، تتعرض تلك البقعة تحديدًا لتسخين جول سريع بفعل التيار، مما يرفع درجة حرارة المناطق المحيطة. يدفع هذا التسخين تلك المناطق إلى حالتها الطبيعية أيضًا، مما يؤدي إلى مزيد من التسخين في تفاعل متسلسل. يعود المغناطيس بأكمله إلى حالته الطبيعية بسرعة خلال عدة ثوانٍ، اعتمادًا على حجم الملف فائق التوصيل. يصاحب ذلك دوي انفجار عالٍ نتيجة تحول الطاقة في المجال المغناطيسي إلى حرارة، وتبخر السائل المبرد . قد يؤدي الانخفاض المفاجئ في التيار إلى ارتفاعات مفاجئة في الجهد الاستقرائي بالكيلوفولت وظهور شرارات كهربائية. من غير المرجح حدوث تلف دائم للمغناطيس، ولكن قد تتضرر المكونات نتيجة التسخين الموضعي أو الفولتية العالية أو القوى الميكانيكية الكبيرة.

في الواقع العملي، تحتوي المغناطيسات عادةً على أجهزة أمان لإيقاف التيار أو الحد منه عند اكتشاف انطفاء مفاجئ. إذا تعرض مغناطيس كبير لانطفاء مفاجئ، فإن البخار الخامل المتكون من تبخر السائل المبرد قد يشكل خطر اختناق كبير على المشغلين عن طريق إزاحة الهواء القابل للتنفس.

تعرض جزء كبير من المغناطيسات فائقة التوصيل في مصادم الهادرونات الكبير التابع لمركز سيرن لانطفاء مفاجئ أثناء عمليات بدء التشغيل عام 2008، مما أدى إلى تدمير العديد من المغناطيسات. ^{[ 131 ]} ولمنع تكرار ذلك، زُودت المغناطيسات فائقة التوصيل في مصادم الهادرونات الكبير بسخانات سريعة التسخين تُفعّل عند رصد أي انطفاء مفاجئ. تتصل مغناطيسات الانحناء ثنائية القطب على التوالي. تحتوي كل دائرة طاقة على 154 مغناطيسًا منفردًا، وفي حال حدوث انطفاء مفاجئ، يجب تفريغ كامل الطاقة المخزنة لهذه المغناطيسات دفعة واحدة. تُنقل هذه الطاقة إلى كتل معدنية ضخمة ترتفع درجة حرارتها إلى عدة مئات من الدرجات المئوية - بسبب التسخين المقاوم - في غضون ثوانٍ. يُعد انطفاء المغناطيس "حدثًا روتينيًا نسبيًا" أثناء تشغيل مسرع الجسيمات. ^{[ 132 ]}

الناتج الطبيعي لتفاعل الاندماج النووي هو كمية ضئيلة من الهيليوم ، وهو غير ضار بالحياة. أما التريتيوم، وهو عنصر خطير، فيصعب التخلص منه تماماً.

على الرغم من أن التريتيوم نظير مشع ونشط بيولوجيًا، إلا أن المخاطر الصحية الناجمة عن تسربه أقل بكثير من معظم الملوثات المشعة، وذلك بسبب قصر عمر النصف للتريتيوم (12.32 سنة) وانخفاض طاقة اضمحلاله (حوالي 14.95  كيلو إلكترون فولت)، ولأنه لا يتراكم بيولوجيًا (إذ يخرج من الجسم على شكل ماء، بعمر نصف بيولوجي يتراوح بين 7 و14 يومًا). ^{[ 133 ]} يشتمل مشروع ITER على مرافق احتواء كاملة للتريتيوم. ^{[ 134 ]}

تشير الحسابات إلى وجود حوالي كيلوغرام واحد (2.2 رطل) من التريتيوم وغازات مشعة أخرى في محطة طاقة نموذجية. هذه الكمية ضئيلة بما يكفي لتخفيفها إلى الحدود المسموح بها قانونًا عند وصولها إلى السياج المحيط بالمحطة . ^{[ 135 ]} 

يُقدّر احتمال وقوع حوادث صناعية صغيرة، بما في ذلك التسرب الموضعي للإشعاع وإصابة العاملين، بأنه ضئيل مقارنةً بالانشطار النووي. وتشمل هذه الحوادث التسرب العرضي لليثيوم أو التريتيوم أو سوء التعامل مع مكونات المفاعل المشعة. ^{[ 130 ]}

تُنتج مفاعلات الاندماج مواد مشعة أقل بكثير من مفاعلات الانشطار. علاوة على ذلك، فإن المواد التي تُنتجها أقل ضررًا بيولوجيًا، ويتلاشى النشاط الإشعاعي خلال فترة زمنية تقع ضمن الإمكانيات الهندسية الحالية لتخزين النفايات بشكل آمن على المدى الطويل. ^{[ 136 ]} وبشكل أكثر تحديدًا، باستثناء حالة الاندماج غير النيوتروني ، ^{[ 137 ] [ 138 ]} فإن تدفق النيوترونات يُحوّل المواد الهيكلية إلى مواد مشعة. قد تكون كمية المواد المشعة عند إيقاف التشغيل مماثلة لتلك الموجودة في مفاعل الانشطار، مع وجود اختلافات جوهرية. تميل فترات نصف العمر للنظائر المشعة الناتجة عن الاندماج والتنشيط النيوتروني إلى أن تكون أقل من تلك الناتجة عن الانشطار، مما يؤدي إلى انخفاض الخطر بشكل أسرع. بينما تُنتج مفاعلات الانشطار نفايات تبقى مشعة لآلاف السنين، فإن المادة المشعة في مفاعل الاندماج (باستثناء التريتيوم) ستكون قلب المفاعل نفسه، وسيظل معظمها مشعًا لمدة 50 عامًا تقريبًا، بينما ستظل النفايات الأخرى منخفضة المستوى مشعة لمدة 100 عام أخرى تقريبًا بعد ذلك. ^{[ 139 ]} يُزيل العمر النصفي القصير لنفايات الاندماج تحدي التخزين طويل الأمد. فبعد 500 عام، ستكون مستويات السمية الإشعاعية للمادة مماثلة لرماد الفحم . ^{[ 135 ]} ومع ذلك، فإن تصنيفها كنفايات متوسطة المستوى بدلًا من نفايات منخفضة المستوى قد يُعقّد مناقشات السلامة. ^{[ 140 ] [ 136 ]}

يُعدّ اختيار المواد أقل تقييدًا مقارنةً بالانشطار النووي التقليدي، حيث تتطلب العديد من المواد خصائص محددة لمقاطعها العرضية النيوترونية. يمكن تصميم مفاعلات الاندماج باستخدام مواد "منخفضة التنشيط"، أي مواد لا تُصبح مشعة بسهولة. على سبيل المثال، يُصبح الفاناديوم أقل إشعاعًا بكثير من الفولاذ المقاوم للصدأ . ^{[ 141 ]} كما تتميز مواد ألياف الكربون بانخفاض التنشيط، وقوتها، وخفة وزنها، وهي واعدة لمفاعلات الليزر بالقصور الذاتي التي لا تتطلب مجالًا مغناطيسيًا. ^{[ 142 ]}

تقترح طاقة الاندماج عادةً استخدام الديوتيريوم كوقود، وتستخدم العديد من التصاميم الحالية الليثيوم أيضًا . بافتراض أن إنتاج طاقة الاندماج يساوي إنتاج الطاقة العالمي لعام 1995، والذي يبلغ حوالي 100 إلكترون فولت جول/سنة (أي 1 × ^10²⁰ جول/سنة)، وأن هذا الإنتاج لن يزداد في المستقبل، وهو أمر مستبعد، فإن احتياطيات الليثيوم الحالية المعروفة ستكفي لمدة 3000 عام. من ناحية أخرى، سيكفي الليثيوم المستخرج من مياه البحر لمدة 60 مليون عام، وإذا ما تم استخدامه مع عملية اندماج أكثر تعقيدًا تعتمد على الديوتيريوم فقط، فسيوفر وقودًا لمدة 150 مليار عام. ^{[ 143 ]}

أنفق الاتحاد الأوروبي ما يقارب 10 مليارات يورو خلال تسعينيات القرن الماضي. ^{[ 147 ]} ويمثل مشروع ITER استثمارًا يزيد عن 20 مليار دولار، وربما عشرات المليارات الأخرى، بما في ذلك المساهمات العينية . ^{[ 148 ] [ 149 ]} وفي إطار البرنامج الإطاري السادس للاتحاد الأوروبي ، حصل بحث الاندماج النووي على 750 مليون يورو (بالإضافة إلى تمويل ITER)، مقارنةً بـ 810 ملايين يورو لأبحاث الطاقة المستدامة، ^{[ 150 ]} مما يضع أبحاث طاقة الاندماج في طليعة أي تقنية منافسة منفردة. وقد خصصت وزارة الطاقة الأمريكية ما بين 367 مليون دولار و671 مليون دولار أمريكي سنويًا منذ عام 2010، وبلغت ذروتها في عام 2020، ^{[ 151 ]} مع خطط لخفض الاستثمار إلى 425 مليون دولار أمريكي في طلب ميزانية السنة المالية 2021. ^{[ 152 ]} ويُخصص ربع هذه الميزانية تقريبًا لدعم ITER.

نظراً لحجم الاستثمارات والجداول الزمنية، كان تمويل أبحاث الاندماج النووي تقليدياً يتم بشكل شبه حصري من القطاع العام. إلا أنه بدءاً من العقد الثاني من الألفية، بدأ وعد تسويق مصدر طاقة منخفض الكربون يُحدث نقلة نوعية في هذا المجال يجذب عدداً كبيراً من الشركات والمستثمرين. ^{[ 153 ]} وقد استقطبت أكثر من عشرين شركة ناشئة ما يزيد عن مليار دولار أمريكي في الفترة ما بين عامي 2000 و2020 تقريباً، وتحديداً منذ عام 2015، بالإضافة إلى ثلاثة مليارات دولار أخرى كتمويل والتزامات مرتبطة بتحقيق مراحل محددة في عام 2021، ^{[ 154 ] [ 155 ]} وكان من بين المستثمرين جيف بيزوس ، وبيتر ثيل ، وبيل غيتس ، فضلاً عن مستثمرين مؤسسيين مثل شركة ليغال آند جنرال ، وشركات طاقة مثل إكوينور ، وإيني ، وشيفرون ، ^{[ 156 ]} ومجموعة إي إن إن الصينية . ^{[ 68 ] [ 157 ] [ 138 ]} في عام 2021، حصلت شركة أنظمة الاندماج التابعة للكومنولث (CFS) على تمويل بقيمة 1.8 مليار دولار لتوسيع نطاق أعمالها، وحصلت شركة هيليون للطاقة على نصف مليار دولار، مع حصولها على 1.7 مليار دولار إضافية مشروطة بتحقيق مراحل محددة. ^{[ 158 ]}

ناقشت سيناريوهات طُورت في العقد الأول من الألفية الثانية وبداية العقد الثاني آثار تسويق طاقة الاندماج النووي على مستقبل الحضارة الإنسانية. ^{[ 159 ]} وباستخدام الانشطار النووي كنموذج، توقعت هذه السيناريوهات أن يبدأ تشغيل أول مفاعلات تجارية في مشروع ITER، ثم لاحقًا في مشروع DEMO، حوالي عام 2050، مع توسع سريع بعد منتصف القرن. ^{[ 159 ]} وشددت بعض السيناريوهات على "مرافق علوم الاندماج النووي" كخطوة تتجاوز مشروع ITER. ^{[ 160 ] [ 161 ]} ومع ذلك، لا تزال العقبات الاقتصادية أمام طاقة الاندماج القائمة على مفاعلات التوكاماك هائلة، إذ تتطلب استثمارات لتمويل نماذج أولية لمفاعلات التوكاماك ^{[ 162 ]} وتطوير سلاسل إمداد جديدة، ^{[ 163 ]} وهي مشكلة ستؤثر على أي نوع من مفاعلات الاندماج. ^{[ 164 ]} ويبدو أن تصميمات التوكاماك تتطلب عمالة كثيفة، ^{[ 165 ]} في حين أن مخاطر تسويق البدائل، مثل طاقة الاندماج بالقصور الذاتي، مرتفعة بسبب نقص الموارد الحكومية. ^{[ 166 ]}

تشير السيناريوهات منذ عام 2010 إلى أن التقدم في مجال الحوسبة وعلوم المواد يُتيح إنشاء "محطات تجريبية للاندماج النووي" (FPPs) متعددة المراحل، على المستوى الوطني أو بتقاسم التكاليف، عبر مسارات تكنولوجية متنوعة، ^{[ 167 ] [ 161 ] [ 168 ] [ 169 ] [ 170 ] [ 171 ]} مثل مفاعل توكاماك الكروي البريطاني لإنتاج الطاقة ، ضمن الإطار الزمني 2030-2040. ^{[ 172 ] [ 173 ] [ 174 ]} والجدير بالذكر أنه في يونيو 2021، أعلنت شركة جنرال فيوجن قبولها عرض الحكومة البريطانية لاستضافة أول محطة تجريبية كبيرة للاندماج النووي في العالم ، ضمن شراكة بين القطاعين العام والخاص ، في مركز كولهام لطاقة الاندماج . ^{[ 175 ]} سيتم بناء المحطة في الفترة من 2022 إلى 2025، ومن المُخطط لها أن تُمهد الطريق أمام المحطات التجريبية التجارية في أواخر العقد الحالي. سيعمل المصنع بنسبة 70% من طاقته الإنتاجية الكاملة، ومن المتوقع أن يصل إلى درجة حرارة بلازما مستقرة تبلغ 150 مليون درجة. ^{[ 176 ]} تشمل الخطط البريطانية الأخرى موقعًا للتطوير بالقرب من ريتفورد . ^{[ 177 ]} في الولايات المتحدة، يبدو أن شراكات القطاعين العام والخاص في مشاريع الاندماج النووي، القائمة على تقاسم التكاليف، هي الأرجح، ^{[ 178 ]} وفي عام 2022، أعلنت وزارة الطاقة الأمريكية عن برنامج جديد لتطوير الاندماج النووي قائم على مراحل محددة، باعتباره حجر الزاوية في رؤيتها العشرية الطموحة للطاقة الاندماجية التجارية، ^{[ 179 ]} والتي تتضمن فرقًا بقيادة القطاع الخاص لتقديم تصاميم أولية لمشاريع الاندماج النووي، وتحديد خرائط طريق التكنولوجيا، ومتابعة البحث والتطوير اللازمين لحل المشكلات العلمية والتقنية الحرجة وصولًا إلى تصميم مشروع الاندماج النووي. ^{[ 180 ]} قد تُمكّن تقنية المفاعلات المدمجة، القائمة على هذه المحطات التجريبية، من التسويق التجاري عبر نهج الأسطول بدءًا من ثلاثينيات القرن الحالي ^{[ 181 ]} إذا أمكن تحديد الأسواق المبكرة. ^{[ 174 ]}

أدى الانتشار الواسع للطاقة المتجددة غير النووية إلى تغيير جذري في مشهد الطاقة. ومن المتوقع أن تُغطي هذه المصادر 74% من احتياجات الطاقة العالمية بحلول عام 2050. ^{[ 182 ]} ويُشكل الانخفاض المطرد في أسعار الطاقة المتجددة تحديًا للقدرة التنافسية الاقتصادية لطاقة الاندماج النووي. ^{[ 140 ]}

يرى بعض الاقتصاديين أن تكلفة طاقة الاندماج النووي من غير المرجح أن تضاهي تكاليف مصادر الطاقة المتجددة الأخرى . ^{[ 140 ]} ومن المتوقع أن تواجه محطات الاندماج النووي تكاليف بدء تشغيل ورأسمالية باهظة . علاوة على ذلك، من المرجح أن تكون تكاليف التشغيل والصيانة مرتفعة. ^{[ 140 ]} في حين أن تكاليف مفاعل الاختبار الهندسي للاندماج النووي الصيني غير معروفة بدقة، فقد تم توقع أن يتميز مفهوم الاندماج النووي التجريبي للاتحاد الأوروبي بتكلفة طاقة مُعدّلة (LCOE) تبلغ 121 دولارًا أمريكيًا/ميغاواط ساعة. ^{[ 184 ]}

تكاليف الوقود منخفضة، لكن الاقتصاديين يشيرون إلى أن تكلفة الطاقة لمحطة طاقة بقدرة 1 جيجاوات سترتفع بمقدار 16.5 دولارًا لكل ميجاوات ساعة مقابل كل مليار دولار زيادة في الاستثمار الرأسمالي في الإنشاء. كما أن هناك خطر استهلاك الليثيوم، المتوفر بسهولة، في صناعة البطاريات. إذ أن استخراجه من مياه البحر سيكون مكلفًا للغاية، وقد يتطلب طاقةً تفوق الطاقة المُولَّدة. ^{[ 140 ]}

في المقابل، تُقدّر التكلفة المُعدّلة للطاقة المتجددة بأقل بكثير. فعلى سبيل المثال، قُدّرت التكلفة المُعدّلة للطاقة الشمسية في عام 2019 بما يتراوح بين 40 و46 دولارًا أمريكيًا لكل ميغاواط/ساعة، وقُدّرت تكلفة طاقة الرياح البرية بما يتراوح بين 29 و56 دولارًا أمريكيًا لكل ميغاواط/ساعة، بينما بلغت تكلفة طاقة الرياح البحرية حوالي 92 دولارًا أمريكيًا لكل ميغاواط/ساعة. ^{[ 185 ]}

مع ذلك، قد يظل لطاقة الاندماج دورٌ في سدّ فجوات الطاقة التي تخلفها مصادر الطاقة المتجددة، ^{[ 174 ] [ 140 ]} وذلك تبعًا لكيفية تأثير أولويات الإدارة في مجال الطاقة والعدالة البيئية على السوق. ^{[ 158 ]} في عشرينيات القرن الحادي والعشرين، ظهرت دراسات اجتماعية واقتصادية حول الاندماج بدأت تأخذ هذه العوامل في الحسبان، ^{[ 186 ]} وفي عام 2022، أطلق مشروع EUROFusion مساريه للدراسات الاجتماعية والاقتصادية والبحث والتطوير الاستشرافي لدراسة كيفية تأثير هذه العوامل على مسارات التسويق والجداول الزمنية. ^{[ 187 ]} وبالمثل، أعلنت اليابان في أبريل 2023 عن استراتيجية وطنية لتصنيع الاندماج. ^{[ 188 ]} وبالتالي، قد تعمل طاقة الاندماج جنبًا إلى جنب مع مصادر الطاقة المتجددة الأخرى بدلًا من أن تصبح المصدر الرئيسي للطاقة. ^{[ 140 ]} في بعض التطبيقات، يمكن لطاقة الاندماج أن توفر الحمل الأساسي، لا سيما إذا تضمنت تخزينًا حراريًا متكاملًا وتوليدًا مشتركًا للطاقة، مع الأخذ في الاعتبار إمكانية تحديث محطات الفحم. ^{[ 174 ] [ 140 ]}

ينتج عن اندماج الديوتيريوم والتريتيوم الهيليوم-4 كمنتج ثانوي . ^{[ 235 ]}

كانت أول آلة تحقق الاندماج النووي الحراري المُتحكم به هي آلة الضغط في مختبر لوس ألاموس الوطني، والتي سُميت سكيلا 1، في بداية عام 1958. قاد الفريق الذي حقق هذا الإنجاز العالم البريطاني جيمس تاك، وضمّ في صفوفه الشاب مارشال روزنبلث . كان تاك قد شارك في مشروع مانهاتن، لكنه تحوّل إلى العمل على الاندماج النووي في أوائل الخمسينيات. تقدّم بطلب تمويل للمشروع ضمن مسابقة رعتها البيت الأبيض لتطوير مفاعل اندماج بالتعاون مع ليمان سبيتزر . في العام السابق، 1957، ادّعى البريطانيون أنهم حققوا تفاعلات الاندماج النووي الحراري على آلة الضغط زيتا . إلا أنه تبيّن لاحقًا أن النيوترونات التي رصدوها كانت ناتجة عن تفاعلات الحزمة مع الهدف، وليست عن اندماج نووي، فسحبوا ادعاءهم. اجتمعت مجموعة دراسة برعاية سيرن حول الاندماج النووي الحراري المتحكم به في الفترة من 1958 إلى 1964. وتوقفت هذه المجموعة عن العمل عندما اتضح أن سيرن أوقفت دعمها المحدود لفيزياء البلازما. ^{[ 238 ]}

كان جهاز سكيلا 1 جهازًا سريًا في ذلك الوقت، لذا بقي هذا الإنجاز بعيدًا عن العامة. تعتمد تقنية الضغط Z التقليدية على تمرير تيار كهربائي في مركز البلازما، مما يُولّد قوة مغناطيسية حولها تضغط البلازما إلى ظروف الاندماج النووي. أما سكيلا 1 فكانت من نوع الضغط θ ، حيث استخدمت الديوتيريوم لتمرير تيار كهربائي حول الجزء الخارجي من أسطوانتها لتوليد قوة مغناطيسية في المركز. ^{[ 36 ] [ 37 ]} بعد نجاح سكيلا 1، واصل مختبر لوس ألاموس بناء العديد من أجهزة الضغط هذه خلال السنوات القليلة التالية.

واصل سبيتزر أبحاثه حول جهاز ستيلاراتور في برينستون. ورغم أن الاندماج النووي لم يتحقق على الفور، إلا أن هذا الجهد أدى إلى إنشاء مختبر برينستون لفيزياء البلازما . ^{[ 239 ] [ 240 ]}

في أوائل خمسينيات القرن العشرين، طوّر الفيزيائيان السوفيتيان إي. إي. تام وأ . د. ساخاروف مفهوم التوكاماك، الذي يجمع بين جهاز ضغط منخفض الطاقة وجهاز ستيلاراتور منخفض الطاقة. ^{[ 205 ]} بنى فريق أ. د. ساخاروف أول أجهزة توكاماك، محققين أول تفاعل اندماج شبه مستقر. ^{[ 241 ] : 90}

بمرور الوقت، ظهر مفهوم "التوكاماك المتقدم"، والذي تضمن بلازما غير دائرية، ومحولات ومحددات داخلية، ومغناطيسات فائقة التوصيل، والتشغيل في "وضع H" الذي يتميز باستقرار متزايد، ^{[ 242 ]} بالإضافة إلى التوكاماك المدمج، حيث توجد المغناطيسات داخل حجرة التفريغ. ^{[ 243 ] [ 244 ]}

حجرة نوفيت المستهدفة (كرة معدنية مزودة بأجهزة تشخيصية بارزة شعاعيًا)، والتي أعيد استخدامها من مشروع شيفا ، وسلسلتان ليزريتان تم بناؤهما حديثًا تظهران في الخلفية

كان الانضغاط الناتج عن الانصهار بالقصور الذاتي على ليزر نوفا خلال ثمانينيات القرن الماضي محركاً رئيسياً لتطوير الاندماج النووي.

ليزر شيفا، 1977، أكبر نظام ليزر ICF تم بناؤه في السبعينيات

تجربة المرآة المزدوجة (TMX) في عام 1979

اقترح علماء في مختبر لورانس ليفرمور الوطني (LLNL) الاندماج بالليزر في عام 1962، بعد فترة وجيزة من اختراع الليزر في عام 1960. وبدأت تجارب الاندماج بالقصور الذاتي باستخدام الليزر في وقت مبكر من عام 1965. تم بناء العديد من أنظمة الليزر في مختبر لورانس ليفرمور الوطني، بما في ذلك أرجوس ، وسيكلوبس ، وجانوس ، والمسار الطويل ، وليزر شيفا ، ونوفا . ^{[ 245 ]}

شملت التطورات في مجال الليزر بلورات مضاعفة التردد ثلاث مرات، والتي حولت أشعة الليزر تحت الحمراء إلى أشعة فوق بنفسجية، وتقنية "التردد المتغير"، التي حولت طول موجة واحدة إلى طيف كامل يمكن تضخيمه ثم إعادة تركيبه في تردد واحد. ^{[ 246 ]} بلغت تكلفة أبحاث الليزر أكثر من مليار دولار في ثمانينيات القرن العشرين. ^{[ 247 ]}

تم بناء وتشغيل أجهزة توكاماك PLT وTFTR وTore Supra وJET وT-15 وJT-60 في ثمانينيات القرن العشرين. [ 248 ] [ 249 ] [ 250 ] في عام ^{1984 ، اقترح مارتن بينغ من مختبر أوك ريدج} الوطني (ORNL) جهاز توكاماك كروي بنصف قطر أصغر بكثير. ^{[ 251 ]} استخدم هذا الجهاز موصلًا كبيرًا واحدًا في المركز، مع مغناطيسات على شكل أنصاف حلقات متصلة بهذا الموصل. انخفضت نسبة العرض إلى الارتفاع إلى 1.2. ^{[ 252 ] :B247 [ 253 ] :225} وقد لاقت دعوة بينغ اهتمام ديريك روبنسون ، الذي بنى جهاز توكاماك ذي نسبة العرض إلى الارتفاع الصغيرة والضيقة (START). ^{[ 252 ]}

في عام 1991، حققت تجربة التريتيوم الأولية في التوروس الأوروبي المشترك أول إطلاق متحكم به لطاقة الاندماج في العالم. ^{[ 254 ]}

في عام 1993، أصبح مفاعل TFTR أول مفاعل توكاماك يُجري تجارب باستخدام مزيج كبير من الديوتيريوم والتريتيوم. وفي عام 1994، أسفرت هذه التجارب عن تفريغ كهربائي حقق رقماً قياسياً عالمياً في قدرة الاندماج النووي بلغت 10.1 ميغاواط، مع قدرة تسخين حزمة محايدة بلغت 39.9 ميغاواط. وكانت النسبة Q تساوي 0.26. أما في لب البلازما، فكانت النسبة Q تساوي 0.8 تقريباً. ^{[ 255 ]}

في عام 1996، قام توري سوبرا بإنشاء بلازما لمدة دقيقتين بتيار يقارب  مليون أمبير، بإجمالي طاقة محقونة ومستخرجة تبلغ 280 ميجا جول. ^{[ 256 ]}

في عام 1997، أنتج جهاز JET ذروة بلغت 16.1  ميجاوات من طاقة الاندماج (65% من الحرارة إلى البلازما ^{[ 257 ]} )، مع طاقة اندماج تزيد عن 10  ميجاوات استمرت لأكثر من 0.5  ثانية. ^{[ 258 ]}

"الاشتعال السريع" ^{[ 259 ] [ 260 ]} وفر الطاقة ونقل تقنية ICF إلى سباق إنتاج الطاقة.

في عام 2006، تم الانتهاء من بناء مفاعل الاختبار التجريبي المتقدم فائق التوصيل من نوع توكاماك (EAST) في الصين . ^{[ 261 ]} وكان أول مفاعل توكاماك يستخدم مغناطيسات فائقة التوصيل لتوليد كل من المجالات الحلقية والقطبية.

في مارس 2009، بدأ تشغيل مرفق الاندماج النووي بالقصور الذاتي الذي يعمل بالليزر . ^{[ 262 ]}

في العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، دخلت شركات الاندماج المدعومة من القطاع الخاص السباق، بما في ذلك TAE Technologies ، ^{[ 263 ]} و General Fusion ، ^{[ 264 ] [ 265 ]} و Tokamak Energy . ^{[ 266 ]}

تسارعت وتيرة الأبحاث الخاصة والعامة في العقد الثاني من الألفية الثانية. طورت شركة جنرال فيوجن تقنية حقن البلازما، واختبرت شركة تراي ألفا إنرجي جهازها C-2U. ^{[ 267 ]} بدأ تشغيل ليزر ميغا جول الفرنسي . حقق مرفق الإشعال الوطني (NIF) مكسبًا صافيًا في الطاقة ^{[ 268 ]} في عام 2013، والذي يُعرَّف، بمعناه المحدود جدًا، بأنه النقطة الساخنة في قلب الهدف المنهار، وليس الهدف بأكمله. ^{[ 269 ]}

في عام 2014، باعت شركة Phoenix Nuclear Labs مولد نيوترونات عالي الإنتاجية يمكنه الحفاظ على 5×10 ^{11 تفاعل اندماج} ديوتيريوم في الثانية على مدار 24 ساعة. ^{[ 270 ]}

في عام 2015، أعلن معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا عن مفاعل توكاماك أطلق عليه اسم مفاعل الاندماج ARC ، والذي يستخدم أشرطة فائقة التوصيل من أكسيد الباريوم والنحاس الأرضي النادر (REBCO) لإنتاج ملفات ذات مجال مغناطيسي عالي، زعم المعهد أنها قادرة على إنتاج قوة مجال مغناطيسي مماثلة في تصميم أصغر من التصاميم الأخرى. ^{[ 271 ]}

في أكتوبر، أكمل باحثون في معهد ماكس بلانك لفيزياء البلازما في غرايفسفالد، ألمانيا، بناء أكبر جهاز ستيلاراتور حتى الآن، وهو ويندلشتاين 7-إكس (W7-X). بدأ جهاز W7-X المرحلة التشغيلية الأولى (OP1.1) في 10 ديسمبر 2015، حيث أنتج بنجاح بلازما الهيليوم. ^{[ 272 ]} كان الهدف هو اختبار الأنظمة الحيوية وفهم فيزياء الجهاز. بحلول فبراير 2016، تم إنتاج بلازما الهيدروجين، حيث وصلت درجات الحرارة إلى 100 مليون كلفن. استخدمت الاختبارات الأولية خمسة محددات من الجرافيت. بعد أكثر من 2000 نبضة وتحقيق إنجازات مهمة، اختُتمت المرحلة التشغيلية الأولى (OP1.1) في 10 مارس 2016. تلا ذلك تحديث، وهدفت المرحلة التشغيلية الثانية (OP1.2) في عام 2017 إلى اختبار محول غير مبرد. بحلول يونيو 2018، تم الوصول إلى درجات حرارة قياسية. اختتمت W7-X حملاتها الأولى باختبارات المحدد ومحول الجزيرة، محققةً تقدماً ملحوظاً بحلول نهاية عام 2018. ^{[ 273 ] [ 274 ] [ 275 ]} وسرعان ما أنتجت بلازما الهيليوم والهيدروجين لمدة تصل إلى 30 دقيقة. ^{[ 276 ]}

أنتج جهاز ST40 التابع لشركة توكاماك إنرجي البريطانية "أول بلازما". ^{[ 277 ]} وفي العام التالي، أعلنت شركة إيني  عن استثمار بقيمة 50 مليون دولار في شركة كومنولث فيوجن سيستمز ، في محاولة لتسويق تقنية ARC التابعة لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا . ^{[ 278 ] [ 279 ] [ 280 ] [ 281 ]}

في يناير 2021، أعلنت شركة SuperOx عن طرح سلك فائق التوصيل جديد تجارياً بقدرة تيار تزيد عن 700 أمبير/مم² ^{. [ 282 ]}

أعلنت شركة TAE Technologies عن نتائج جهازها نورمان، حيث حافظ على درجة حرارة تبلغ حوالي 60  درجة مئوية لمدة 30 مللي ثانية، أي أعلى بـ 8 و 10 مرات على التوالي من أجهزة الشركة السابقة. ^{[ 283 ]}

في أكتوبر، كشفت شركة "فيرست لايت فيوجن" التي تتخذ من أكسفورد مقراً لها، عن مشروعها للاندماج النووي باستخدام المقذوفات، والذي يقوم بإطلاق قرص من الألومنيوم باتجاه هدف الاندماج، مُسرّعاً بنبضة كهربائية بقوة 9 ميغا أمبير، ليصل إلى سرعات تبلغ 20 كيلومتراً في الثانية (12 ميلاً في الثانية) . وينتج عن الاندماج الناتج نيوترونات تُخزّن طاقتها على شكل حرارة. ^{[ 284 ]} 

في 8 نوفمبر، وخلال محاضرة مدعوة في الاجتماع السنوي الثالث والستين لقسم فيزياء البلازما التابع للجمعية الفيزيائية الأمريكية، ^{[ 285 ]} ادعى المرفق الوطني للإشعال ^{[ 286 ]} أنه نجح في إشعال الاندماج النووي في المختبر في 8 أغسطس 2021، لأول مرة في تاريخ برنامج الاندماج بالقصور الذاتي الممتد لأكثر من 60 عامًا. ^{[ 287 ] [ 288 ]} وقد أسفرت التجربة عن 1.3 ميغا جول من طاقة الاندماج، أي بتحسن يزيد عن 8 أضعاف مقارنةً بالاختبارات التي أُجريت في ربيع 2021. ^{[ 286 ]} ويُقدّر المرفق الوطني للإشعال أن 230  كيلو جول من الطاقة وصلت إلى كبسولة الوقود، مما أدى إلى زيادة إنتاج الطاقة من الكبسولة بنحو 6 أضعاف. ^{[ 286 ]} وذكر باحث من إمبريال كوليدج لندن أن غالبية المختصين في هذا المجال متفقون على أن عملية الإشعال قد تم إثباتها. ^{[ 286 ]}

في نوفمبر 2021، أعلنت شركة هيليون إنرجي عن حصولها على تمويل بقيمة 500 مليون دولار أمريكي ضمن جولة التمويل من الفئة E لجهاز بولاريس من الجيل السابع، المصمم لإثبات إنتاج صافي الكهرباء، مع  التزامات إضافية بقيمة 1.7 مليار دولار أمريكي مرتبطة بمراحل محددة، ^{[ 289 ]} بينما جمعت شركة كومنولث فيوجن سيستمز تمويلًا إضافيًا بقيمة 1.8  مليار دولار أمريكي ضمن جولة التمويل من الفئة B لبناء وتشغيل مفاعل سبارك توكاماك ، وهو أكبر استثمار منفرد في أي شركة اندماج نووي خاصة. ^{[ 290 ]}

في أبريل 2022، أعلنت شركة "فيرست لايت" أن نموذجها الأولي للاندماج النووي باستخدام قذائف فرط صوتية قد أنتج نيوترونات متوافقة مع الاندماج النووي. تعتمد تقنيتهم ​​على إطلاق قذائف كهرومغناطيسيًا بسرعة 19 ماخ باتجاه كريات وقود محصورة داخل قفص. يتم ضغط وقود الديوتيريوم بسرعة 204 ماخ، ليصل إلى مستويات ضغط تبلغ 100 تيرا باسكال. ^{[ 291 ]}

في 13 ديسمبر/كانون الأول 2022، أفادت وزارة الطاقة الأمريكية بأن باحثين في مرفق الإشعال الوطني (NIF) حققوا مكسبًا صافيًا في الطاقة من تفاعل اندماج نووي. أنتج تفاعل وقود الهيدروجين في المرفق حوالي 3.15 ميغا جول من الطاقة، بينما استهلك 2.05 ميغا جول من الطاقة المُدخلة. ومع ذلك، فبينما قد تكون تفاعلات الاندماج قد أنتجت أكثر من 3 ميغا جول من الطاقة - أي أكثر مما تم توصيله إلى الهدف - استهلكت ليزرات المرفق البالغ عددها 192 ليزرًا 322 ميغا جول من طاقة الشبكة في عملية التحويل. ^{[ 292 ] [ 293 ] [ 294 ] [ 295 ]}

في مايو 2023، قدمت وزارة الطاقة الأمريكية منحة قدرها 46 مليون دولار لثماني شركات في سبع ولايات لدعم تصميم محطات الطاقة الاندماجية وجهود البحث والتطوير فيها. ويتماشى هذا التمويل، ضمن برنامج تطوير الاندماج القائم على المراحل، مع أهداف إثبات جدوى الاندماج على نطاق تجريبي خلال عقد من الزمن، وتطوير الاندماج كمصدر طاقة محايد للكربون بحلول عام 2050. وتُكلف الشركات الحاصلة على المنحة بمعالجة التحديات العلمية والتقنية اللازمة لابتكار تصاميم فعّالة لمحطات الاندماج التجريبية خلال السنوات الخمس إلى العشر القادمة. وتشمل الشركات المستفيدة: Commonwealth Fusion Systems ، وFocusted Energy Inc.، وPrinceton Stellarators Inc.، وRealta Fusion Inc.، وTokamak Energy Inc.، وType One Energy Group، وXcimer Energy Inc.، وZap Energy Inc. ^{[ 296 ]}

في ديسمبر 2023، تم افتتاح مفاعل التوكاماك JT-60SA، وهو الأكبر والأكثر تطوراً، في ناكا ، اليابان. يُعدّ هذا المفاعل مشروعاً مشتركاً بين اليابان والاتحاد الأوروبي. وقد حقق المفاعل أول إنتاج للبلازما في أكتوبر 2023. ^{[ 297 ]} لاحقاً، نجح مشروع مفاعل الاندماج النووي الكوري الجنوبي، المعروف باسم مفاعل التوكاماك الكوري فائق التوصيل للأبحاث المتقدمة ، في العمل لمدة 102 ثانية في وضع الاحتواء العالي (الوضع H) عند درجات حرارة أيونية عالية تتجاوز 100 مليون درجة، وذلك في اختبارات البلازما التي أُجريت من ديسمبر 2023 إلى فبراير 2024. ^{[ 298 ]}

في يناير 2025، أفادت التقارير أن مفاعل الاندماج النووي EAST في الصين حافظ على تشغيل بلازما عالي الحصر في حالة مستقرة لمدة 1066 ثانية (حوالي 18 دقيقة). ^{[ 299 ]} وفي فبراير 2025، أعلنت هيئة الطاقة الذرية الفرنسية (CEA) أن مفاعل التوكاماك WEST التابع لها حافظ على بلازما مستقرة لمدة 1337 ثانية، أي أكثر من 22 دقيقة. ^{[ 300 ]} وفي مارس، أعلنت شركة Energy Singularity عن مغناطيس ينتج مجالًا مغناطيسيًا بقوة 21.7 تسلا . ^{[ 301 ]}

في عام 2026، أعلن مشروع EAST أنه تجاوز حد كثافة البلازما المحدد في دراسة غرينوالد. وقد ريّد هذا المشروع تقنيات التنظيم الذاتي للبلازما على الجدران، والتسخين بالرنين السيكلوتروني الإلكتروني (التشغيل الأومي)، والتحكم في ضغط غاز الوقود الأولي، والحد الفعال من تناثر الشوائب على الحدود والتلوث الناتج عن جدران المفاعل. ودخلت البلازما في نظام خالٍ من الكثافة، حيث لم تؤدِّ الكثافة العالية إلى زيادة عدم الاستقرار. ^{[ 302 ]}